賀國強 陳振宇 史航 孫柏林 瞿聰 韓成浩

摘要：文章介紹了煤層氣體泄露監(jiān)控系統(tǒng)終端模塊設(shè)計方案，包括其硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，說明該系統(tǒng)的核心技術(shù)是ZigBee技術(shù)。以ZigBee技術(shù)為核心，該系統(tǒng)具備諸多優(yōu)勢，其功耗、成本都較低，靈敏度、抗干擾能力亦都較強。

關(guān)鍵詞：ZigBee；煤層氣體泄漏；監(jiān)控系統(tǒng)終端

長期以來，煤層氣（俗稱瓦斯）事故的數(shù)量在煤礦事故的總數(shù)量中所占比例一直居高不下。根據(jù)記錄顯示，煤礦事故中死亡3人以上的，煤層氣事故占70%之多，10人以上死亡的事故中煤層氣事故更是達到了90%。提高地下煤礦的工作環(huán)境安全系數(shù)、改善工作條件、提高工作效率，對國民經(jīng)濟越好越快發(fā)展意義重大。

ZigBee是目前廣泛應(yīng)用的一種技術(shù)，其特點是復(fù)雜度低、功耗低、數(shù)據(jù)速率低、成本低，是一種雙向無線通信技術(shù)，ZigBee的完整協(xié)議棧有32 kB，可以嵌入各種設(shè)備中應(yīng)用，并且支持地理定位功能[1]。本系統(tǒng)中煤礦煤層氣無線監(jiān)測系統(tǒng)就是基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用低功耗、具有較強抗干擾能力的微控制器為核心，系統(tǒng)可對煤礦礦井空氣中的煤層氣濃度進行實時檢測，具有可靠性、便于安裝性、成本低、節(jié)能及實際可行性等優(yōu)點。系統(tǒng)可對煤礦生產(chǎn)工作的進行提供一定的保障，提高一定的生產(chǎn)效率，并且在礦井的防災(zāi)、減災(zāi)方面發(fā)揮一定的作用。

1 設(shè)計方案

監(jiān)控系統(tǒng)整個網(wǎng)絡(luò)分成2層，上層是上位機，就是由計算機及其內(nèi)部的應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，是整個網(wǎng)絡(luò)信息的匯聚點[3]，同時負責(zé)對數(shù)據(jù)進行分析和處理。下層是ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)，由協(xié)調(diào)器、路由器和節(jié)點3個部分組成。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成呈網(wǎng)狀發(fā)散式結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)信息也由節(jié)點一路由器一協(xié)調(diào)器的方式逐級傳送。上層計算機與下層協(xié)議棧采用TCP/IP有線網(wǎng)絡(luò)連接，以保證數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)的可擴展性。

實際應(yīng)用中，基于考慮一般礦井深度都在10公里以上，故而需要在礦井中安置100個以上的ZigBee節(jié)點，由這些節(jié)點共同組成ZigBee組網(wǎng)。組網(wǎng)中各個ZigBee節(jié)點負責(zé)采集各自區(qū)域內(nèi)的煤層氣濃度數(shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)傳送至各個ZigBee節(jié)點組的路由器。每個ZigBee節(jié)點具有各自的傳感器模塊，各個傳感器模塊由氣體傳感器和溫濕度傳感器組成，負責(zé)完成數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換，微控制器CC2530模塊則負責(zé)控制整個節(jié)點的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理、任務(wù)管理等[2]，存儲模塊負責(zé)存儲采集到的數(shù)據(jù)；電源模塊為兩節(jié)1.5 V的堿性電池，負責(zé)提供能量，選通所用到的傳感器。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 核心控制電路設(shè)計

本系統(tǒng)是基于CC2530模塊設(shè)計的，其中CC2530是整個系統(tǒng)的核心器件，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)、信息傳輸?shù)裙δ?。同時，由于CC2530內(nèi)部集成51內(nèi)核，控制程序均寫在其中，實現(xiàn)各個功能。如圖1所示。

2.2 氣體傳感器模塊介紹

本設(shè)計中，氣體傳感器采用KGS-20半導(dǎo)體傳感器，該傳感器由北京吉華科技有限公司生產(chǎn)，體積小，功耗低，基本材料是二氧化錫。KGS-20是一種專用于可燃氣濃度檢測的傳感器，瓦斯報警器、瓦斯檢測儀中都可見到它的身影，它具有極高的靈敏度，響應(yīng)速度也極快，且功耗較低，應(yīng)用電路也簡單，其報警濃度為甲烷≥1%，響應(yīng)時間≤20 s，恢復(fù)時間≤30 s，工作溫度范圍-15℃?+ 50℃，濕度≤97%RH，靜態(tài)功耗為150 mW，報警狀態(tài)功耗為300 mW，供電電壓為3?5 VDC。其中PHT04000W是一個電壓轉(zhuǎn)換模塊，在其中的作用就是給瓦斯傳感器提供0.9 V的電源。

