劉剛，段朝偉，楊金生

(1.河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校，河南新鄉(xiāng)453000;2.中油管道檢測(cè)技術(shù)有限責(zé)任公司，河北廊坊065000)

基于nRF905的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

劉剛1*，段朝偉1，楊金生2

(1.河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校，河南新鄉(xiāng)453000;2.中油管道檢測(cè)技術(shù)有限責(zé)任公司，河北廊坊065000)

針對(duì)于目前煤礦安全生產(chǎn)中的瓦斯監(jiān)測(cè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了以無(wú)線射頻芯片nRF905為核心以ATmega128為控制器的的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)礦井下各個(gè)區(qū)域的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)nRF905將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器進(jìn)行分析存儲(chǔ)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常及時(shí)聲光報(bào)警。該系統(tǒng)具有較高的檢測(cè)靈敏性，為提高煤礦安全開(kāi)采和保證人員安全具有十分重要的意義。

瓦斯監(jiān)測(cè);煤礦安全;nRF905;ATmega128;無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

近幾年來(lái)，我國(guó)年度礦難事故雖然呈逐年下降趨勢(shì)，但是，死亡人數(shù)在10人以上的礦難中，70%是由于瓦斯爆炸造成的。因此瓦斯爆炸的預(yù)防是煤礦安全生產(chǎn)中一個(gè)急需解決的問(wèn)題［1-2］。瓦斯在煤體或圍巖中是以游離狀態(tài)和吸著狀態(tài)存在的，且礦洞中地勢(shì)復(fù)雜。傳統(tǒng)的瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用有線方式，造成安裝、維護(hù)成本比較高，且容易受作業(yè)環(huán)境影響，信號(hào)傳輸質(zhì)量較低［3-5］。

基于以上原因，本文采用低功耗單片機(jī)AT-mega128為核心，采用射頻芯片nRF905，構(gòu)成無(wú)線瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄?duì)煤礦多點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，簡(jiǎn)化了信號(hào)線的連接，降低干擾，能夠?qū)ΦV井下多點(diǎn)進(jìn)行瓦斯監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和工作原理

本設(shè)計(jì)集成了瓦斯信號(hào)檢測(cè)、射頻發(fā)送與接收、聲光報(bào)警、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存于分析等多個(gè)功能模塊。本系統(tǒng)是以總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)是由多個(gè)瓦斯監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)系統(tǒng)主機(jī)構(gòu)成的。瓦斯監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)瓦斯含量和無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送;系統(tǒng)主機(jī)負(fù)責(zé)與各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信，并且通過(guò)RS-232串口將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。

圖1 煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

從功耗、體積、運(yùn)行速度等方面考慮，主控制器采用美國(guó)ATMEL生產(chǎn)的ATmega128單片機(jī)。AT-mega128具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，16 kbyte字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，512 byte的EEPROM，抗干擾，保密性強(qiáng)等特點(diǎn)。

射頻部分采用挪威Nordic公司的射頻芯片nRF905。nRF905可以通過(guò)軟件配置工作在433 MHz、868 MHz、915 MHz這3個(gè)ISM頻段。該芯片最高工作速率可達(dá)50 kbit/s，具有高效GFSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工作在礦井中。工作電壓范圍為1.8 V～3.6 V，待機(jī)模式下電流僅為2.5μA功耗極小。nRF905通過(guò)SPI總線與ATmega128連接。

瓦斯傳感器采用對(duì)瓦斯具有較好靈敏度的MQ-5。MQ-5是以金屬氧化物SnO2為主體材料的N型半導(dǎo)體氣敏元件，當(dāng)MQ-5接觸到瓦斯時(shí)，其電導(dǎo)率隨氣體濃度的增加而迅速升高。電路如圖2所示。

圖2 單片機(jī)與MQ-5硬件電路連接圖

瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到某點(diǎn)瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時(shí)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)發(fā)出聲光報(bào)警，Atmega 16單片機(jī)的PD6接蜂鳴器，PB1連接報(bào)警發(fā)光二極管。當(dāng)發(fā)生異常時(shí)，蜂鳴器聲音報(bào)警、發(fā)光二級(jí)管閃爍報(bào)警。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)所述的硬件設(shè)計(jì)，結(jié)合煤礦井下瓦斯信息采集時(shí)間間隔短、單次數(shù)據(jù)傳輸量少的特點(diǎn)，軟件部分分為上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件。

