0 引言

　　煤礦井下瓦斯濃度突出會(huì)嚴(yán)重威脅工作人員的生命安全,對(duì)礦井瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測可以及時(shí)了解井下的瓦斯含量,，避免安全事故的發(fā)生。傳統(tǒng)的瓦斯監(jiān)測多采用有線監(jiān)測的方式,，由于井下巷道復(fù)雜,，布線施工難度大，不易于維修,，實(shí)際應(yīng)用效果并不理想[1],。本文提出了一種基于ZigBee的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，利用ZigBee強(qiáng)大的自組網(wǎng)能力[2]在井下巷道中組成一個(gè)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò),，將瓦斯檢測終端安裝在各個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)上,，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)完成井下通信，通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到地面監(jiān)控軟件中,，實(shí)現(xiàn)煤礦井下瓦斯的實(shí)時(shí)監(jiān)控,。

1 系統(tǒng)組成

　　礦井瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)由地面上位機(jī)監(jiān)控軟件和井下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩部分組成，如圖1所示,。礦井各巷道中分布著瓦斯信號(hào)采集終端,，采集終端將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接蒢igBee模塊構(gòu)成的無線通信網(wǎng)絡(luò)中，ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將所有數(shù)據(jù)匯集,，通過以太網(wǎng)發(fā)送到上位機(jī)監(jiān)控軟件,。上位機(jī)監(jiān)控軟件可以實(shí)時(shí)顯示各個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的瓦斯?jié)舛龋瑪?shù)據(jù)實(shí)時(shí)寫入到數(shù)據(jù)庫中,，當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸迺r(shí)發(fā)出聲光報(bào)警,，并將報(bào)警信息以短信的形式發(fā)送到管理人員的手機(jī)上。

2 瓦斯檢測原理

　　瓦斯檢測采用恒溫檢測方法,，即通過改變催化燃燒元件供電的電流值使元件表面溫度保持恒定,。當(dāng)瓦斯?jié)舛壬邥r(shí),，催化元件表面溫度升高，通過閉環(huán)反饋回路減小電流值以保持元件溫度恒定,，通過測量電流變化量來實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊臋z測,。催化燃燒元件的靜態(tài)熱平衡方程[3]：

　　式中I為元件工作電流，r為元件阻值,，為瓦斯氧化燃熱系數(shù),，為瓦斯體積分?jǐn)?shù)，為熱傳導(dǎo)系數(shù),，S為元件面積,，t1為元件溫度，t0為環(huán)境溫度,，A為輻射系數(shù),，?滓為角系數(shù)。

　　在恒溫檢測中,，由于采取閉環(huán)系統(tǒng),，催化元件溫度t1不變，環(huán)境溫度t0不變,，式(1)右邊不變,，記為Q。當(dāng)空氣中瓦斯?jié)舛葹?時(shí),，催化元件的工作電流記為I0,，Ir=Q?？諝庵杏型咚箷r(shí)，催化元件的工作電流記為I：

　　由式(2)可知：

　　催化元件的供電電源選擇脈沖寬度可調(diào)的直流電流源,，脈沖電流的有效值為：

　　式中Im為脈沖電流的幅值,，T為脈沖電流的周期。由式(3),、(4)可知瓦斯的濃度與電流的大小成線性關(guān)系,。脈沖電流的大小與占空比成比例關(guān)系，故瓦斯?jié)舛扰c占空比成線性關(guān)系,。所以可以通過測量占空比來獲得瓦斯?jié)舛鹊拇笮　?/p>

3 硬件電路設(shè)計(jì)

　　瓦斯信號(hào)采集終端結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,，由主控器模塊、瓦斯檢測模塊,、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊,、聲光報(bào)警模塊、顯示模塊,、ZigBee終端節(jié)點(diǎn),、電源模塊7部分組成,。

　　3.1 瓦斯檢測模塊設(shè)計(jì)

　　瓦斯檢測電路采用恒溫檢測方法，電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,，主要由鋸齒波發(fā)生電路,、電壓比較器、惠斯登檢測電橋,、信號(hào)放大電路,、穩(wěn)幅電路、直流脈沖電流源6部分組成,。

　　瓦斯傳感器選擇MJC4/2.5L 型催化元件,，通過惠斯登電橋獲取催化燃燒元件輸出的不平衡電信號(hào)Ue，由于信號(hào)比較小,，采用LM358設(shè)計(jì)了三級(jí)運(yùn)算放大電路,，輸出的電壓信號(hào)Ub與鋸齒波Ua相比較之后輸出脈沖信號(hào)Ud。脈沖信號(hào)Ud經(jīng)由TL431設(shè)計(jì)的穩(wěn)幅電路處理之后幅值穩(wěn)定,，直接驅(qū)動(dòng)直流脈沖電流源,，使電源工作在間歇狀態(tài)，為催化燃燒元件供電,。將穩(wěn)幅電路輸出的脈沖信號(hào)送入單片機(jī)的外部中斷口測量占空比,，便可獲得瓦斯的濃度。

　　鋸齒波發(fā)生電路如圖4所示,，采用NE555定時(shí)器組成無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器,，依靠電容C1的充放電過程，由射極跟隨器輸出鋸齒波,，同時(shí)通過電容C3正反饋到R2上端,，提高了鋸齒波的線性度[4]。調(diào)節(jié)電阻R1,、R2,，電容C1的值使鋸齒波的頻率為1 kHz。

　　直流脈沖電流源采用運(yùn)算放大器和三極管設(shè)計(jì),，圖5為直流脈沖電流源電路圖,。穩(wěn)幅電路輸出的電壓Ug與采樣電阻R12上的反饋電壓通過運(yùn)算放大器比較之后驅(qū)動(dòng)三極管，形成了負(fù)反饋回路,。

