余海林, 莫 莉，趙 悅，喻洪平

(成都大學 機械工程學院,四川 成都 610106)

0 引言

煤礦是我國工業(yè)生產(chǎn)的重要能源之一.然而，煤礦生產(chǎn)過程中極易發(fā)生瓦斯泄露及爆炸等事故，嚴重危害煤礦工作人員的安全，也給煤礦企業(yè)造成巨大經(jīng)濟損失[1-2].其中，甲烷濃度是影響煤礦安全生產(chǎn)的一個重要因素，一旦過高就會影響到礦井下工作人員的生命安全及煤礦生產(chǎn)[3-4].因此，能否準確有效地檢測和監(jiān)控甲烷的濃度就顯得非常重要.

傳統(tǒng)的煤礦甲烷濃度監(jiān)測主要包括工業(yè)總線和人工巡檢2種方法.其中，工業(yè)總線采取的方式是有線通信，但布線結構復雜且維護困難；人工巡檢是指專業(yè)檢查人員攜帶甲烷檢測儀定點定時到礦井下檢測的方法，但此方法難以保證專業(yè)檢查人員的安全，而且無法做到實時監(jiān)測.

針對以上傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的不足，本研究提出了一種適應于復雜礦井環(huán)境且基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的井下甲烷濃度監(jiān)測系統(tǒng)，并進行了軟件和硬件的設計.本系統(tǒng)可提供效率高但成本較低的數(shù)據(jù)傳輸平臺，且具備一定的可靠性和低功耗支持，能夠為煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)提供強有力的監(jiān)控.

1 無線傳感器網(wǎng)絡

無線傳感器網(wǎng)絡(wireless sensor network, WSN)是一種分布式傳感器網(wǎng)絡[5]，由大量傳感器單元以多跳和自組織的方式構成.網(wǎng)絡末端的傳感器用來感知和檢測外界變化，再通過無線通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸.該無線網(wǎng)絡具有設置靈活及設備可變更的特點，可以實現(xiàn)被檢測量的實時采集、處理和傳輸，最終把采集到的數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一發(fā)送給地面監(jiān)控中心.無線傳感器網(wǎng)絡的結構如圖1所示.

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡的結構圖

1.1 ZigBee技術

ZigBee技術是一種基于IEEE 802.15.4的短距離無線通信技術，具有功耗低、傳輸速率低且架構簡單等特點.目前，ZigBee技術的工作頻段有3種，即2.4 GHz、915 MHz及868 MHz.對應的帶寬、信道數(shù)量及最高數(shù)據(jù)傳輸速率如表1所示.

表1 3種工作頻段的性能對比

所有短距離無線通信技術中，ZigBee 技術與無線傳感器網(wǎng)絡的大規(guī)模、自組織、低成本和低功耗等特點最相適應，且傳輸距離較遠，在完全無遮擋的空曠區(qū)域內，傳輸距離通常為10～75 m[6]，已成為無線傳感器網(wǎng)絡采用的主流通信技術.

1.2 ZigBee技術的網(wǎng)絡拓撲結構

ZigBee技術中，自組網(wǎng)是其強大的功能之一.組成的網(wǎng)絡拓撲結構有星狀、樹狀及網(wǎng)狀，如圖2所示.實際中具體使用哪種拓撲結構視用戶的需求而定.

圖2 ZigBee技術的網(wǎng)絡拓撲結構

本系統(tǒng)選用的是網(wǎng)狀拓撲結構.這種拓撲結構下，假如其中1個路由器節(jié)點因故障與網(wǎng)絡系統(tǒng)中斷連接而不能正常工作時，網(wǎng)絡不會崩潰.此時，備用路由器節(jié)點會通過自動搜索加入到網(wǎng)絡中.新加入網(wǎng)絡的路由器節(jié)點仍沿著故障路由器節(jié)點的路徑進行數(shù)據(jù)傳輸，所以網(wǎng)絡會很快恢復正常.該結構提高了系統(tǒng)的容錯性，也保證了網(wǎng)絡的完整性[7].

2 系統(tǒng)設計

2.1 總體設計

由于井下巷道狹窄且環(huán)境惡劣，整體檢測系統(tǒng)除了需要實時準確地采集甲烷濃度及傳輸數(shù)據(jù)信息外，還需要保持自身結構的穩(wěn)定.本研究設計的井下甲烷監(jiān)測系統(tǒng)主要由1個監(jiān)控中心和多個終端節(jié)點、路由器節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點共同組成，其應用示意圖如圖3所示.

