張金華

(山西焦煤汾西礦業(yè)水峪煤礦，山西 孝義 032300)

0 引 言

眾所周知，煤礦井下環(huán)境復(fù)雜惡劣、作業(yè)空間狹小，通風(fēng)條件較差，幾乎煤礦生產(chǎn)過(guò)程中的每個(gè)環(huán)節(jié)都存在著瓦斯隱患。隨著開采體量及采掘深度的不斷擴(kuò)大，瓦斯隱患也越發(fā)明顯，開采過(guò)程中隨時(shí)可能引發(fā)重大瓦斯傷亡事故，因此，實(shí)現(xiàn)瓦斯氣體的科學(xué)有效監(jiān)控和治理非常重要[1-2]。目前國(guó)內(nèi)大部分煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)采用有線傳輸方式進(jìn)行通信，有線傳輸方式一是存在布線困難問(wèn)題，礦井監(jiān)測(cè)范圍會(huì)受到限制，后續(xù)擴(kuò)展性比較差；二是在復(fù)雜狹小的礦井下，煤礦生產(chǎn)推進(jìn)過(guò)程中，由于設(shè)備、人員的頻繁移動(dòng)，可能會(huì)導(dǎo)致有線電纜的破損、接觸不良等問(wèn)題，進(jìn)一步影響數(shù)據(jù)的可靠傳輸，危及到煤礦的安全生產(chǎn)；三是有線傳輸方式存在抗干擾能力差的缺點(diǎn)，由于受到井下其他電磁脈沖信號(hào)的干擾，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)分站CPU死機(jī)或發(fā)出錯(cuò)誤命令的情況[3-4]。因此，傳統(tǒng)有線傳輸已經(jīng)無(wú)法滿足礦井現(xiàn)代化高效生產(chǎn)的需求。

綜上所述，為解決有線傳輸存在的不足，筆者基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一套煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，利用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)替代原有的有線傳輸網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)組網(wǎng)功能、多跳功能、自搜索功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦井瓦斯氣體全方位覆蓋，進(jìn)一步提升了瓦斯監(jiān)控的現(xiàn)代化水平。

1 基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)的煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

圖1所示為煤礦瓦斯ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案。整個(gè)瓦斯無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)由遠(yuǎn)程監(jiān)控室、以太網(wǎng)通信單元、ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、傳感采集節(jié)點(diǎn)等組成。其中，遠(yuǎn)程監(jiān)控室由上位機(jī)、服務(wù)器、打印機(jī)等組成，負(fù)責(zé)對(duì)礦井終端采集節(jié)點(diǎn)采集回來(lái)的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)ZigBee模塊、傳感器模塊參數(shù)的設(shè)置，同時(shí)具備故障預(yù)警、報(bào)表打印以及控制指令下發(fā)功能；以太網(wǎng)通信單元負(fù)責(zé)上位機(jī)與ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換通信；ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)由路由器、協(xié)調(diào)器、終端節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)ZigBee技術(shù)將各個(gè)設(shè)備連接為一個(gè)整體，形成一個(gè)自組多跳網(wǎng)絡(luò)，ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)替代傳統(tǒng)有線布線網(wǎng)絡(luò)；傳感采集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)進(jìn)行瓦斯監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的信號(hào)轉(zhuǎn)換、現(xiàn)場(chǎng)故障報(bào)警、數(shù)據(jù)顯示、ZigBee數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

圖1 煤礦瓦斯ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

2 硬件方案設(shè)計(jì)與選型

2.1 傳感終端采集節(jié)點(diǎn)硬件方案設(shè)計(jì)

傳感終端采集節(jié)點(diǎn)由供電單元、單片機(jī)、聲光報(bào)警模塊、LCD液晶顯示模塊、瓦斯傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、ZigBee通信模塊等組成，布置在礦井現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)地方，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具備ZigBee 無(wú)線通信功能及瓦斯?jié)舛葯z測(cè)功能。其中，瓦斯傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)礦井瓦斯氣體濃度，瓦斯傳感器配置信號(hào)調(diào)理電路，負(fù)責(zé)將傳感器的微弱信號(hào)放大輸入到單片機(jī)的 12 位 AD 模塊中；聲光報(bào)警裝置負(fù)責(zé)瓦斯?jié)舛瘸迗?bào)警，警示工作人員；LCD液晶顯示模塊負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示；供電單元負(fù)責(zé)為單片機(jī)、信號(hào)調(diào)理電路、傳感器等提供電源，系統(tǒng)選用12 V/100 Ah 鋰電池作為供電模塊，可供所有模塊全天候正常運(yùn)行 2 天 以上；ZigBee模塊為通信模塊，負(fù)責(zé)信號(hào)的傳輸及接收。圖2所示為傳感終端采集節(jié)點(diǎn)硬件方案框圖。

圖2 傳感終端采集節(jié)點(diǎn)硬件方案框圖

傳感終端采集節(jié)點(diǎn)的核心處理器為MSP430單片機(jī)，負(fù)責(zé)進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的分析處理及與ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的對(duì)接。具體型號(hào)選用MSP430F149，該芯片體積小，功耗低，非常適合礦井工作環(huán)境，正常運(yùn)行功耗 280 μA，休眠狀態(tài)功耗不足 1 μA，額外配置 32.768 MHz 晶振源和按鍵復(fù)位電路[5]。

