謝瀟　魯璐

摘 要：瓦斯?jié)舛仁怯绊懨旱V安全生產(chǎn)及運(yùn)行的重要參數(shù)之一，因此瓦斯?jié)舛韧瑯邮敲旱V生產(chǎn)過(guò)程中需要重點(diǎn)監(jiān)控的數(shù)據(jù)。為了解決當(dāng)前煤礦井下瓦斯監(jiān)測(cè)存在的監(jiān)控盲點(diǎn)較多、布線與架設(shè)難度較大的問(wèn)題，文章設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee通信技術(shù)的無(wú)線瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，希望能夠?yàn)槊旱V井下瓦斯監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)架設(shè)工作提供相應(yīng)的參考。

關(guān)鍵詞：瓦斯?jié)舛龋煌咚贡O(jiān)控；無(wú)線監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TD712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）18-0076-01

隨著大型煤礦的采掘深度以及開(kāi)采規(guī)模的不斷擴(kuò)大，需要對(duì)有線瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拓展，而有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有架設(shè)成本高、施工周期長(zhǎng)、壽命受外界因素影響大的缺點(diǎn)，不適于在規(guī)模大、掘進(jìn)深的大型煤礦中使用。同時(shí)，有線瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)需要長(zhǎng)時(shí)間在惡劣的井下環(huán)境中使用，導(dǎo)致部分監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)功能失效，造成不能對(duì)井下瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行全面、真實(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，給煤礦的安全生產(chǎn)帶來(lái)了隱患。因此，構(gòu)建一個(gè)能夠?yàn)槊旱V管理人員提供全天候、全方位的煤礦井下瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)就顯得尤為重要。

1 瓦斯無(wú)線檢測(cè)的主要技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦瓦斯監(jiān)控成為了煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)架設(shè)的一個(gè)有效方式，對(duì)保證煤礦的安全生產(chǎn)具有重要作用。國(guó)內(nèi)外在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及礦井瓦斯監(jiān)測(cè)應(yīng)用方面開(kāi)展了一定的工作，并取得了對(duì)應(yīng)的成果。例如，徐振峰和尹晶晶[1]提出將ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)工作中，在硬件電路設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)選擇對(duì)應(yīng)的無(wú)線收發(fā)芯片與載體催化元件為監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)提供信息傳遞與傳感器設(shè)備，并在低壓穩(wěn)流電源的支持下，通過(guò)構(gòu)建基于分簇的路由算法網(wǎng)絡(luò)，不但可以實(shí)現(xiàn)瓦斯的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)，還可以降低監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的功耗。楊波[2]為了解決傳統(tǒng)煤礦瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)過(guò)程中使用有線網(wǎng)絡(luò)存在的成本高、架設(shè)難度大等問(wèn)題，提出了基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控站系統(tǒng)及其構(gòu)建方案，設(shè)計(jì)了一種采用無(wú)線射頻模塊及節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。在該網(wǎng)絡(luò)中，充分應(yīng)用節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)的工作原理優(yōu)勢(shì)，通過(guò)發(fā)揮無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)，降低了瓦斯監(jiān)控的成本，解決了有線監(jiān)控系統(tǒng)架設(shè)難度大的問(wèn)題。袁志強(qiáng)[3]通過(guò)使用低功耗微處理器、無(wú)線收發(fā)芯片與礦用瓦斯傳感設(shè)備，設(shè)計(jì)一種由傳感器節(jié)點(diǎn)、路由設(shè)備與協(xié)調(diào)設(shè)備構(gòu)成的煤礦用瓦斯無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)，在實(shí)際的煤礦瓦斯管理和監(jiān)測(cè)工作中得到了良好的應(yīng)用。另外，Hayes J等為了滿足深井、大規(guī)模煤礦井下瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)的需要，設(shè)計(jì)了一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)主要是使用了金屬氧化物的半導(dǎo)體氣敏設(shè)備，通過(guò)將之設(shè)置在需要監(jiān)控的重點(diǎn)設(shè)備當(dāng)中，獲得相應(yīng)的瓦斯?jié)舛刃畔?。在設(shè)計(jì)之初，這種監(jiān)控系統(tǒng)的主要目的是為了對(duì)人工手持式檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)充，但是隨著無(wú)線技術(shù)的快速發(fā)展，卻逐步替代了傳統(tǒng)的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)方法，而且其功耗消耗更少。

從當(dāng)前的煤礦瓦斯無(wú)線檢測(cè)的主要技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀分析結(jié)果來(lái)看，煤礦瓦斯?jié)舛鹊臒o(wú)線監(jiān)控技術(shù)發(fā)展相對(duì)完善，在傳感器、路由設(shè)備和協(xié)調(diào)器等監(jiān)測(cè)設(shè)備的使用、研發(fā)等方面都開(kāi)展了一定的工作，但是結(jié)合煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)需求的具體網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的研究相對(duì)較少，還有待進(jìn)一步完善。

