徐小平 王其紅 朱正偉

(南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院1，江蘇 南京 210023;常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院2，江蘇 常州 213164;常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3，江蘇 常州 213164)

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的礦井瓦斯智能測(cè)控系統(tǒng)研究

徐小平1王其紅2朱正偉3

(南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院1，江蘇 南京 210023;常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院2，江蘇 常州 213164;常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院3，江蘇 常州 213164)

針對(duì)礦井采煤現(xiàn)場(chǎng)瓦斯?jié)舛入y以精確測(cè)量的問題，提出了一種基于WSN的智能瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)方法?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀采用催化燃燒的惠斯頓電橋法測(cè)定，電橋測(cè)量值通過(guò)分段非線性矯正準(zhǔn)確反映了瓦斯?jié)舛取１O(jiān)測(cè)儀一方面監(jiān)測(cè)顯示瓦斯?jié)舛?，達(dá)到預(yù)警值時(shí)報(bào)警；另一方面通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)向基站傳送數(shù)據(jù)，無(wú)線通信協(xié)議采用LEACH協(xié)議。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)平衡了各測(cè)量節(jié)點(diǎn)的能耗，延長(zhǎng)了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的有效壽命。

瓦斯 催化燃燒 無(wú)線傳感網(wǎng) 智能測(cè)控系統(tǒng) 低功耗分群分層協(xié)議

0 引言

礦井瓦斯主要是從煤體及圍巖中逸出和采礦過(guò)程中產(chǎn)生的多成分混合氣體，主要成分是甲烷(CH4)、一氧化碳(CO)等，當(dāng)CH4濃度達(dá)到5%～16%時(shí)，有爆炸危險(xiǎn)[1]。實(shí)時(shí)監(jiān)控礦井瓦斯?jié)舛?，?dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到預(yù)警值時(shí)報(bào)警，礦井控制中心和采礦現(xiàn)場(chǎng)同時(shí)采取預(yù)防措施，可以有效防止瓦斯爆炸事故的發(fā)生[2]。

礦井瓦斯?jié)舛鹊臏y(cè)量方法有催化燃燒法、光干涉法、氣敏半導(dǎo)體法和紅外光譜吸收法等，我國(guó)目前普遍采用催化燃燒法。催化燃燒法具有測(cè)量精度高和價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在線性度不高、調(diào)節(jié)周期短和零點(diǎn)漂移的缺點(diǎn)。本文針對(duì)瓦斯測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)存在布線困難、難以精確測(cè)量的特點(diǎn)，提出了基于無(wú)線傳感網(wǎng)(wireless sensor networks，WSN)的瓦斯智能測(cè)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the system

瓦斯測(cè)量節(jié)點(diǎn)定時(shí)監(jiān)測(cè)采煤現(xiàn)場(chǎng)的瓦斯?jié)舛?，?dāng)瓦斯?jié)舛鹊陀趫?bào)警值時(shí)綠色指示燈點(diǎn)亮，并且通過(guò)ZigBee無(wú)線通信向基站節(jié)點(diǎn)發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)。基站節(jié)點(diǎn)把測(cè)量數(shù)據(jù)匯總打包后通過(guò)RS- 485通信傳送給以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送給控制中心服務(wù)器；控制中心服務(wù)器分析上傳數(shù)據(jù)并寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量瓦斯?jié)舛却笥趫?bào)警值時(shí)，測(cè)量節(jié)點(diǎn)紅色指示燈閃爍，并且蜂鳴器現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警。測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線測(cè)量網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)傳送到控制中心后，監(jiān)控客戶機(jī)及服務(wù)器也顯示報(bào)警[3]。

2 瓦斯智能測(cè)量節(jié)點(diǎn)

現(xiàn)場(chǎng)瓦斯智能測(cè)量節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測(cè)量節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the measurement node

催化燃燒電路通過(guò)黑元件(催化傳感元件)和白元件(不帶催化劑的白元件)在礦井不同瓦斯?jié)舛鹊那闆r下催化燃燒產(chǎn)生不同的電壓。該電壓通過(guò)調(diào)理電路放大為0～3 V電壓，再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路輸入CPU電路。催化燃燒電路在瓦斯?jié)舛容^小的情況下，輸出與瓦斯?jié)舛然境示€性關(guān)系；當(dāng)瓦斯?jié)舛容^高時(shí)，電壓輸出值相對(duì)增加緩慢。因此，CPU需要對(duì)反映瓦斯?jié)舛鹊妮斎腚妷哼M(jìn)行非線性校正。校正后通過(guò)數(shù)碼管顯示瓦斯?jié)舛戎?，以及通過(guò)ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)向基站節(jié)點(diǎn)發(fā)送。距離基站較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)則需要通過(guò)其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)瓦斯?jié)舛却笥陬A(yù)警值時(shí)需要報(bào)警。