2.2 ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)屬于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯聚層，整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由三部分構(gòu)成，分別為協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點(diǎn)，設(shè)備之間通過(guò)星型網(wǎng)狀拓?fù)溥M(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，大量終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式便可構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)逐級(jí)跳躍及多個(gè)節(jié)點(diǎn)的相互處理，匯集到路由器節(jié)點(diǎn)，最后通過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)完成與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理。圖3所示為ZigBee無(wú)線通信傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點(diǎn)皆采用TI公司的CC2430芯片，該芯片內(nèi)置8051高性能微控制器內(nèi)核、射頻模塊、14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器等，功能強(qiáng)大，系統(tǒng)功耗低，無(wú)線接收信號(hào)靈敏度高。

圖3 ZigBee無(wú)線通信傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.3 傳感器檢測(cè)單元設(shè)計(jì)

瓦斯傳感器選用 MJC4/3.0 L元件，工作電流為 120±10 mA，工作電壓為 3.0±0.1 v，功耗相當(dāng)?shù)?。該傳感器擁有由檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件組成的電橋，電壓輸出呈線性變化，適用溫度為 0～40 ℃，相對(duì)濕度為 45～75 ℃，大氣壓力為 80～116 kPa，工作穩(wěn)定性高，測(cè)量數(shù)據(jù)響應(yīng)速度快、精度高。一般將瓦斯傳感器安裝在工作面上隅角處，工作面重點(diǎn)區(qū)域也需要安裝，間隔距離為750 m。為實(shí)現(xiàn)瓦斯檢測(cè)數(shù)據(jù)的有效傳輸，系統(tǒng)采用LM324芯片設(shè)計(jì)了相應(yīng)的運(yùn)算接口電路，通過(guò)此接口電路輸出電壓值與 A/D 轉(zhuǎn)換電路連接，便可得到ZigBee終端可接收的數(shù)據(jù)形式[6]。運(yùn)算接口電路如圖4所示。

圖4 運(yùn)算接口電路

2.4 ZigBee模塊與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)ZigBee芯片CC2430與單片機(jī)MSP430 F149之間的數(shù)據(jù)交換、命令發(fā)送等，對(duì)兩者之間的接口電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過(guò)SPI接口進(jìn)行通信，MSP430F149處于主模式，CC2420 處于從模式，將CC2430與MSP430F149的 P3 口和 P4 口連接。其他引腳根據(jù)CC2430各個(gè)引腳的功能進(jìn)行對(duì)應(yīng)連接。圖5所示為接口電路。

圖5 接口電路設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于三類節(jié)點(diǎn)的通信程序設(shè)計(jì)，包括協(xié)調(diào)器軟件通信程序設(shè)計(jì)、路由器軟件通信程序設(shè)計(jì)、終端采集節(jié)點(diǎn)軟件通信程序設(shè)計(jì)。編程軟件采用IAR Embendded Workbench(IAR EW)集成開發(fā)環(huán)境。圖6所示為終端采集節(jié)點(diǎn)通信程序流程框圖。

圖6 終端采集節(jié)點(diǎn)程序流程框圖

工作流程為：圖6終端采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)初始化，對(duì)供電單元進(jìn)行信息采集，確保正常上電。模塊上電正常運(yùn)行后發(fā)送ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，由路由器分配對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址給自己，確認(rèn)加入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)進(jìn)入定時(shí)模式，對(duì)傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)采集上傳，終端采集節(jié)點(diǎn)會(huì)在固定間隔時(shí)間向路由器節(jié)點(diǎn)發(fā)送自身信息，由路由器將位置信息和采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

4 實(shí)際應(yīng)用效果分析

目前該系統(tǒng)已在礦井投入運(yùn)行，基于 ZigBee的新型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)運(yùn)行正常，可通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)對(duì)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤顯示。圖7所示為上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)的工作界面圖。

圖7 上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)的工作界面圖

表1為系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中各終端節(jié)點(diǎn)通信數(shù)據(jù)的傳輸情況，從表中可以看到數(shù)據(jù)丟包率較低，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性高。表2所列為ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功耗情況，可以看到正常運(yùn)行狀態(tài)和休眠狀態(tài)下協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)功耗都非常低，節(jié)點(diǎn)工作周期明顯提升。 休眠狀態(tài)下終端采集節(jié)點(diǎn)可連續(xù)待機(jī)7 000 h左右。工作狀態(tài)下協(xié)調(diào)器連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)為43 h，路由器節(jié)點(diǎn)連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)為50 h， 終端節(jié)點(diǎn)連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)為62 h。

表1 系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中各終端節(jié)點(diǎn)通信數(shù)據(jù)的傳輸情況

表2 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功耗情況 /mA

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)原瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)有線傳輸方式存在的問(wèn)題，結(jié)合Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了礦井瓦斯?jié)舛鹊臒o(wú)線遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)可通過(guò)分布在礦井各個(gè)區(qū)域的終端采集節(jié)點(diǎn)，以自組網(wǎng)多跳的形式無(wú)線傳輸瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝方便，功耗低，可靠性高，提高了系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)能力及監(jiān)測(cè)范圍，在煤礦安全監(jiān)測(cè)中具有非常廣闊的應(yīng)用前景。