基于ZigBee通信的瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

實(shí)時(shí)了解井下瓦斯濃度是煤礦安全生產(chǎn)的一個(gè)重要因素。由于煤礦開采深度和開采規(guī)模的加大，各項(xiàng)有線檢測(cè)設(shè)備很難及時(shí)跟進(jìn)，造成井下的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)難以及時(shí)傳送到地面監(jiān)控中心，特別是在突發(fā)災(zāi)難時(shí)各種有線通信設(shè)備幾乎處于癱瘓狀態(tài)，給救援工作帶來極大困難。因此，尋找一種在任何時(shí)刻都能及時(shí)采集井下環(huán)境信息的方法就顯得尤為重要。在此，探討了瓦斯采集終端和無線通信模塊CC2420的設(shè)計(jì)。

2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1給出瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。它由地面監(jiān)控中心、井下ZigBee傳輸網(wǎng)絡(luò)和瓦斯采集終端等組成。其設(shè)計(jì)思想是利用不同的瓦斯采集終端對(duì)各采集點(diǎn)進(jìn)行瓦斯采集，通過建立的Mesh無線通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼傳輸，逐級(jí)路由最終到達(dá)地面監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示、分析及其他處理。

該系統(tǒng)根據(jù)可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，采?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/ZigBee">ZigBee獨(dú)有的Mesh型網(wǎng)絡(luò)模式，逐級(jí)路由自動(dòng)鏈接網(wǎng)絡(luò)中繼器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中最優(yōu)的通信路徑發(fā)生故障時(shí)，Mesh網(wǎng)絡(luò)會(huì)在冗余的其他路徑中重新選擇最合適的路徑供數(shù)據(jù)通信。因此，Mesh網(wǎng)絡(luò)有效縮短了信息傳輸?shù)难訒r(shí)，并提高了網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。基于Zigbee技術(shù)的FFD路由節(jié)點(diǎn)除負(fù)責(zé)發(fā)送本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)外，還負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)至中心節(jié)點(diǎn)，從而形成無線通訊網(wǎng)絡(luò)。

瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置于試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)中，主要任務(wù)包括：多組數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)以較高的采樣率將傳感器傳送來的模擬信號(hào)通過A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)能實(shí)時(shí)分析采集的多路傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行決策并規(guī)劃執(zhí)行序列；緊急處理，分析結(jié)果，若出現(xiàn)甲烷超標(biāo)突破安全范圍等危險(xiǎn)或其他故障現(xiàn)象時(shí)，可控制報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警；數(shù)據(jù)通信。瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備較高的波特率和穩(wěn)定的無線通信功能，且與地面指揮監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程上位機(jī)保持井下采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通信。

3.1瓦斯采集終端設(shè)計(jì)

瓦斯采集終端采用的瓦斯傳感器是熱催化元件，也稱為燃燒式載體催化元件，其檢測(cè)原理用催化元件、補(bǔ)償元件和橋臂電阻構(gòu)成惠斯頓電橋。由于熱催化元件的骨架是鉑絲材料，給電橋加一恒定電壓，電流流過時(shí)加熱，使溫度最高達(dá)到500℃。因此，當(dāng)遇到瓦斯氣體時(shí)，瓦斯氣體接觸催化元件表面發(fā)生氧化反應(yīng)，即無焰燃燒，產(chǎn)生大量的熱量，使催化元件溫度升高，阻值增大，電橋輸出不平衡電壓，即反映出被測(cè)瓦斯的濃度變化。催化型瓦斯傳感器檢測(cè)電路如圖2所示。

在煤礦安全規(guī)程中，瓦斯?jié)舛鹊母叩筒捎冒俜謹(jǐn)?shù)表示，并且在5％～16％之間容易發(fā)生事故，必須建立Vadc與濃度百分?jǐn)?shù)之間的逼近線性關(guān)系，使得最終的表述值也為相應(yīng)的百分?jǐn)?shù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)獲得標(biāo)定的瓦斯?jié)舛劝俜謹(jǐn)?shù)為：

式中，0.001 6為修正值，設(shè)計(jì)過程中規(guī)定：當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到6％時(shí)，MCU發(fā)出預(yù)報(bào)警信號(hào)；當(dāng)瓦期濃度達(dá)到16％時(shí)，Vadc＞VH即2.85 V時(shí)，MCU發(fā)出危險(xiǎn)報(bào)警信號(hào)?？紤]到突發(fā)事故，整個(gè)系統(tǒng)的瓦斯?jié)舛葯z測(cè)范圍確定為0％～50.5％。