2.1 催化燃燒電路分析

催化燃燒的惠斯頓電橋電路如圖3所示。

圖3 惠斯頓電橋Fig.3 Wheatstone bridge

黑元件電阻R2與白元件電阻R1在瓦斯?jié)舛葹?時(shí)電阻值相等，即R1=R2，二者連接點(diǎn)的相對(duì)電壓為1.5 V。電壓U的另一端理想情況下設(shè)置在Rp的中點(diǎn)，相對(duì)電壓為1.5 V，因此瓦斯?jié)舛葹?時(shí)U的值也為0。在無(wú)瓦斯的新鮮空氣狀態(tài)進(jìn)行硬件調(diào)試時(shí)可以通過(guò)Rp調(diào)節(jié)零點(diǎn)[4]。

當(dāng)監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛葧r(shí)，瓦斯在催化元件上無(wú)焰燃燒，燃燒使黑元件的阻值R2升高為R2+ΔR2，而補(bǔ)償元件白元件的阻值保持不變，電橋的平衡發(fā)生變化：

(1)

由于R1=R2>>ΔR2，所以式(1)簡(jiǎn)化為：

(2)

ΔR2=aDCQR0/h

(3)

式中:a為鉑絲的電阻溫度系數(shù)；D為瓦斯擴(kuò)散系數(shù)；C為瓦斯?jié)舛?；Q為瓦斯燃燒熱；R0為鉑絲0 ℃時(shí)的阻值；h為敏感元件熱容量。

D和Q都是常數(shù)，a，h和R0與敏感元件的結(jié)構(gòu)、材料等相關(guān)，在一定范圍內(nèi)ΔR2可以表示為：

ΔR2=KC

(4)

式中：K=aDQR0/h。將式(4)代入式(2)得到：

(5)

由式(5)可知，電壓U在一定范圍內(nèi)與瓦斯?jié)舛瘸烧萚5]。

2.2 瓦斯傳感元件的非線性校正

催化燃燒法瓦斯?jié)舛葯z測(cè)在低濃度范圍內(nèi)存在一定的線性關(guān)系，但隨著瓦斯?jié)舛鹊脑黾觿t呈現(xiàn)嚴(yán)重的非線性關(guān)系。這主要是由瓦斯傳感元件的材料、加工精度、工作環(huán)境等引起。在檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)誤差來(lái)源不能準(zhǔn)確判斷，所以難以建立準(zhǔn)確的判斷模型。檢測(cè)過(guò)程中必須對(duì)傳感器輸出曲線進(jìn)行校正，曲線的校正主要分為線性和非線性校正。

線性校正有端點(diǎn)線性和最小二乘法。端點(diǎn)線性法適用于曲線非線性度不高的線性校正；最小二乘法校正精度高，但計(jì)算復(fù)雜，普通微處理器難以完成。非線性校正分為分段校正和終端校正，根據(jù)瓦斯催化燃燒輸出曲線特性及計(jì)算方法的難易度，選擇二次拋物線擬合的平方插值校正法[6]。

平方插值法把輸出曲線分為若干段，每段曲線函數(shù)近似為：

y=Ax2+Bx+C

(6)

測(cè)試階段每段選取3個(gè)點(diǎn)：(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3),代入式(6)，可以計(jì)算出該曲線段的A、B、C這3個(gè)系數(shù)。把輸出曲線分段的(x1,x2,…xi,…xn)值和各段相應(yīng)的Ai、Bi、Ci值存入存儲(chǔ)器。催化燃燒的惠斯頓電橋輸出電壓信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路放大、A/D轉(zhuǎn)換后傳送給CPU，CPU判斷信號(hào)處在輸出曲線的哪一段(假設(shè)為第i段)，則由式(7)得到反映瓦斯?jié)舛鹊膟i值[7]。

yi=Aix2+Bix+Ci

(7)

3 WSN通信設(shè)計(jì)

瓦斯智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)采用ZigBee無(wú)線通信協(xié)議上傳數(shù)據(jù)。如果距離基站節(jié)點(diǎn)近(100 m以內(nèi))，則直接向基站發(fā)送數(shù)據(jù)?；静粌H要處理很多數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)通信量大，能耗大，一般采用固定電源供電。但其他節(jié)點(diǎn)距離基站較遠(yuǎn)，不易架設(shè)供電電纜，只能采用鋰電池供電[8]。因此，瓦斯智能測(cè)控儀不僅要準(zhǔn)確及時(shí)測(cè)量礦井瓦斯?jié)舛戎?，還要盡可能節(jié)約能量，避免頻繁更換電池[9]。

