,

(1.湖北大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，武漢 430062；2.區(qū)域開發(fā)與環(huán)境響應(yīng)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430062；3.湖北省生物資源綠色轉(zhuǎn)化協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430062； 4.湖北省測(cè)繪成果檔案館，武漢 430071)

0 引言

煤礦是我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的主要能源之一，對(duì)促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展也起著十分重大的作用。然而煤礦生產(chǎn)過程中存在較高的瓦斯事故發(fā)生率，礦井下的瓦斯爆炸事故等災(zāi)害頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響了礦井工作人員的人生安全，也給煤礦企業(yè)乃至國(guó)家造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。其中，瓦斯甲烷的濃度則是影響礦井安全生產(chǎn)的重大因素之一，甲烷的濃度一旦過高會(huì)帶來一定的危險(xiǎn)，如果甲烷濃度不進(jìn)行排除進(jìn)行降低的話，會(huì)對(duì)礦井下面工作人員的人命安全帶來威脅[3-4]。為避免此類事故發(fā)生，其中最為有效的一個(gè)辦法就是檢測(cè)甲烷的濃度，能否準(zhǔn)確有效的檢測(cè)和監(jiān)控甲烷的濃度，直接影響到煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)。

煤礦井下甲烷濃度的常用檢測(cè)方法主要有人工巡檢以及工業(yè)總線的方法[5-6]。其中人工巡檢是專業(yè)人員手持瓦斯檢測(cè)儀定時(shí)定點(diǎn)的在礦井下巡回檢測(cè)，該方法難以確保檢測(cè)人員的自身安全，且不能做到實(shí)時(shí)檢測(cè)和查詢；工業(yè)總線的甲烷監(jiān)控系統(tǒng)采用的是有線通訊傳輸，結(jié)構(gòu)繁瑣且不易維護(hù)。

針對(duì)上述問題，本文提出一種基于ZigBee的煤礦井下甲烷濃度檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用ZigBee協(xié)議棧構(gòu)建無線傳感器通訊網(wǎng)絡(luò)，在礦井的檢測(cè)區(qū)域放置無線傳感器，傳感器實(shí)時(shí)的感知、檢測(cè)和采集甲烷的濃度，并通過無線傳輸機(jī)制將甲烷濃度數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調(diào)器，最終傳輸至監(jiān)控中心。在所述方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了硬件軟件的設(shè)計(jì)，并完成了系統(tǒng)的測(cè)試驗(yàn)證。

1 基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式的傳感網(wǎng)絡(luò)，主要處于網(wǎng)絡(luò)的末端，其所占區(qū)域大、自組織能力強(qiáng)、可靠性高以及節(jié)點(diǎn)布置密集等優(yōu)勢(shì)，在礦井甲烷濃度檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用是一種發(fā)展趨勢(shì)[7-8]。傳感器主要用于對(duì)甲烷濃度的感知和采集，并且采用無線的方式對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行輸送。其結(jié)構(gòu)體系如圖1所示，在需要檢測(cè)的區(qū)域放置一定量的無線功能的傳感器，該類傳感器首先對(duì)甲烷濃度進(jìn)行采集，并將這些數(shù)據(jù)信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)的信息之后開始和礦井的管理中心進(jìn)行通訊，用戶對(duì)收到的甲烷濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最后做出決策。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

ZigBee具有低功耗、低成本、時(shí)延短以及網(wǎng)絡(luò)容量等優(yōu)勢(shì)而得到了廣泛的應(yīng)用[9-10]。為提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通訊效能，文中采用ZigBee協(xié)議棧構(gòu)建無線傳感器通訊網(wǎng)絡(luò)，ZigBee包含協(xié)調(diào)器、路由器以及終端節(jié)點(diǎn)三樣配置。文中選用的網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，包含了1個(gè)協(xié)調(diào)器，多個(gè)路由器和終端設(shè)備，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)十分靈活，路由器節(jié)點(diǎn)直接能夠進(jìn)行直接的通訊，從而提高了傳輸效率。而當(dāng)一個(gè)路由器發(fā)生狀況時(shí)，網(wǎng)絡(luò)能夠繼續(xù)保持工作，從而具有更高的可靠性。

