基于ZigBee通信的瓦斯監測系統設計

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(kāi)采深度和開(kāi)采規模的加大，各項有線(xiàn)檢測設備很難及時(shí)跟進(jìn)，造成井下的實(shí)時(shí)環(huán)境數據難以及時(shí)傳送到地面監控中心，特別是在突發(fā)災難時(shí)各種有線(xiàn)通信設備幾乎處于癱瘓狀態(tài)，給救援工作帶來(lái)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(wú)線(xiàn)通信模塊CC2420的設計。

2系統總體結構

圖1給出瓦斯監測系統的總體結構。它由地面監控中心、井下ZigBee傳輸網(wǎng)絡(luò )和瓦斯采集終端等組成。其設計思想是利用不同的瓦斯采集終端對各采集點(diǎn)進(jìn)行瓦斯采集，通過(guò)建立的Mesh無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )將數據進(jìn)行中繼傳輸，逐級路由最終到達地面監控中心，實(shí)現動(dòng)態(tài)顯示、分析及其他處理。

該系統根據可靠數據傳輸的需要，采用ZigBee獨有的Mesh型網(wǎng)絡(luò )模式，逐級路由自動(dòng)鏈接網(wǎng)絡(luò )中繼器進(jìn)行數據傳遞。當網(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據通信。因此，Mesh網(wǎng)絡(luò )有效縮短了信息傳輸的延時(shí)，并提高了網(wǎng)絡(luò )通信的可靠性。基于Zigbee技術(shù)的FFD路由節點(diǎn)除負責發(fā)送本節點(diǎn)的數據外，還負責轉發(fā)其他節點(diǎn)的數據至中心節點(diǎn)，從而形成無(wú)線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò )。

瓦斯監測系統布置于試驗現場(chǎng)中，主要任務(wù)包括：多組數據采集，系統以較高的采樣率將傳感器傳送來(lái)的模擬信號通過(guò)A／D轉換器轉換成數字信號；數據處理，系統能實(shí)時(shí)分析采集的多路傳感器數據，對結果進(jìn)行決策并規劃執行序列；緊急處理，分析結果，若出現甲烷超標突破安全范圍等危險或其他故障現象時(shí)，可控制報警系統報警；數據通信。瓦斯監測系統具備較高的波特率和穩定的無(wú)線(xiàn)通信功能，且與地面指揮監控中心的遠程上位機保持井下采集數據的實(shí)時(shí)通信。

3.1瓦斯采集終端設計

瓦斯采集終端采用的瓦斯傳感器是熱催化元件，也稱(chēng)為燃燒式載體催化元件，其檢測原理用催化元件、補償元件和橋臂電阻構成惠斯頓電橋。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(guò)時(shí)加熱，使溫度最高達到500℃。因此，當遇到瓦斯氣體時(shí)，瓦斯氣體接觸催化元件表面發(fā)生氧化反應，即無(wú)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，即反映出被測瓦斯的濃度變化。催化型瓦斯傳感器檢測電路如圖2所示。

在煤礦安全規程中，瓦斯濃度的高低采用百分數表示，并且在5％～16％之間容易發(fā)生事故，必須建立Vadc與濃度百分數之間的逼近線(xiàn)性關(guān)系，使得最終的表述值也為相應的百分數。經(jīng)實(shí)驗獲得標定的瓦斯濃度百分數為：

式中，0.001 6為修正值，設計過(guò)程中規定：當瓦斯濃度達到6％時(shí)，MCU發(fā)出預報警信號；當瓦期濃度達到16％時(shí)，Vadc＞VH即2.85 V時(shí)，MCU發(fā)出危險報警信號?？紤]到突發(fā)事故，整個(gè)系統的瓦斯濃度檢測范圍確定為0％～50.5％。