一種低功耗的無線瓦斯傳感器節(jié)點設計
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瓦斯事故一直是煤礦安全生產(chǎn)的主要威脅。雖然近些年來，瓦斯監(jiān)測技術不斷發(fā)展，但瓦斯爆炸事件仍頻頻發(fā)生。國內(nèi)外現(xiàn)有的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)均是采用有線連接方式，具有很大的局限性。由于傳感器采用有線連接，這使其主要被限制在主礦道中應用。而在高瓦斯?jié)舛鹊牟擅汗ぷ髅嫣?，由于煤礦的不斷開采，工作面各種大型設備需要不斷地推進，設備之間的相互位置也不斷地發(fā)生變化，有線監(jiān)測網(wǎng)絡不能及時跟進礦道的變化，從而造成監(jiān)測盲區(qū)。將無線傳感器網(wǎng)絡應用于瓦斯安全監(jiān)測系統(tǒng)中，與現(xiàn)有有線監(jiān)測網(wǎng)絡相結(jié)合，構(gòu)建一個更為全面的井下瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，將有助于改善目前瓦斯監(jiān)測領域中存在的問題。
在這樣的系統(tǒng)中，傳感器網(wǎng)絡節(jié)點采用電池供電，其能量十分有限。然而常用低功耗瓦斯傳感元件的功耗高達數(shù)百mW。如何降低節(jié)點能耗是無線瓦斯監(jiān)測網(wǎng)絡所要解決的關鍵問題。
1 硬件電路設計
表1列出了目前常用低功耗瓦斯傳感元件及其主要指標。從表中可以看出，常用低功耗瓦斯傳感器的功耗都在100mW以上，這對于由電池供電的無線傳感器節(jié)點來說是非常不利的。而且表中所列傳感元件都有一定的響應時間，即傳感元件供電后，需要等待其響應一段時間，才能正確地反映瓦斯?jié)舛刃畔?。較長的響應時間限制了無線瓦斯傳感器節(jié)點每次采集數(shù)據(jù)時的工作時間不能太短。例如，TP-1．1A非加熱甲烷氣體傳感器的響應時間接近20 s。如果瓦斯傳感器節(jié)點采用該傳感元件，當其采集一次數(shù)據(jù)時，從給傳感器供電開始，前20 s采集數(shù)據(jù)是沒有意義的，因為這時傳感元件處于響應階段，其電壓值不能準確地反映實際瓦斯?jié)舛刃畔?。因此每采集一次?shù)據(jù)，給傳感元件供電的時間至少持續(xù)20 s以上。對于如此高功耗的傳感元件來說，采集一次數(shù)據(jù)所消耗的能量是非常巨大的。這使得所設計的無線瓦斯傳感器節(jié)點的工作時間過短，以致不能達到實用化要求。
在無線傳感器節(jié)點的設計中，還存在一個問題，即傳感元件的工作電壓與節(jié)點電路中微處理器及無線收發(fā)電路工作電壓不一致。如果節(jié)點中不同模塊的供電電壓不同，則電路需要進行電壓轉(zhuǎn)換。而不同電壓的轉(zhuǎn)換將會增加電路設計的復雜度，從而使得節(jié)點能耗增加。
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