圖2 網(wǎng)狀的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)方案圖如圖3所示，系統(tǒng)的主要組成部分包括傳感部分、處理部分、無線傳輸部分以及顯示存儲(chǔ)部分等。

圖3 甲烷濃度檢測(cè)系統(tǒng)方案

傳感器終端節(jié)點(diǎn)對(duì)甲烷濃度的感知和采集，并將甲烷濃度的數(shù)據(jù)信息以無線傳輸?shù)男问絺髦羺f(xié)調(diào)器，最后傳至監(jiān)控中心。即可實(shí)現(xiàn)地面工作人員對(duì)礦井甲烷濃度的檢測(cè)。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

甲烷濃度檢測(cè)系統(tǒng)的硬件部分主要包括傳感器、終端設(shè)節(jié)點(diǎn)以及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。終端設(shè)備的組成部分主要有傳感器以及控制器，其主要的功能是采集甲烷的濃度數(shù)據(jù)和將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸；而協(xié)調(diào)器的主要功能是構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)以及對(duì)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，并采用有線的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

2.2.1 傳感器

文中檢測(cè)甲烷濃度的傳感器采用的型號(hào)是MQ-2傳感器，當(dāng)該傳感器感知甲烷濃度時(shí)，其電阻的取值會(huì)因甲烷濃度的增大減小，因而其電阻值的變化大小反映了甲烷濃度的變化，通過讀取電阻值即可知道甲烷的濃度值。MQ-2傳感器一共有6個(gè)管腳，其中2個(gè)管腳是加熱極，4個(gè)管腳是感知?dú)怏w的敏感材質(zhì)極。加熱電壓為5 V±0.2 V，加熱電壓可計(jì)算出傳感器電阻，進(jìn)而能夠求出電壓和甲烷濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此通過電壓的測(cè)量即可知道甲烷的濃度取值。

另外，傳感器的應(yīng)用電路主要分為電源電路和傳感器電路兩部分，其中電源電路采用的是LM2575芯片，可將輸入的12 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V電壓，該5 V電壓對(duì)MQ-2傳感器加熱和測(cè)試；設(shè)定甲烷濃度的極限值，并將該極限值轉(zhuǎn)換成一固定的電壓閾值，當(dāng)甲烷濃度超過預(yù)警極限值時(shí)，采用型號(hào)為L(zhǎng)M358的電壓比較器控制LED等進(jìn)行報(bào)警，此時(shí)LED為亮燈狀態(tài)。

2.2.2 終端節(jié)點(diǎn)

終端節(jié)點(diǎn)的主要組成部分有傳感器模塊、微處理器模塊以及電源模塊等。終端節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 協(xié)調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)圖

其中傳感器模塊主要是用于甲烷濃度信息的采集，把感知和采集的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓的模擬信號(hào)；微處理器采用的是TI公司的CC2530微處理器，主要用于將傳感器模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行操控；電源模塊主要是沒其他每個(gè)模塊進(jìn)行供電。

CC2530具有較高的集成度以及豐富的內(nèi)部資源，僅僅需要極少的外圍電路就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制電路。同時(shí)，CC2530內(nèi)部單片機(jī)具有無線通信的模塊，內(nèi)核的型號(hào)是8051，具有21個(gè)I/O引腳和2個(gè)串口通信接口，與ZigBee協(xié)議棧進(jìn)行聯(lián)合，采用C語言編程，其包含的主要模塊有CPU模塊、存儲(chǔ)器模塊、時(shí)鐘模塊、電源模塊以及設(shè)備管理模塊等。

