談煤礦瓦斯體積分?jǐn)?shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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摘要：針對(duì)目前煤礦瓦斯防治的需要，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一套煤礦瓦斯體積分?jǐn)?shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于ZigBee技術(shù)開發(fā)，主要由瓦斯傳感器、微處理器、通訊網(wǎng)絡(luò)及軟件程序共同構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下瓦斯體積分?jǐn)?shù)的實(shí)時(shí)檢測、無線傳輸及超限預(yù)警等功能。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)可較好完成智能傳感模塊的自動(dòng)組網(wǎng)、瓦斯體積分?jǐn)?shù)在線監(jiān)測及預(yù)警等目標(biāo)，且具有工作穩(wěn)定性好、靈活性高等優(yōu)勢，能有效保障煤礦井下生產(chǎn)的安全高效運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：煤礦；瓦斯體積分?jǐn)?shù)；ZigBee；無線監(jiān)測
煤礦瓦斯防治是保障煤礦生產(chǎn)安全的重點(diǎn)工作。瓦斯作為煤的伴生物，其主要成分為CH4，具有無色、無味、容易燃燒、容易爆炸等特點(diǎn)，必須對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控，而人為排查較為困難，需要借助相關(guān)傳感設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測。目前煤礦中主要通過布置瓦斯?jié)舛葌鞲衅鹘Y(jié)合人工巡檢的方式及布置有線的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行瓦斯體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測。前者自動(dòng)化水平較低、效率差，后者布線復(fù)雜、靈活性差且成本較高，都難以滿足煤礦生產(chǎn)的要求[1]。而目前已經(jīng)比較成熟的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，恰好可以解決這個(gè)難題。ZigBee（紫蜂協(xié)議）作為其中一種短距離的無線傳輸技術(shù)，具有簡便高效、低成本、低功耗等優(yōu)勢，在工業(yè)自動(dòng)化及采礦領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。為此，本文針對(duì)目前生產(chǎn)中存在的不足，結(jié)合相關(guān)資料及生產(chǎn)規(guī)定對(duì)井下瓦斯監(jiān)測的工作原理及過程進(jìn)行了研究，基于ZigBee技術(shù)進(jìn)行了瓦斯監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，并結(jié)合總線技術(shù)及編程知識(shí)設(shè)計(jì)了一套針對(duì)煤礦井下瓦斯防治的無線監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯體積分?jǐn)?shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測及自動(dòng)報(bào)警，無需人工干預(yù)，可提高煤礦生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，減少工人工作量，同時(shí)保障煤礦企業(yè)生產(chǎn)安全[2]。
1總體方案介紹
中國煤礦開采多在礦井深處進(jìn)行，工作環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，設(shè)備也較多。根據(jù)煤礦生產(chǎn)規(guī)定，瓦斯防治是“一通三防”的主要內(nèi)容，必須對(duì)作業(yè)區(qū)域的瓦斯體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，以保障生產(chǎn)安全[3]。ZigBee技術(shù)基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)，是目前工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的一種短距離、低功耗、低成本、高可靠性的雙向低速率無線通訊技術(shù)，能滿足煤礦瓦斯監(jiān)測的傳輸速率、可靠性及安全性要求。系統(tǒng)基于ZigBee無線通訊協(xié)議開發(fā)，總體結(jié)構(gòu)主要分為傳感器節(jié)點(diǎn)、通訊網(wǎng)絡(luò)及上位機(jī)，通過瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞅O(jiān)測工作環(huán)境中的瓦斯體積分?jǐn)?shù)，在微處理器中進(jìn)行信息處理。通過無線收發(fā)模塊進(jìn)行信息的接收、發(fā)射傳輸，最后將信息匯集到上位機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、存儲(chǔ)、顯示。
2.1硬件選型
系統(tǒng)的硬件組成主要包括瓦斯傳感器、微處理器、無線收發(fā)模塊、電源及上位機(jī)等。其中，微處理器作為控制核心，選擇TI（德州儀器）公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的16位MSP430混合信號(hào)單片機(jī)，該微處理器具有60kB+256字節(jié)FLASH（閃存）、2kBRAM（內(nèi)存），功耗低、運(yùn)算快、性能出色且穩(wěn)定、集成了A/D（模擬量/數(shù)字量）轉(zhuǎn)換等功能，工作溫度范圍為-40～+85℃，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。無線收發(fā)模塊同樣選擇TI公司的CC2430模塊，它在單個(gè)芯片上整合了ZigBeeRF（射頻）、前端、內(nèi)存和微控制器，能滿足2.4GHz的射頻收發(fā)，且具有功耗低、性能好、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。鑒于瓦斯的主要成分為CH4，瓦斯傳感器選用MJC4(A)催化燃燒式氣敏元件。該元件可對(duì)工作環(huán)境中的CH4等可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行檢測并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，測量范圍為0%~4%CH4，工作溫度為-40~+70℃，工作電壓3.0V。