ZigBee無(wú)線通信協(xié)議可以采用平面路由協(xié)議和分層路由協(xié)議。平面路由協(xié)議有泛洪、定向擴(kuò)散等協(xié)議。泛洪路由協(xié)議中每個(gè)節(jié)點(diǎn)將接收到的數(shù)據(jù)包以及自己的測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送給相鄰的所有節(jié)點(diǎn)，直到數(shù)據(jù)包傳送到基站。分層路由協(xié)議采用低功耗分群分層路由協(xié)議(low energy adaptive clustering hierarchy,LEACH)，如圖4所示，通信節(jié)點(diǎn)共分為3層：基站、路由節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)。

路由節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)都采用鋰電池供電，各節(jié)點(diǎn)(除基站及100 m以內(nèi)節(jié)點(diǎn)外)被分為不同簇，每個(gè)簇

每一輪選出一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)。簇內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)融合后再向基站發(fā)送。路由節(jié)點(diǎn)的能耗大，某個(gè)節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期擔(dān)任路由節(jié)點(diǎn)容易引起電池能量耗盡而過(guò)早失效。

圖4 ZigBee分層分群協(xié)議結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of ZigBee hierarchical clustering protocol

在LEACH協(xié)議中，不同節(jié)點(diǎn)依次擔(dān)任路由節(jié)點(diǎn)，使簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的剩余能量相對(duì)達(dá)到均衡，延長(zhǎng)了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的有效生命周期[10]。低功耗分群分層路由協(xié)議(LEACH)時(shí)隙分配圖如圖5所示。

圖5 LEACH協(xié)議時(shí)隙分配圖Fig.5 Time slot allocation of LEACH protocol

選取兩個(gè)環(huán)境條件相近的簇，每個(gè)簇由6個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，分別采用平面路由協(xié)議(泛洪)和LEACH分層協(xié)議進(jìn)行失效節(jié)點(diǎn)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖6所示[11]。

圖6 平面路由協(xié)議與LEACH協(xié)議失效節(jié)點(diǎn)對(duì)比Fig.6 Comparison of the failed node for flat routing protocol and LEACH protocol

LEACH通信協(xié)議把通信周期劃分成許多輪，每一輪的開始選舉出路由節(jié)點(diǎn)，然后再分成許多幀。每一幀又根據(jù)普通節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)(圖5中設(shè)為5個(gè))劃分成相應(yīng)的時(shí)隙，每一個(gè)時(shí)隙內(nèi)是某一個(gè)節(jié)點(diǎn)向路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間，避免了各節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)向路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。由圖6可知，采用LEACH協(xié)議時(shí)，由于各節(jié)點(diǎn)能均衡負(fù)載，出現(xiàn)第一個(gè)失效節(jié)點(diǎn)的時(shí)間(第75天)比采用平面路由協(xié)議(第50天)延遲了50%。

4 結(jié)束語(yǔ)

礦井瓦斯智能測(cè)控儀可在測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)確測(cè)量顯示瓦斯?jié)舛?，達(dá)到預(yù)警值現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警；而且通過(guò)ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)把測(cè)量數(shù)據(jù)傳送到基站，再由基站通過(guò)以太網(wǎng)傳送到控制中心集中控制。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)采用LEACH協(xié)議，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的有效生命周期，使各節(jié)點(diǎn)能量損耗均衡，便于批量更換電池。

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Research on the Intelligent Measurement and Control System Based on Wireless Network Communication for Mine Gas

To solve the difficulty of precisely measure the gas concentration in coalmine site, the intelligent monitoring method based on WSN for gas concentration is proposed. The field monitor adopts Wheatstone bridge method to measure gas concentration in catalytic combustion, through piecewise nonlinear correction, the measured value of the bridge may more accurately reflects the gas concentration. The monitor detects and displays the gas concentration for timely warning and alarming, in addition, the data are transmitted to base station through wireless sensor network using LEACH wireless communication protocol. The experimental results indicate that the system balances the energy consumption of each measurement node, and prolongs the effective life cycle of the wireless network.

Gas Catalytic combustion WSN Intelligent measurement and control system Low power consumption clustering hierarchy protocol

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：51176016)；

江蘇省科技支撐計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：BE2013005-3)。

徐小平(1960-)，女，1982年畢業(yè)于江蘇大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化專業(yè)，獲碩士學(xué)位，副教授；主要從事信息通信技術(shù)研究。

TP277

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506015

修改稿收到日期：2014-09-12。