2.3 溫濕度傳感器SHT75模塊

本設(shè)計中，溫濕度傳感器采用SHT75數(shù)字溫濕度傳感器，該傳感器由瑞士 Scnsirion公司推出。該傳感器包含兩部分——電容性測濕敏感元件和用能隙材料制成的測溫元件。傳感器將傳感元件及信號處理電路集成在一塊微小電路板上，實現(xiàn)信號采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可穩(wěn)定輸出標定的數(shù)字信號，傳感器具有極高的可靠性和長期穩(wěn)定性，采用專利CMOSens技術(shù)，支持低功耗，并且在同一芯片上可實現(xiàn)14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路的無縫連接，而且，傳感器芯片是在超精確的濕度腔室中進行標定，校準系數(shù)以程序形式儲存在一次性可編程（One Time Programable，OTP）內(nèi)存中，來用于內(nèi)部信號校準。兩線制的串行接口與內(nèi)部的電壓調(diào)整，使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡單。故而，該傳感器具有幾大優(yōu)點：響應(yīng)迅速、性價比高、抗干擾能力強、體積小、功耗低等。

2.4 聲、光報警電路設(shè)計

在系統(tǒng)運行中，一旦發(fā)生煤層氣濃度超標，不僅要將此報警信息上傳到上層計算機中。同時，還要警告附近的工作人員，故而設(shè)計了聲、光報警電路。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 ZigBee協(xié)調(diào)器程序

協(xié)調(diào)器是整個組網(wǎng)的核心部分，主要用來初始化整個網(wǎng)絡(luò)，在整個井下組網(wǎng)中作為管理者存在。其中ZigBee協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計主程序流程如圖2所示。ZigBee協(xié)調(diào)器啟動之后首先開始初始化設(shè)備，然后執(zhí)行中斷程序，判斷主機是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送，如果主機有數(shù)據(jù)信息需要發(fā)送則用無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)出去，發(fā)完數(shù)據(jù)之后進行校驗，看是否已經(jīng)發(fā)送成功。如果不成功則重復(fù)運行發(fā)送數(shù)據(jù)模式。當協(xié)調(diào)器處在空閑狀態(tài)時，本身沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，它就會掃描整個信號看是否有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，如果發(fā)現(xiàn)有則和上面一樣執(zhí)行接收這個需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過校驗、數(shù)據(jù)包解壓，最后通過數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)骄媳O(jiān)控子系統(tǒng)。

3.2 ZigBee組網(wǎng)流程

在給系統(tǒng)通電之后，ZigBee的無線傳感器會自動執(zhí)行掃描信道，看是否已經(jīng)存在建好的網(wǎng)絡(luò)，如果掃描到信道已經(jīng)有建好的網(wǎng)絡(luò)，這個無線傳感器會選擇一個父節(jié)點對其發(fā)送入網(wǎng)請求，協(xié)調(diào)器收到請求信號之后會給這個節(jié)點分配地址并確認確實存在這個地址，這樣就成功地加入了一個網(wǎng)絡(luò)。如果在系統(tǒng)通電掃描信道之后，發(fā)現(xiàn)信道中沒有已經(jīng)建好的網(wǎng)絡(luò)，則它將自己設(shè)定為協(xié)調(diào)器，建立一個新的網(wǎng)絡(luò)，它也可以接受其他的節(jié)點加入請求并分配網(wǎng)絡(luò)地址給節(jié)點。所以說它具有自組織網(wǎng)絡(luò)的功能。

4 結(jié)語

本研究項目煤礦煤層氣無線監(jiān)測系統(tǒng)是基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用低功耗、具有較強抗干擾能力的微控制器為核心，結(jié)合靈敏度很高的氣體傳感器和單總線技術(shù)及控制算法，對周圍環(huán)境的空氣濃度進行實時監(jiān)測，系統(tǒng)具有便于安裝性、成本低、節(jié)能及實際可行性等優(yōu)點，本項目的研制成功會使報警控制設(shè)備更趨近于現(xiàn)代化、智能化，進一步提高煤礦工作環(huán)境的安全系數(shù)，提高工作效率?，F(xiàn)在，ZigBee技術(shù)因為其具有的獨特優(yōu)勢技術(shù)，彌補了短距離無線網(wǎng)絡(luò)通信方面市場的空白，低功耗、低速率和低成本的特點在各個方面得到應(yīng)用，相信在很短的時間內(nèi)，該技術(shù)會在社會的多個方面發(fā)展和運用。

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