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)的應用示意圖

2.2 硬件設計

系統(tǒng)的硬件設計主要包含3部分的設計，即終端節(jié)點設計、路由器節(jié)點設計和協(xié)調器節(jié)點設計.其中，終端節(jié)點負責實時采集甲烷濃度和無線傳輸數(shù)據(jù)給路由器節(jié)點；路由器節(jié)點負責接收并匯總各終端設備采集到的甲烷濃度數(shù)據(jù)，然后轉發(fā)給協(xié)調器節(jié)點，同時超限報警，擴大了監(jiān)控范圍，延長了傳輸路徑；協(xié)調器節(jié)點接收路由器節(jié)點傳輸過來的數(shù)據(jù)，通過有線方式傳遞到上位機顯示，并且負責組成無線網(wǎng)絡.本監(jiān)測系統(tǒng)的總體硬件結構圖如圖4所示.

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)的總體硬件結構圖

2.2.1 傳感器

本系統(tǒng)選擇MQ-2傳感器檢測甲烷濃度.MQ-2傳感器屬于金屬氧化物半導體氣體傳感器，對氣體敏感，多用于對烷類氣體濃度監(jiān)測，尤其是甲烷.MQ-2傳感器內部的主要原材料為二氧化錫,在純凈的空氣中有較大的電阻[8]，且其阻值會隨著甲烷濃度的增大而逐漸減小.若將傳感器置于甲烷氣體環(huán)境中，輸入為甲烷氣體，通過阻值信息轉變?yōu)?～5 V的電壓信號輸出，從而獲得濃度值(范圍為0～99).由于二氧化錫材料的物理化學反應是可逆的，所以MQ-2傳感器的吸附時間短且恢復速度快，穩(wěn)定性好，壽命長且耐腐蝕，可連續(xù)使用，特別適合測量環(huán)境惡劣的井下易燃易爆氣體[9].

2.2.2 終端節(jié)點設計

終端節(jié)點主要由甲烷傳感器、CC2530模塊和電源模塊組成.傳感器主要負責采集甲烷濃度，然后轉化成電壓信號輸出.CC2530模塊自帶的A/D轉換負責將模擬電壓信號轉換成數(shù)字量，然后將數(shù)據(jù)通過射頻部分(無線收發(fā)器)發(fā)送給路由器節(jié)點.電源模塊負責為傳感器和CC2530模塊供能，實際采用5號電池.

CC2530模塊是內部集成了增強型8051CPU[10]和無線通信功能的單片機，聯(lián)合德州儀器研發(fā)的ZigBee協(xié)議棧，采用C語言進行編程.自帶的14-bit A/D轉換器可以直接采集模擬量.

CC2530模塊還包含32 MHz和32.768 KHz這2種不同的晶振電路，分別負責給正常工作模式下的CC2530模塊提供外部時鐘源和用于喚醒睡眠模式[11]下的CC2530模塊提供精準的低頻時鐘源.

2.2.3 路由器節(jié)點設計

路由器節(jié)點扮演著連接終端節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點的角色，主要負責接收各終端節(jié)點采集到的甲烷濃度數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)匯總發(fā)送給協(xié)調器節(jié)點.另外，協(xié)調器節(jié)點要發(fā)送指令信息給終端節(jié)點，也可通過路由器節(jié)點傳遞轉發(fā)，延長了傳輸距離.由于當井下巷道內的甲烷濃度超過閾值時，需要提醒井下工作人員及時撤離并返回地面，為此，本研究選擇了SFM27-I型持續(xù)性蜂鳴器和超高亮發(fā)光二極管，并在路由器節(jié)點上設計了聲光報警模塊.

2.2.4 協(xié)調器節(jié)點設計

協(xié)調器節(jié)點主要由CC2530模塊、液晶顯示模塊及USB轉串口模塊組成，主要負責接收路由器節(jié)點轉發(fā)的各終端節(jié)點采集到的甲烷濃度數(shù)據(jù)，然后通過USB轉串口模塊發(fā)送給上位機.

為了便于在井下實時查看各固定位置的甲烷濃度信息，協(xié)調器節(jié)點上安裝了液晶顯示屏.考慮到巷道內的特殊環(huán)境，顯示屏需要體積小、清晰度高且功耗低，因此本研究選用了TFT液晶顯示屏，其中內部芯片為ST7735S.TFT液晶顯示屏的反應速度快，約80 ms，可視角度大，一般可達到130°，還具有對比度高與厚度薄等優(yōu)點，從而可以高速度、高亮度及高對比度地顯示屏幕信息.

2.3 軟件設計

軟件設計主要分為下位機部分和上位機部分，即井下甲烷數(shù)據(jù)采集和無線傳輸系統(tǒng)及地面監(jiān)控中心軟件設計.本研究選擇基于IAR Embendded Workbench集成開發(fā)環(huán)境進行下位機軟件開發(fā)，選用NI公司開發(fā)的LabView軟件進行上位機軟件開發(fā).這樣，就可以完成井下甲烷濃度的實時采集、數(shù)據(jù)傳輸和顯示.

