煤礦瓦斯報警無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設計與實(shí)現

　　把無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用到煤礦監控系統中，通過(guò)各種傳感器實(shí)時(shí)采集礦井的環(huán)境信息，由嵌入式系統對其進(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到井外的監控終端，能夠彌補有線(xiàn)設備的缺陷，具有價(jià)廉、便攜、可靠性高、易于校正等優(yōu)點(diǎn)。本文設計并實(shí)現了煤礦瓦斯報警無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)系統。

　　1 煤礦瓦斯報警無(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 )節點(diǎn)群、接收發(fā)送基站、互聯(lián)網(wǎng)和監控終端構成[2～3]。由多個(gè)瓦斯傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)在礦井內形成自組網(wǎng)，某個(gè)節點(diǎn)的采集數據可以通過(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)送到本地或遠程PC機上，實(shí)現實(shí)時(shí)監控。瓦斯傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的基本組成部分，不僅能夠進(jìn)行瓦斯濃度、溫濕度信號的采集處理，還能夠在節點(diǎn)之間組網(wǎng)，進(jìn)行節點(diǎn)定位和無(wú)線(xiàn)收發(fā)。節點(diǎn)系統提供信息的本地液晶顯示。

　　2 瓦斯傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)硬件系統設計

　　瓦斯傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)系統的硬件框圖如圖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、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

　　目前檢測瓦斯濃度的方式有光干涉、氣敏半導體、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了礦井瓦斯和多種可燃可爆氣體檢測領(lǐng)域的首位。其檢測原理為：由帶催化劑的檢測元件和不帶催化劑的補償元件及相應的匹配電阻組成電橋，瓦斯濃度變化時(shí)檢測元件電阻值改變，影響電橋平衡，從而可以檢測環(huán)境中瓦斯濃度變化。

　　2.1.2 LXK－3及其信號調理

　　本文采用中國船舶重工集團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氣體的檢測和報警。圖3為L(cháng)XK－3在系統中的應用電路，其差分輸出電壓反映了瓦斯的濃度變化，直接作為模數轉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的片內基準電壓2.56V，因此對差分電壓放大50倍比較合適。ATmega128的ADC放大倍數只有三種選擇：1x、10x、200x，為了提高精度，采用外部放大器與模擬開(kāi)關(guān)相結合的工作方式，由單片機控制模擬開(kāi)關(guān)，采用10x、50x、200x三個(gè)檔位。

　　由于LXK－3對電源要求比較高(2.8±0.1V)，而本系統采用電池供電，電壓不夠穩定，因此采用輸出電壓可通過(guò)電阻R2調節的專(zhuān)用電源芯片LP3965對其供電。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。