CC2530芯片的外部電源的電壓等級(jí)是3.3 V，由于傳感器所需要的工作電壓是5 V，因此需采用BL8555-33PRA芯片實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換的功能，BL8555-33PRA電源轉(zhuǎn)換芯片的電壓輸出范圍是1.2 V到5.0 V，電壓精度可達(dá)0.1 V；CC2530含有14位的AD轉(zhuǎn)換接口，能夠?qū)崿F(xiàn)外部差分信號(hào)或者單端信號(hào)的輸入，通道的獨(dú)立輸入數(shù)量有8個(gè)，文中采用單端輸入信號(hào)接收傳感器采集的數(shù)據(jù)，選擇P0.0端口和12位精度；CC2530外接2個(gè)LED電路，所連接的引腳分別是P1.0和P1.2，LED燈亮的驅(qū)動(dòng)電平設(shè)置為低電平；CC2530裝有2個(gè)提供主頻的晶振電路，晶振源的頻率分別為32 MHz和32.78 Hz，分別是主振蕩頻率額睡眠模式喚醒頻率；CC2530天線配置電路的芯片為2450BM15A0002，可大大減少射頻電路的元件數(shù)量，且具有較小的體積和功耗。

2.2.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

相對(duì)于終端節(jié)點(diǎn)電路系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)不含有傳感器模塊，其他組成部分具有一致性。在應(yīng)用時(shí)，采用IAR軟件，在協(xié)調(diào)器CC2530模塊里面對(duì)ZigBee協(xié)議棧的協(xié)調(diào)器程序進(jìn)行下載，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的組網(wǎng)以及數(shù)據(jù)傳輸。而在下載程序時(shí)，JTAG接口采用DEBUGGER仿真器進(jìn)行連接，并且供電的方式采用USB方式，采用RS-232串口完成協(xié)調(diào)器和上位機(jī)之間的通訊。協(xié)調(diào)器的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 協(xié)調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)圖

2.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分主要包括系統(tǒng)下位機(jī)和上位機(jī)的開發(fā)環(huán)境、平臺(tái)以及基于ZigBee協(xié)議棧通訊和數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)流程。

2.3.1 下位機(jī)軟件

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)工具采用的是IAR Systems公司的 IAR Embedded Workbench For C8051，下位機(jī)的軟件部分以ZigBee為核心部分，主要包含的模塊有終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備和協(xié)調(diào)器設(shè)備，采用的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)是基于Z-stack協(xié)議棧。

1)Z-Stack協(xié)議棧選用的是Z-SATCK2007，其能夠?yàn)镃C2530硬件提供基本所需要的底層協(xié)議代碼，十分方便開發(fā)人員的使用，協(xié)議棧層次分明，其中應(yīng)用層最為關(guān)鍵，包含了用戶所需要執(zhí)行任務(wù)的全部?jī)?nèi)容，項(xiàng)目程序在這一層進(jìn)行編輯，主要包括主文件(.C文件)、頭文件(.h文件)和接口文件，只需要調(diào)用這三部分文件并根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的新功能進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷募纯?，而主要需要改的是ZMain主函數(shù)，包含了入口函數(shù)以及硬件的配置文件。除此之外，硬件層包含了驅(qū)動(dòng)函數(shù)以及一些硬件配置的程序，基本無需大改。

2)協(xié)調(diào)器設(shè)備以自動(dòng)的方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)組建，而終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備也能夠自動(dòng)的加入到該網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，緊接著建立協(xié)調(diào)器設(shè)備和終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間的無線通訊。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)組建的流程如圖6所示，首先在網(wǎng)絡(luò)建立之前初始化終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，其次協(xié)調(diào)器構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，判斷終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備是否已經(jīng)加入到此網(wǎng)絡(luò)，一旦成功加入網(wǎng)絡(luò)后，終端節(jié)點(diǎn)的傳感器開始對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并基于ZigBee協(xié)議棧以無線傳輸?shù)男问綄⒉杉降臄?shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器設(shè)備，最后協(xié)調(diào)器設(shè)備節(jié)點(diǎn)將接收到的甲烷濃度的數(shù)據(jù)信息采用串口的形式發(fā)送至上位機(jī)監(jiān)控中心。

ZigBee的通訊方式為廣播式的，該方式非常適合于實(shí)際礦井環(huán)境，采用周期定時(shí)的形式發(fā)送甲烷濃度數(shù)據(jù)。系統(tǒng)上電之后就開始初始化各類設(shè)備，并在組網(wǎng)成功之后觸發(fā)各項(xiàng)任務(wù)。開啟定時(shí)器功能，時(shí)間到后立即觸發(fā)廣播事件，且周期定時(shí)時(shí)間可自定義。分別設(shè)置終端設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)以及協(xié)調(diào)器設(shè)備數(shù)據(jù)接收函數(shù)。