3.1 下位機(jī)軟件程序

圖3 程序流程圖

下位機(jī)軟件流程圖如圖3所示，分為數(shù)據(jù)發(fā)送部分和數(shù)據(jù)接收部分。瓦斯監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)在啟動(dòng)后，對(duì)單片機(jī)和nRF905進(jìn)行初始化，瓦斯傳感器對(duì)所在區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)探測(cè)到有瓦斯氣體溢出時(shí)，AT-mega128會(huì)把監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)和瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)打包通過(guò)nRF905發(fā)送出去。數(shù)據(jù)發(fā)送成功后，清零發(fā)送使能位，進(jìn)入到下一次數(shù)據(jù)發(fā)送循環(huán)。數(shù)據(jù)接收部分的程序負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)，接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。

在瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，多個(gè)瓦斯傳感器發(fā)送節(jié)點(diǎn)與一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。如果沒(méi)有良好的通信協(xié)議，多個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)會(huì)致使通信沖突，導(dǎo)致信道阻塞，數(shù)據(jù)包丟失。為了避免這種情況的發(fā)生，本系統(tǒng)采用基于隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)類的MAC通信協(xié)議，各個(gè)瓦斯傳感器發(fā)送節(jié)點(diǎn)通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)的方法獲得信道。本設(shè)計(jì)采用MAC協(xié)議中得CSMA/CA協(xié)議實(shí)現(xiàn)方式具體分為4個(gè)步驟:

(1)當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)需要給接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先監(jiān)聽(tīng)信道1 ms，如果信道空閑則獲得信道的使用權(quán)，此時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)出一幀請(qǐng)求發(fā)送命令幀RTS。

(2)接收節(jié)點(diǎn)接到某個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求發(fā)送命令幀RTS后，則向該發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送清除發(fā)送命令幀CTS。

(3)此時(shí)與接收節(jié)點(diǎn)通信的發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收到清除命令幀CTS后，可以確認(rèn)通信連接已經(jīng)建立，則開(kāi)始將采集到的瓦斯?jié)舛劝l(fā)送到接收節(jié)點(diǎn)。如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)沒(méi)有收到CTS，該發(fā)送節(jié)點(diǎn)則需要等待從新發(fā)送RTS。

(4)接收節(jié)點(diǎn)在接收到數(shù)據(jù)后，再次發(fā)送數(shù)據(jù)確認(rèn)命令幀ACK。發(fā)送節(jié)點(diǎn)收到ACK后完成當(dāng)前通信［6-9］。

3.2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

接收節(jié)點(diǎn)在接收到有效的數(shù)據(jù)后，通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)中，上位機(jī)采用VB構(gòu)建了一個(gè)瓦斯監(jiān)測(cè)軟件平臺(tái)。此監(jiān)測(cè)平臺(tái)可以迅速查詢各個(gè)瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域的瓦斯?jié)舛?。瓦斯監(jiān)測(cè)軟件平臺(tái)包括串口通訊，人機(jī)交互界面，瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)的計(jì)算和存儲(chǔ)等功能。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 瓦斯傳感器靈敏度測(cè)試

靈敏度是無(wú)線傳感器重要性能指標(biāo)之一。礦井下地勢(shì)復(fù)雜，瓦斯傳感器所監(jiān)控區(qū)域瓦斯?jié)舛冗_(dá)到5%時(shí)，煤礦工人就需要馬上停止工作。瓦斯傳感器的特性范圍是0.005至0.018，表1所示在瓦斯?jié)舛鹊陀?%時(shí)傳感器不會(huì)報(bào)警，當(dāng)瓦斯?jié)舛雀哂?%時(shí)報(bào)警，經(jīng)測(cè)試符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

