顧榮榮，任 萍，郝 偉

(安徽理工大學計算機科學與工程學院，安徽淮南 232001)

目前，瓦斯災害依然是煤礦安全生產(chǎn)的大敵，也是實現(xiàn)高產(chǎn)高效工作面、推廣新技術(shù)和新設(shè)備的嚴重障礙。大多數(shù)煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)采用有線和固定傳感器組成的網(wǎng)絡(luò)，其缺點是:礦井結(jié)構(gòu)復雜，造成通信線路的鋪設(shè)和維護困難;固定傳感器的接入方式，不符合掘進工作面動態(tài)延伸的變化要求;固定監(jiān)測點，容易出現(xiàn)監(jiān)測盲區(qū)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為解決當前瓦斯監(jiān)測的難題提供了有效的技術(shù)手段，其以無線通信的方式形成了一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，彌補了有線設(shè)備的不足。本文提出了一種基于嵌入式ZigBee 的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本監(jiān)測系統(tǒng)主要分為信號采集、信號傳輸和信號處理3個部分(圖1)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

信號采集部分由分布在監(jiān)測區(qū)域的無線傳感節(jié)點構(gòu)成，負責采集和預處理區(qū)域內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊臄?shù)據(jù)信息，并通過無線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。信號傳輸部分中由ZigBee中心節(jié)點負責將所有傳感節(jié)點采集的數(shù)據(jù)匯聚起來，通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)浆F(xiàn)場監(jiān)控中心。信號處理部分由PC 主機實現(xiàn)，負責對傳送來的數(shù)據(jù)進行分析處理，根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，對傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)出相應(yīng)的指令。

2 傳感器節(jié)點的設(shè)計

該系統(tǒng)的無線瓦斯傳感器節(jié)點由微處理器、傳感器模塊、無線通信模塊和電源模塊4個部分組成。

2.1 處理器模塊

處理器模塊負責控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理自身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)。核心處理器采用PHILIPS 公司推出的功能強大、超低功耗的32 位微控制器LPC2478。它具有豐富的片上資源，完全可以滿足一般的工業(yè)控制需要，同時還可以減少系統(tǒng)硬件設(shè)計的復雜度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也便于后期的軟硬件的升級和擴展。把無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和基于ARM 的微控制器的控制技術(shù)結(jié)合起來，可以實現(xiàn)高可靠性、高穩(wěn)定性和實時準確的瓦斯監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。微處理器功能如圖2所示。

圖2 微處理器功能圖

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)對瓦斯氣體濃度的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。瓦斯傳感器的工作原理是利用熱催化元件在瓦斯的作用下發(fā)生燃燒，引起元器件溫度升高，導致阻值變化，從而導致電壓發(fā)生變化，通過測量電壓就可以檢測到瓦斯?jié)舛鹊淖兓?。本文選用LXK－6 催化元件，它是一種廣譜性的氣敏元件，具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、穩(wěn)定性好、低功耗等優(yōu)點，適用于井下瓦斯?jié)舛鹊臋z測。

2.3 無線通信模塊

無線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。該模塊采用的是CC2430，CC2430 結(jié)合了一個高性能的2.4GHz 射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051 控制器，具有8Kbyte 的RAM 及強大的外圍模塊，簡化了外圍電路的設(shè)計，該芯片十分適合需要超低功耗的系統(tǒng)。

2.4 電源模塊

在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，電源模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量，選擇良好的電源模塊對整個網(wǎng)絡(luò)而言至關(guān)重要。該模塊采用電池供電和外部輔助供電兩種供電模式，當沒有外接輔助電源時，由電池供電，當外接輔助電源時，由外接電源供電。選用型號為PAM2400 的穩(wěn)壓芯片，其具有超低功耗、封裝最小化等特點，可以將電壓穩(wěn)定在3.0V，提高了電源的使用壽命。

3 傳感器節(jié)點的軟件設(shè)計

3.1 傳感器節(jié)點的通信設(shè)計

傳感器節(jié)點的主要任務(wù)是監(jiān)測井下的瓦斯?jié)舛?，將采集的?shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee中心節(jié)點。為了降低能耗，傳感節(jié)點在不需要采集或者收發(fā)數(shù)據(jù)時，處于休眠狀態(tài)。如果節(jié)點需要正常工作時，它會被喚醒，處于工作狀態(tài)。工作完畢后，節(jié)點再次進入休眠狀態(tài)。節(jié)點的工作程序流程如圖3所示。

3.2 ZigBee中心節(jié)點軟件設(shè)計

ZigBee中心節(jié)點負責組建無線網(wǎng)絡(luò)，管理傳感節(jié)點并接收其發(fā)送來的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)和通訊網(wǎng)絡(luò)之間的連接，把接收來的瓦斯?jié)舛刃畔⑥D(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)控中心。其工作程序流程如圖4所示。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的基于嵌入式ZigBee 模塊的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，將無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和基于ARM 的微控制器的控制技術(shù)相結(jié)合，克服了目前瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)存在的鋪設(shè)通信線路投資大、維護困難、監(jiān)測存在盲區(qū)等缺點，實現(xiàn)了對煤礦采場瓦斯?jié)舛鹊倪B續(xù)、實時、快速監(jiān)測，并且組網(wǎng)靈活，成本低，可靠性強，系統(tǒng)維護量低，能夠更好地適應(yīng)采場工作面的動態(tài)延伸，為安全生產(chǎn)提供了可靠的保證。

圖3 傳感器節(jié)點的工作流程圖

圖4 ZigBee中心節(jié)點工作流程圖

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