2 ZigBee技術(shù)的主要特點(diǎn)

ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)而制定的一種低功耗局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。按照當(dāng)前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，ZigBee技術(shù)屬于一種典型的短距離、低功耗無(wú)線通信技術(shù)，在當(dāng)前的小型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建當(dāng)中得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的名稱是基于蜜蜂的八字舞而命名的，因?yàn)槊鄯洌╞ee）在飛翔的過(guò)程中主要依靠高速抖動(dòng)的翅膀，而且在抖動(dòng)過(guò)程中會(huì)發(fā)出“嗡嗡”（zig）的聲音，并利用該聲音向同伴來(lái)傳遞相關(guān)的信息，例如花粉的具體位置，即蜂蜜就是依靠這種方式實(shí)現(xiàn)與整個(gè)群體中的個(gè)體進(jìn)行實(shí)時(shí)通信的。該種技術(shù)的主要特點(diǎn)是復(fù)雜程度較低、通信距離較近，能夠?qū)崿F(xiàn)自組織、功耗的數(shù)據(jù)傳輸。因此，ZigBee技術(shù)主要用于自動(dòng)控制以及遠(yuǎn)程無(wú)線控制當(dāng)中，同時(shí)還可以嵌入各種需要的應(yīng)用設(shè)備。即ZigBee屬于一種成本較低、功耗較低而且通信距離較近的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。

3 基于ZigBee技術(shù)的煤礦井下瓦斯無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的 構(gòu)建

ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不但具有較為豐富的組網(wǎng)能力，而且還能夠根據(jù)不同的監(jiān)控需要構(gòu)建包括星型、樹(shù)型、網(wǎng)狀等結(jié)構(gòu)形式的網(wǎng)絡(luò)。其中，星型網(wǎng)具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但是其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足，一個(gè)路由器出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓；網(wǎng)狀形式結(jié)構(gòu)雖然較為穩(wěn)定，但是其整個(gè)結(jié)構(gòu)體系較為復(fù)雜，而且對(duì)硬件水平要求較高，組建及維護(hù)成本也相對(duì)較高；樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)任意節(jié)點(diǎn)之間的通信，而且成本較低。考慮到煤礦井下瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)具有局部分散，且需要對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中匯總的特點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過(guò)程中使用了樹(shù)形的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了保證數(shù)據(jù)的傳輸穩(wěn)定性，在路由器之間還使用了局部的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，瓦斯?jié)舛炔杉瘋鞲性O(shè)備是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，主要負(fù)責(zé)對(duì)井下瓦斯?jié)舛刃畔⑦M(jìn)行搜集，首先通過(guò)對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)化、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后再?gòu)母鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)配置的ZigBee模塊當(dāng)中將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為所需要的ZigBee數(shù)據(jù)包，最終將之發(fā)送到ZigBee路由器當(dāng)中。其次ZigBee路由器從各個(gè)瓦斯采集傳感器節(jié)點(diǎn)中獲得數(shù)據(jù)，然后按照路由器表中預(yù)先設(shè)置的路徑將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至ZigBee協(xié)調(diào)器當(dāng)中。最后，ZigBee協(xié)調(diào)器搜集由路由器傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)后，利用RS485串口將之發(fā)送到監(jiān)控室的計(jì)算機(jī)中，最終實(shí)現(xiàn)在可視化界面下對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)瓦斯?jié)舛鹊娘@示。在整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，各個(gè)ZigBee路由器都是基于標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

4 終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)處于整個(gè)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最底層，主要工作是負(fù)責(zé)瓦斯數(shù)據(jù)的采集，并將這些數(shù)據(jù)通過(guò)路由器集中到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)當(dāng)中。本文設(shè)計(jì)的終端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括傳感器模塊、主控與通信模塊及電源模塊三個(gè)部分構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)鏈接和數(shù)據(jù)傳輸三項(xiàng)功能。

5 煤礦瓦斯采集傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)方案

煤礦瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)主要包括瓦斯傳感器、ZigBee通信模塊以及電源模塊三個(gè)主要構(gòu)成部分，其具體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

煤礦瓦斯傳感器主要包括催化燃燒式與紅外吸收式兩種主要的感知原理，其中催化燃燒式傳感設(shè)備主要用于對(duì)瓦斯的主要成分，即甲烷的濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)過(guò)程中使用了甲烷催化燃燒過(guò)程中的熱效應(yīng)。該傳感設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本較低的特點(diǎn)，但是其工作電流較大，在使用過(guò)程中容易受到硫化物、鹵素化合物等相關(guān)因素的影響，因此使用壽命相對(duì)較低。尤其是工作面的氧氣濃度較低時(shí)，誤差較大。紅外吸收式傳感器則是通過(guò)吸收甲烷特定波段的紅外光，利用對(duì)應(yīng)的探測(cè)設(shè)備，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成為對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的監(jiān)測(cè)功能。

本文在設(shè)計(jì)過(guò)程中使用的數(shù)字輸出擴(kuò)散式紅外甲烷傳感設(shè)備，具有內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換，便于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的架設(shè)；同時(shí)，靈敏度相對(duì)較高，而且功耗較低，使用壽命較長(zhǎng)。

系統(tǒng)的ZigBee通信模塊使用CC2530型芯片，在內(nèi)部設(shè)置了具有代碼預(yù)取功能的CPU，功能強(qiáng)大，能夠支持多種串行通信協(xié)議，具有工作穩(wěn)定性高、耗能較少特點(diǎn)，可以勝任煤礦井下瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理、傳感器控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等工作。

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