一種低功耗的無(wú)線(xiàn)瓦斯傳感器節點(diǎn)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(lái)，瓦斯監測技術(shù)不斷發(fā)展，但瓦斯爆炸事件仍頻頻發(fā)生。國內外現有的煤礦安全監測系統均是采用有線(xiàn)連接方式，具有很大的局限性。由于傳感器采用有線(xiàn)連接，這使其主要被限制在主礦道中應用。而在高瓦斯濃度的采煤工作面處，由于煤礦的不斷開(kāi)采，工作面各種大型設備需要不斷地推進(jìn)，設備之間的相互位置也不斷地發(fā)生變化，有線(xiàn)監測網(wǎng)絡(luò )不能及時(shí)跟進(jìn)礦道的變化，從而造成監測盲區。將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用于瓦斯安全監測系統中，與現有有線(xiàn)監測網(wǎng)絡(luò )相結合，構建一個(gè)更為全面的井下瓦斯監測系統，將有助于改善目前瓦斯監測領(lǐng)域中存在的問(wèn)題。
在這樣的系統中，傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)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百mW。如何降低節點(diǎn)能耗是無(wú)線(xiàn)瓦斯監測網(wǎng)絡(luò )所要解決的關(guān)鍵問(wèn)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(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)來(lái)說(shuō)是非常不利的。而且表中所列傳感元件都有一定的響應時(shí)間，即傳感元件供電后，需要等待其響應一段時(shí)間，才能正確地反映瓦斯濃度信息。較長(cháng)的響應時(shí)間限制了無(wú)線(xiàn)瓦斯傳感器節點(diǎn)每次采集數據時(shí)的工作時(shí)間不能太短。例如，TP-1．1A非加熱甲烷氣體傳感器的響應時(shí)間接近20 s。如果瓦斯傳感器節點(diǎn)采用該傳感元件，當其采集一次數據時(shí)，從給傳感器供電開(kāi)始，前20 s采集數據是沒(méi)有意義的，因為這時(shí)傳感元件處于響應階段，其電壓值不能準確地反映實(shí)際瓦斯濃度信息。因此每采集一次數據，給傳感元件供電的時(shí)間至少持續20 s以上。對于如此高功耗的傳感元件來(lái)說(shuō)，采集一次數據所消耗的能量是非常巨大的。這使得所設計的無(wú)線(xiàn)瓦斯傳感器節點(diǎn)的工作時(shí)間過(guò)短，以致不能達到實(shí)用化要求。
在無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的設計中，還存在一個(gè)問(wèn)題，即傳感元件的工作電壓與節點(diǎn)電路中微處理器及無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路工作電壓不一致。如果節點(diǎn)中不同模塊的供電電壓不同，則電路需要進(jìn)行電壓轉換。而不同電壓的轉換將會(huì )增加電路設計的復雜度，從而使得節點(diǎn)能耗增加。
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