張金華

(山西焦煤汾西礦業(yè)水峪煤礦，山西 孝義 032300)

0 引 言

眾所周知，煤礦井下環(huán)境復(fù)雜惡劣、作業(yè)空間狹小，通風(fēng)條件較差，幾乎煤礦生產(chǎn)過程中的每個環(huán)節(jié)都存在著瓦斯隱患。隨著開采體量及采掘深度的不斷擴大，瓦斯隱患也越發(fā)明顯，開采過程中隨時可能引發(fā)重大瓦斯傷亡事故，因此，實現(xiàn)瓦斯氣體的科學(xué)有效監(jiān)控和治理非常重要[1-2]。目前國內(nèi)大部分煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)采用有線傳輸方式進行通信，有線傳輸方式一是存在布線困難問題，礦井監(jiān)測范圍會受到限制，后續(xù)擴展性比較差；二是在復(fù)雜狹小的礦井下，煤礦生產(chǎn)推進過程中，由于設(shè)備、人員的頻繁移動，可能會導(dǎo)致有線電纜的破損、接觸不良等問題，進一步影響數(shù)據(jù)的可靠傳輸，危及到煤礦的安全生產(chǎn)；三是有線傳輸方式存在抗干擾能力差的缺點，由于受到井下其他電磁脈沖信號的干擾，會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)分站CPU死機或發(fā)出錯誤命令的情況[3-4]。因此，傳統(tǒng)有線傳輸已經(jīng)無法滿足礦井現(xiàn)代化高效生產(chǎn)的需求。

綜上所述，為解決有線傳輸存在的不足，筆者基于ZigBee無線通信技術(shù)設(shè)計了一套煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)替代原有的有線傳輸網(wǎng)絡(luò)，通過ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的自動組網(wǎng)功能、多跳功能、自搜索功能，實現(xiàn)了對礦井瓦斯氣體全方位覆蓋，進一步提升了瓦斯監(jiān)控的現(xiàn)代化水平。

1 基于ZigBee無線通信技術(shù)的煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

圖1所示為煤礦瓦斯ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案。整個瓦斯無線監(jiān)控系統(tǒng)由遠(yuǎn)程監(jiān)控室、以太網(wǎng)通信單元、ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)、傳感采集節(jié)點等組成。其中，遠(yuǎn)程監(jiān)控室由上位機、服務(wù)器、打印機等組成，負(fù)責(zé)對礦井終端采集節(jié)點采集回來的信息進行數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲，并實時監(jiān)測ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)各個網(wǎng)絡(luò)點的運行狀態(tài)，實現(xiàn)對ZigBee模塊、傳感器模塊參數(shù)的設(shè)置，同時具備故障預(yù)警、報表打印以及控制指令下發(fā)功能；以太網(wǎng)通信單元負(fù)責(zé)上位機與ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換通信；ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)由路由器、協(xié)調(diào)器、終端節(jié)點組成，通過ZigBee技術(shù)將各個設(shè)備連接為一個整體，形成一個自組多跳網(wǎng)絡(luò)，ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)替代傳統(tǒng)有線布線網(wǎng)絡(luò)；傳感采集節(jié)點負(fù)責(zé)進行瓦斯監(jiān)控數(shù)據(jù)的信號轉(zhuǎn)換、現(xiàn)場故障報警、數(shù)據(jù)顯示、ZigBee數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

圖1 煤礦瓦斯ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

2 硬件方案設(shè)計與選型

2.1 傳感終端采集節(jié)點硬件方案設(shè)計

傳感終端采集節(jié)點由供電單元、單片機、聲光報警模塊、LCD液晶顯示模塊、瓦斯傳感器、信號調(diào)理電路、ZigBee通信模塊等組成，布置在礦井現(xiàn)場的各個地方，每個節(jié)點都具備ZigBee 無線通信功能及瓦斯?jié)舛葯z測功能。其中，瓦斯傳感器負(fù)責(zé)檢測礦井瓦斯氣體濃度，瓦斯傳感器配置信號調(diào)理電路，負(fù)責(zé)將傳感器的微弱信號放大輸入到單片機的 12 位 AD 模塊中；聲光報警裝置負(fù)責(zé)瓦斯?jié)舛瘸迗缶竟ぷ魅藛T；LCD液晶顯示模塊負(fù)責(zé)現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)顯示；供電單元負(fù)責(zé)為單片機、信號調(diào)理電路、傳感器等提供電源，系統(tǒng)選用12 V/100 Ah 鋰電池作為供電模塊，可供所有模塊全天候正常運行 2 天 以上；ZigBee模塊為通信模塊，負(fù)責(zé)信號的傳輸及接收。圖2所示為傳感終端采集節(jié)點硬件方案框圖。

圖2 傳感終端采集節(jié)點硬件方案框圖

傳感終端采集節(jié)點的核心處理器為MSP430單片機，負(fù)責(zé)進行傳感器數(shù)據(jù)的分析處理及與ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的對接。具體型號選用MSP430F149，該芯片體積小，功耗低，非常適合礦井工作環(huán)境，正常運行功耗 280 μA，休眠狀態(tài)功耗不足 1 μA，額外配置 32.768 MHz 晶振源和按鍵復(fù)位電路[5]。