　　3.2 主控器及其他模塊設(shè)計(jì)

　　主控器選擇TI公司生產(chǎn)的低功耗MSP430F5438A單片機(jī),。為防止數(shù)據(jù)掉電丟失，采用存儲(chǔ)器芯片AT24C16設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊,。當(dāng)檢測到瓦斯?jié)舛瘸^設(shè)定的瓦斯上限時(shí),，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)由三極管、蜂鳴器,、高亮度LED組成的聲光報(bào)警模塊動(dòng)作,。供電采用7.2 V鋰電池,，配有3.3 V、5 V穩(wěn)壓電路,。顯示模塊采用TFT觸摸屏,，設(shè)計(jì)觸摸屏顯示界面，人機(jī)界面友好,，便于操作,。

4 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

　　ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)主要由終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn),、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成[5],。

　　采集終端節(jié)點(diǎn)分布在井下回風(fēng)巷道及工作面各瓦斯監(jiān)測節(jié)點(diǎn)上，采用TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片,。CC2530芯片主要包含CC2530RF收發(fā)器,、8051微控制器內(nèi)核、內(nèi)存,，集成了豐富的片上資源,。ZigBee的終端節(jié)點(diǎn)通過TXD、RXD,、GND分別與瓦斯信號(hào)采集終端的主控器的RXD,、TXD、GND連接,，即可將該節(jié)點(diǎn)組進(jìn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中,。由于ZigBee在井下的通信距離比較短，數(shù)據(jù)傳輸需要增加路由器子節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)依次轉(zhuǎn)發(fā)最終傳送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上,。路由器子節(jié)點(diǎn)選擇CC2530芯片,。ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)管理整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，將各采集終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯集并通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控系統(tǒng)中,。

5 軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為上位機(jī)監(jiān)控軟件和下位機(jī)軟件兩部分,。上位機(jī)軟件采用NI公司的LabVIEW 2009[6]平臺(tái)開發(fā)，采用圖形化的編程語言,，簡單方便,。上位機(jī)軟件主要完成基本參數(shù)設(shè)置,、不同監(jiān)測點(diǎn)的瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)顯示,、瓦斯?jié)舛瘸迗?bào)警、數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ),、報(bào)警短信通知功能,。

　　下位機(jī)軟件包括瓦斯信號(hào)采集終端程序設(shè)計(jì)和ZigBee組網(wǎng)程序設(shè)計(jì)兩部分。圖6為瓦斯信號(hào)采集終端主程序流程圖,。瓦斯信號(hào)采集終端通過采樣定時(shí)器定時(shí)采集數(shù)據(jù),，經(jīng)過處理之后將瓦斯?jié)舛蕊@示,，若出現(xiàn)濃度超限則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中,。圖7為ZigBee組網(wǎng)程序流程圖,。采用ZigBee的Z-Stack協(xié)議棧[7]編寫程序，簡單方便,。

6 測試及結(jié)果

　　采用上述方法設(shè)計(jì)的瓦斯檢測裝置在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了性能實(shí)驗(yàn),。5個(gè)瓦斯監(jiān)測終端裝置，分別放入標(biāo)準(zhǔn)濃度為0.5%,、1%,、2.0%、3.0%,、4.0%的密閉實(shí)驗(yàn)裝置中,，表1為某一時(shí)刻的瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)。為驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性,，設(shè)定瓦斯報(bào)警限度為2.5%,，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：1、2,、3號(hào)裝置未發(fā)出報(bào)警信號(hào),，4、5號(hào)裝置均發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào),。為測試ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)的通信能力,，在實(shí)驗(yàn)樓道模擬井下巷道情況在多個(gè)房間內(nèi)組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測試結(jié)果如表2所示,。

　　通過多次實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn),，瓦斯檢測的相對(duì)誤差低于2.5%，可以準(zhǔn)確地測量到瓦斯的濃度,。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)在通信距離越遠(yuǎn)數(shù)據(jù)的丟包率越高,，50 m為最佳通信距離，數(shù)據(jù)傳輸正確率高,，符合煤礦井下巷道對(duì)通信的要求,。

7 結(jié)語

　　本文采用了恒溫檢測方法實(shí)現(xiàn)了瓦斯信號(hào)的采集，利用ZigBee技術(shù)組建了井下瓦斯監(jiān)測無線通信網(wǎng)絡(luò),，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下各點(diǎn)的瓦斯數(shù)據(jù)的監(jiān)測,，系統(tǒng)具有監(jiān)測精度高、通信可靠,、易于擴(kuò)展,、安全性高的特點(diǎn)，適合在礦井下使用,，有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值,。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 王海斌,，邵廣賢.基于ZigBee的瓦斯檢測節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與研究[J].煤礦機(jī)械，2014,，35(5)：233-235.

　　[2] 朱紅梅,，惠曉威.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012(10)：70-72.

　　[3] 劉志存.催化元件變流檢測礦井瓦斯[J].傳感器技術(shù),，2003,，22(11)：24-26.

　　[4] 徐偉，行鴻彥.基于555定時(shí)器的高線性度鋸齒波發(fā)生器[J].儀表技術(shù)與傳感器,，2006(7)：39-40,，50.

　　[5] 王晨輝，孟慶佳.基于PIC32和ZigBee的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2014,，40(2)：68-70.

　　[6] 盧志燕，李如江,，劉高健,，等.基于ZigBee和LabVIEW的礦井監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2014,，35(3)：200-202.

　　[7] 白成林,，馬珺.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014,，40(3)：82-85,，89.