煤礦瓦斯報(bào)警無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　把無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中，通過(guò)各種傳感器實(shí)時(shí)采集礦井的環(huán)境信息，由嵌入式系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行處理，通過(guò)自組織無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將信息傳輸?shù)骄獾谋O(jiān)控終端，能夠彌補(bǔ)有線(xiàn)設(shè)備的缺陷，具有價(jià)廉、便攜、可靠性高、易于校正等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了煤礦瓦斯報(bào)警無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。

　　1 煤礦瓦斯報(bào)警無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　如圖1所示，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由瓦斯傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)群、接收發(fā)送基站、互聯(lián)網(wǎng)和監(jiān)控終端構(gòu)成[2～3]。由多個(gè)瓦斯傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在礦井內(nèi)形成自組網(wǎng)，某個(gè)節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)可以通過(guò)多跳中繼方式發(fā)送到井外接收發(fā)送基站，再通過(guò)串口發(fā)送到本地或遠(yuǎn)程PC機(jī)上，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。瓦斯傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的基本組成部分，不僅能夠進(jìn)行瓦斯?jié)舛?、溫濕度信?hào)的采集處理，還能夠在節(jié)點(diǎn)之間組網(wǎng)，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)定位和無(wú)線(xiàn)收發(fā)。節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)提供信息的本地液晶顯示。

　　2 瓦斯傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　瓦斯傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示，主要包括LXK－3瓦斯傳感器、SHT11溫濕度傳感器、PPD4NS粉塵傳感器模塊、 ATmega128L單片機(jī)、CC1000無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片、液晶顯示模塊等。

　　2.1 瓦斯傳感器模塊

　　2.1.1 瓦斯傳感器的工作原理

　　目前檢測(cè)瓦斯?jié)舛鹊姆绞接泄飧缮?、氣敏半?dǎo)體、載體催化、電化學(xué)和紅外吸收[4]等，經(jīng)過(guò)幾十年的研究，載體催化元件逐步成熟并占據(jù)了礦井瓦斯和多種可燃可爆氣體檢測(cè)領(lǐng)域的首位。其檢測(cè)原理為：由帶催化劑的檢測(cè)元件和不帶催化劑的補(bǔ)償元件及相應(yīng)的匹配電阻組成電橋，瓦斯?jié)舛茸兓瘯r(shí)檢測(cè)元件電阻值改變，影響電橋平衡，從而可以檢測(cè)環(huán)境中瓦斯?jié)舛茸兓?/P>

　　2.1.2 LXK－3及其信號(hào)調(diào)理

　　本文采用中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所的LXK－3催化元件。該系列元件是一種廣譜性的氣敏元件，適用于天然氣、液化石油氣和城市煤氣等多種可燃?xì)怏w的檢測(cè)和報(bào)警。圖3為L(zhǎng)XK－3在系統(tǒng)中的應(yīng)用電路，其差分輸出電壓反映了瓦斯的濃度變化，直接作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的差分輸入通道(ADC3、ADC2)。LXK－3的輸出電壓范圍為－50～50mV,而參考電壓選擇單片機(jī)的片內(nèi)基準(zhǔn)電壓2.56V，因此對(duì)差分電壓放大50倍比較合適。ATmega128的ADC放大倍數(shù)只有三種選擇：1x、10x、200x，為了提高精度，采用外部放大器與模擬開(kāi)關(guān)相結(jié)合的工作方式，由單片機(jī)控制模擬開(kāi)關(guān)，采用10x、50x、200x三個(gè)檔位。

　　由于LXK－3對(duì)電源要求比較高(2.8±0.1V)，而本系統(tǒng)采用電池供電，電壓不夠穩(wěn)定，因此采用輸出電壓可通過(guò)電阻R2調(diào)節(jié)的專(zhuān)用電源芯片LP3965對(duì)其供電。由LP3965的電阻－電壓公式可　　　　以確定電阻R2的值，即R2=R1(-1),VOUT=2.8V， R2＝13kΩ。