圖6 組網(wǎng)軟件流程圖

2.3.2 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件采用的是NI公司的LABView虛擬儀器，能夠采用圖形化的語言進(jìn)行編程，其程序主要包括前面板、程序框圖以及圖標(biāo)/連接器等。上位機(jī)的功能程序流程圖如圖7所示，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行基本初始化配置，配置完成后開始通過串口接收下位機(jī)傳輸過來的數(shù)據(jù)，即開始處理接收到的6位字符數(shù)據(jù)，其中第1位代表的是傳感器的編號(hào)，后5位代表的是甲烷的濃度，對(duì)甲烷濃度的數(shù)據(jù)進(jìn)行定量的解析和處理，并在監(jiān)控中心顯示和存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)信息。對(duì)甲烷濃度的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷是否超過安全限定值，一旦超過的話就采取報(bào)警的措施且led指示燈燈亮。

圖7 上位機(jī)的流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證上述所設(shè)計(jì)方案的可行性和有效性，在上述分析的基礎(chǔ)上搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要硬件裝置有：1臺(tái)電腦、3組電池、1條RS-232串口線、1套甲烷制造器材、1個(gè)1 L的鋁箔采樣袋、1個(gè)密封條以及1個(gè)10 mL的針頭；主要的軟件平臺(tái)是IAR Embedded Workbench (主要用于下載各節(jié)點(diǎn)的程序)、National Instruments LABView 2012(主要用于人機(jī)交互界面顯示)。

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的執(zhí)行步驟如下：(1)標(biāo)號(hào)終端節(jié)點(diǎn)，并在終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器植入程序；(2)給各節(jié)點(diǎn)供電并組網(wǎng)；(3)將終端節(jié)點(diǎn)傳感器放置于瓦斯?jié)舛炔蓸哟校?4)人工制取甲烷；(5)抽取甲烷至采集袋；(6)將傳感器采集結(jié)果無線傳輸至上位機(jī)。

對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行整體性能效果的測(cè)試，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單方便，能夠快速的將下位機(jī)的不同節(jié)點(diǎn)組成，精確的發(fā)送檢測(cè)的數(shù)據(jù)，上位機(jī)則可以友好的實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。在本次測(cè)試中，集氣袋中不斷的注入甲烷，并使甲烷在集氣袋中逐漸的擴(kuò)散，傳感器數(shù)據(jù)每秒鐘傳輸一次，一共取5組測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試的數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。表1中的相對(duì)誤差是指檢測(cè)到的甲烷濃度的相對(duì)誤差取值，定義的計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

式中,Cr是甲烷濃度實(shí)際值的大小，Cc是甲烷濃度檢測(cè)值的大小。

表1 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

通過甲烷濃度實(shí)際值與檢測(cè)值的對(duì)比結(jié)果可知，本系統(tǒng)甲烷濃度的5次檢測(cè)相對(duì)誤差分別是1.31%、1.74%、1.69%、1.65%和1.25%，均未超過2%，經(jīng)過計(jì)算可知平均誤差也只有1.528%，因此該系統(tǒng)具有較高的檢測(cè)精度，在煤礦企業(yè)的應(yīng)用具有一定的適用性。

4 結(jié)論

本文針對(duì)煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)的實(shí)際需求，提出了一種基于ZigBee的煤礦井下甲烷濃度檢測(cè)系統(tǒng)。首先介紹了應(yīng)用于礦井的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和ZigBee技術(shù)。其次提出了煤礦井下甲烷濃度檢測(cè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，給出了煤礦井下甲烷濃度檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分和軟件設(shè)計(jì)部分，包括終端節(jié)點(diǎn)的硬件電路、外圍電路硬件部分、協(xié)議棧無線組流程網(wǎng)等。最后搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性和有效性進(jìn)行驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的煤礦井下甲烷濃度檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)靈活的檢測(cè)甲烷濃度，且檢測(cè)精度較高，能夠滿足現(xiàn)代煤礦企業(yè)的實(shí)際需求。

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