2.3.1 程序設計流程

硬件電路連接好后，啟動上電.所有節(jié)點開始初始化設置，隨即協(xié)調器節(jié)點開始組網(wǎng)，其他節(jié)點申請加入網(wǎng)絡.協(xié)調器節(jié)點允許其他節(jié)點加入，并為其分配獨有的網(wǎng)絡地址.組網(wǎng)成功后，終端節(jié)點上的傳感器開始采集甲烷濃度，數(shù)據(jù)轉換后發(fā)送給路由器節(jié)點.路由器節(jié)點接收到甲烷信息后，開始與預先設定好的閾值比較，若濃度數(shù)據(jù)超限就發(fā)出聲光報警提示，并將信息全部轉發(fā)給協(xié)調器節(jié)點.協(xié)調器節(jié)點接收到信息后在顯示屏上顯示，處理后通過串口發(fā)送給上位機.上位機解析、處理、顯示并存儲數(shù)據(jù)，若濃度數(shù)據(jù)超限，報警燈將變亮.系統(tǒng)總體程序流程圖如圖5所示.

圖5 系統(tǒng)總體程序流程圖

2.3.2 上位機界面設計

LabView軟件是一種虛擬化儀器，其特點就是可用圖形化語言進行編程.用戶可以應用這種形象且生動的圖形化語言編寫程序，得到的程序并不是代碼，而是各種控件、框圖及圖標等有趣的圖形.

井下甲烷監(jiān)測系統(tǒng)的LabView上位機前面板如圖6所示.從圖6可知，前面板上顯示的信息包括北京時間、數(shù)據(jù)顯示及波形圖、濃度閾值、報警指示燈、歷史數(shù)據(jù)、歷史報警數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)保存路徑等.

圖6 LabView上位機前面板

3 系統(tǒng)調試與結果分析

本研究在完成系統(tǒng)硬件及軟件設計后，進行了實際樣機的制作實驗.實驗器件包括：一組ZigBee開發(fā)板，SmartRF04EB仿真器，TFT液晶顯示屏，蜂鳴器，MQ-2傳感器，USB數(shù)據(jù)線2根，打火機(模擬甲烷氣體環(huán)境).根據(jù)井下復雜的工作環(huán)境，本研究采用適合復雜環(huán)境且功能強大的網(wǎng)狀網(wǎng)絡.由于實驗條件有限，實際實驗測試過程中搭建的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡僅包含1個協(xié)調器節(jié)點和1個終端節(jié)點.

測試步驟如下：

1)將仿真器與底板上的Debug接口相連接，打開IAR軟件對程序進行編譯.編譯完成顯示“無錯誤”后，將End Device程序、Co-ordinator程序分別燒錄到終端節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點；

2)使用USB數(shù)據(jù)線連接協(xié)調器開發(fā)板與PC機，為串口接收數(shù)據(jù)做好準備，同時使用充電寶為終端節(jié)點供電；

3)打開LabView上位機軟件界面，配置端口為COM3且波特率為115 200；

4)以上步驟完成后，給各節(jié)點上電.若協(xié)調器節(jié)點上的液晶顯示屏開始顯示濃度數(shù)據(jù)，則表示組網(wǎng)成功；

5)在LabView上位機界面點擊“運行”，實時觀察甲烷濃度值和波形圖.當甲烷濃度超過閾值時，報警指示燈會長亮.實驗測試圖如圖7所示.

圖7 實驗測試圖

實驗中，設置每隔1 s采集并保存1次甲烷濃度數(shù)據(jù).當甲烷濃度超過40%時報警，歷史數(shù)據(jù)和報警數(shù)據(jù)可分別輸出成Excel表格并保存以便查看.以下表2為選取的部分數(shù)據(jù)，同時采取專業(yè)甲烷檢測儀器同步收集數(shù)據(jù)，并轉換成統(tǒng)一的百分比(%)計量單位.其中，相對誤差是指檢測到的甲烷濃度值和本系統(tǒng)獲得的實際值之比.

表2 數(shù)據(jù)分析

通過將本系統(tǒng)獲得的甲烷濃度實際值和專業(yè)甲烷檢測儀器檢測出的檢測值對比可知，相對誤差在1%左右，具有較高的檢測精度，因此本研究在實際應用中具有良好的理論意義和應用價值.

4 結 語

本研究提出的監(jiān)測系統(tǒng)解決了現(xiàn)有煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)布線困難、擴展性差且檢測危險等缺點，實現(xiàn)了對井下甲烷氣體的實時監(jiān)測、傳輸、顯示及報警，保證了井下的安全生產(chǎn).通過實驗測試，下位機可以成功實現(xiàn)甲烷濃度的實時檢測、數(shù)據(jù)的無線傳輸及超限聲光報警等功能.LabView上位機界面也可以接收到甲烷濃度數(shù)據(jù)并顯示實時波形圖、存儲歷史數(shù)據(jù)與報警數(shù)據(jù)及實現(xiàn)超限報警.本系統(tǒng)在實驗室環(huán)境下可以達到預期設定的目標，但由于井下環(huán)境復雜，比如井下環(huán)境溫濕度對器件的影響、各器件的防塵、各器件和外殼的防爆特性等眾多因素都有待進一步的研究.