表1 MQ-5靈敏度測(cè)試表

4.2 瓦斯傳感器通信距離測(cè)試

瓦斯傳感器的通信距離是隨著發(fā)射功率增大而增大，同時(shí)通信距離越遠(yuǎn)，瓦斯傳感器的功耗也就越大。在無(wú)障礙物的空地和礦井下測(cè)試分別瓦斯傳感器的通信距離，瓦斯傳感器使用5V鋰電池供電，測(cè)試條件為發(fā)射功率分別為-10 dm、-1 dm、5 dm、10 dm，頻率波段設(shè)置為433 MHz的ISM頻段。通過(guò)使用激光測(cè)距儀得到在復(fù)雜環(huán)境下、不同功率下得最大通信距離，如表2所示。

表2 通信距離測(cè)試表

4.3 瓦斯傳感器功耗測(cè)試與丟包率測(cè)試

2010年12月，利用本文中的瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在河南平頂山某煤礦進(jìn)行WSN組網(wǎng)測(cè)試，測(cè)試礦井中6個(gè)工作區(qū)域的瓦斯?jié)舛取Ｍ咚箓鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的功耗是與單位時(shí)間所發(fā)數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)的成正比的，瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)和所發(fā)數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)的關(guān)系如圖4所示。

圖4 瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)功耗實(shí)驗(yàn)圖

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)，丟包率測(cè)試結(jié)果如表3所示。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的丟包率僅為0.88%。

表3 瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)丟包率

根據(jù)上面幾個(gè)試驗(yàn)所得結(jié)果，正式本文所設(shè)計(jì)的煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠基本滿足礦井下瓦斯?jié)舛炔杉男枰蛿?shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)，可靠性高，符合項(xiàng)目要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將無(wú)線傳感器技術(shù)應(yīng)用于礦井下的瓦斯監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，減少了線路連接的復(fù)雜程度，可以靈活配置網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。礦井中的巷道是隨著煤礦采集的進(jìn)度而隨時(shí)改變的，該系統(tǒng)可以隨時(shí)增加、減少或移動(dòng)瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)的，節(jié)省煤礦采集成本。

［1］李紀(jì)榕，李福進(jìn)，吳艷微，等.基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，24(9):1336-1338.

［2］顧娟娟，李建清，鄒留華.基于nRF905的無(wú)線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2008，31(2):529-532.

［3］丁左權(quán)，胡應(yīng)東，，等.礦井無(wú)線定位導(dǎo)航與安全監(jiān)控系統(tǒng)研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，35(7):44-48.

［4］黃鶴聲，馮建蘭，，等.基于nRF905IC傳輸硫化參數(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2010，2(2):34-35.

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［7］郝妍娜，洪志良.基于MCU和nRF905的低功耗遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸系統(tǒng)［J］.電子應(yīng)用技術(shù)，2010，15(7):36-38.

［8］孫彥景，錢建生，武金磊，等.基于WSN地下無(wú)人采煤安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，20(11):2517-2518.

［9］胡冀，秦會(huì)斌，鄭梁.無(wú)線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)化的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子器件，2008，31(4):1338-1391.

Design of Gas M onitoring System Based on nRF905*

LIU Gang1*，DUAN Chaowei1，YANG Jinsheng2

(1．Henan Mechanical and Electrical Engineering College，Xinxiang Henan453000;China; 2．China Petroleum Pipeline Bureau，Langfang Hebei065000，China)

According to the problem of gasmonitor in coalmine production，this paper puts forward a kind of gas monitoring system which based on nRF905 and ATmega128.It can measure gas density in coalmine and send the data to host computer by nRF905.When abnormal circumstance happens，it can announce people to stop work and leave coalmine by sound and light alarm.In the gasmonitoring，the system has higher sensitivity，It is very important for improvingmine production and for workers to secuse their personnel safety.

gasmonitoring;mine safety;nRF905;ATmega128;WSN

10．3969/j．issn．1005－9490．2013．01．014

TD712．3

A

1005－9490(2013)01－0061－03

項(xiàng)目來(lái)源:河南省教育廳自然科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2011B470002)

2012-08-28修改日期:2012-09-20

EEACC:7200;7430

劉剛(1981-)，男，漢，河南新鄉(xiāng)，助教，碩士，主要從事自控設(shè)備的研究與設(shè)計(jì)。就職于河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校自控系，79046248@qq.com。