2.2 ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)屬于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯聚層，整個無線網(wǎng)絡(luò)由三部分構(gòu)成，分別為協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點，設(shè)備之間通過星型網(wǎng)狀拓?fù)溥M行數(shù)據(jù)傳輸，大量終端節(jié)點通過自組織方式便可構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，通過逐級跳躍及多個節(jié)點的相互處理，匯集到路由器節(jié)點，最后通過協(xié)調(diào)器節(jié)點完成與上位機監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理。圖3所示為ZigBee無線通信傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點皆采用TI公司的CC2430芯片，該芯片內(nèi)置8051高性能微控制器內(nèi)核、射頻模塊、14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器等，功能強大，系統(tǒng)功耗低，無線接收信號靈敏度高。

圖3 ZigBee無線通信傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.3 傳感器檢測單元設(shè)計

瓦斯傳感器選用 MJC4/3.0 L元件，工作電流為 120±10 mA，工作電壓為 3.0±0.1 v，功耗相當(dāng)?shù)?。該傳感器擁有由檢測元件和補償元件組成的電橋，電壓輸出呈線性變化，適用溫度為 0～40 ℃，相對濕度為 45～75 ℃，大氣壓力為 80～116 kPa，工作穩(wěn)定性高，測量數(shù)據(jù)響應(yīng)速度快、精度高。一般將瓦斯傳感器安裝在工作面上隅角處，工作面重點區(qū)域也需要安裝，間隔距離為750 m。為實現(xiàn)瓦斯檢測數(shù)據(jù)的有效傳輸，系統(tǒng)采用LM324芯片設(shè)計了相應(yīng)的運算接口電路，通過此接口電路輸出電壓值與 A/D 轉(zhuǎn)換電路連接，便可得到ZigBee終端可接收的數(shù)據(jù)形式[6]。運算接口電路如圖4所示。

圖4 運算接口電路

2.4 ZigBee模塊與單片機接口電路設(shè)計

為實現(xiàn)ZigBee芯片CC2430與單片機MSP430 F149之間的數(shù)據(jù)交換、命令發(fā)送等，對兩者之間的接口電路進行了設(shè)計，通過SPI接口進行通信，MSP430F149處于主模式，CC2420 處于從模式，將CC2430與MSP430F149的 P3 口和 P4 口連接。其他引腳根據(jù)CC2430各個引腳的功能進行對應(yīng)連接。圖5所示為接口電路。

圖5 接口電路設(shè)計

3 系統(tǒng)軟件方案設(shè)計

系統(tǒng)軟件程序設(shè)計的關(guān)鍵在于三類節(jié)點的通信程序設(shè)計，包括協(xié)調(diào)器軟件通信程序設(shè)計、路由器軟件通信程序設(shè)計、終端采集節(jié)點軟件通信程序設(shè)計。編程軟件采用IAR Embendded Workbench(IAR EW)集成開發(fā)環(huán)境。圖6所示為終端采集節(jié)點通信程序流程框圖。

圖6 終端采集節(jié)點程序流程框圖

工作流程為：圖6終端采集節(jié)點進行系統(tǒng)初始化，對供電單元進行信息采集，確保正常上電。模塊上電正常運行后發(fā)送ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)信號，由路由器分配對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址給自己，確認(rèn)加入無線網(wǎng)絡(luò)，同時進入定時模式，對傳感器采集數(shù)據(jù)進行定時采集上傳，終端采集節(jié)點會在固定間隔時間向路由器節(jié)點發(fā)送自身信息，由路由器將位置信息和采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點。

4 實際應(yīng)用效果分析

目前該系統(tǒng)已在礦井投入運行，基于 ZigBee的新型無線網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)運行正常，可通過上位機監(jiān)控平臺對每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)進行跟蹤顯示。圖7所示為上位機監(jiān)控平臺的工作界面圖。

圖7 上位機監(jiān)控平臺的工作界面圖

表1為系統(tǒng)運行過程中各終端節(jié)點通信數(shù)據(jù)的傳輸情況，從表中可以看到數(shù)據(jù)丟包率較低，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性高。表2所列為ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的功耗情況，可以看到正常運行狀態(tài)和休眠狀態(tài)下協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點和終端節(jié)點功耗都非常低，節(jié)點工作周期明顯提升。 休眠狀態(tài)下終端采集節(jié)點可連續(xù)待機7 000 h左右。工作狀態(tài)下協(xié)調(diào)器連續(xù)工作時長為43 h，路由器節(jié)點連續(xù)工作時長為50 h， 終端節(jié)點連續(xù)工作時長為62 h。

表1 系統(tǒng)運行過程中各終端節(jié)點通信數(shù)據(jù)的傳輸情況

表2 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功耗情況 /mA

5 結(jié) 語

針對原瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)有線傳輸方式存在的問題，結(jié)合Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)了礦井瓦斯?jié)舛鹊臒o線遠(yuǎn)程實時監(jiān)測。該系統(tǒng)可通過分布在礦井各個區(qū)域的終端采集節(jié)點，以自組網(wǎng)多跳的形式無線傳輸瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)，整個監(jiān)測系統(tǒng)安裝方便，功耗低，可靠性高，提高了系統(tǒng)的監(jiān)測能力及監(jiān)測范圍，在煤礦安全監(jiān)測中具有非常廣闊的應(yīng)用前景。