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,負責完成數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換,微控制器CC2530模塊則負責控制整個節(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堋M瑫r,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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