2.2傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
傳感器節(jié)點(diǎn)安裝在采掘工作面、回風(fēng)巷道及硐室等井下環(huán)境，完成對(duì)瓦斯體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、運(yùn)算、狀態(tài)判定等一系列功能。其中，傳感器節(jié)點(diǎn)的CH4傳感元件檢測工作環(huán)境中的CH4體積分?jǐn)?shù)，并連續(xù)自動(dòng)地將井下CH4體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，借助外圍配置電路放大調(diào)理處理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)CH4體積分?jǐn)?shù)信息的接收。傳感器節(jié)點(diǎn)的傳感元件配置電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感元件將檢測到的數(shù)據(jù)通過外圍電路傳輸給與之相連的微處理器A/D接口；微處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化、運(yùn)算，得到其中的CH4體積分?jǐn)?shù)，判斷是否執(zhí)行超限報(bào)警，并將數(shù)據(jù)通過無線收發(fā)模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)化、發(fā)送。此外，傳感器節(jié)點(diǎn)的無線收發(fā)模塊還可以接收、發(fā)射其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，在ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸。在接收過程中，無線收發(fā)模塊從天線獲取RF信號(hào)，通過低噪聲放大器進(jìn)行處理后變頻為中頻信號(hào)，經(jīng)濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。在發(fā)射過程中，則對(duì)被調(diào)制后的信號(hào)進(jìn)行D/A（數(shù)字量/模擬量）轉(zhuǎn)換后，由單邊帶調(diào)制器進(jìn)行濾波和變頻轉(zhuǎn)換為RF信號(hào)進(jìn)行發(fā)送。各傳感器節(jié)點(diǎn)接收、轉(zhuǎn)化、傳輸本節(jié)點(diǎn)及外部傳感器節(jié)點(diǎn)的CH4體積分?jǐn)?shù)，形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)并最終將信息匯總到終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)通過有線傳輸將信息整合到上位機(jī)監(jiān)測層。傳感器節(jié)點(diǎn)的電源可選擇干電池供電及外部5V電源通過電壓轉(zhuǎn)化為3.3V的供電方式，其中電源供電原理圖如圖2所示。
2.3通訊模塊設(shè)計(jì)
系統(tǒng)通訊模塊主要完成系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)部、傳感器節(jié)點(diǎn)之間、終端節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間的通信。傳感器節(jié)點(diǎn)通過瓦斯傳感器配置的外圍電路采集電壓值并從模擬量接口導(dǎo)入到MSP430微處理器，微處理器通過SPI（串行外設(shè)接口）實(shí)現(xiàn)與無線收發(fā)模塊CC2430的通信，其中MSP430作為主設(shè)備、CC2430作為從設(shè)備通過SPI實(shí)現(xiàn)信息交互。匯總信息的終端節(jié)點(diǎn)則通過Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)將匯集的信息上傳到上位機(jī)監(jiān)測層，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)及可視化。無線監(jiān)測系統(tǒng)的總體通訊結(jié)構(gòu)如圖3所示。
3軟件程序設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)及上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)兩部分。其中，上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)通過WinCC（視窗控制中心）完成人機(jī)界面的組態(tài)、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存及可視化功能設(shè)計(jì)。傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)則借助軟件開發(fā)工具LAREmbeddedWorkbench實(shí)現(xiàn)。該平臺(tái)是嵌入式系統(tǒng)，開發(fā)中廣泛應(yīng)用集成開發(fā)環(huán)境，包含全面的軟件模擬程序，功能強(qiáng)大的編輯器、連接器、調(diào)試器及豐富的源程序庫。開發(fā)過程中，在工作區(qū)建立工程項(xiàng)目，添加程序代碼并進(jìn)行編譯、調(diào)試，具有方便、快捷的特點(diǎn)。系統(tǒng)程序內(nèi)容包括主程序和各具體功能子程序，運(yùn)行過程中通過掃描主程序并調(diào)用具體的功能子程序?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測目標(biāo)。編寫好的程序通過JTAG（聯(lián)合測試工作組）接口下載到單片機(jī)的FLASH中，由JTAG接口控制程序運(yùn)行，完成程序開發(fā)調(diào)試。傳感器節(jié)點(diǎn)的主程序流程如圖4所示。
4仿真測試
為了保障系統(tǒng)的可靠性，利用0%~6%的不同體積分?jǐn)?shù)CH4氣體及不同溫濕度環(huán)境對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，通過分析傳感器節(jié)點(diǎn)及終端節(jié)點(diǎn)獲取的電壓信號(hào)與測試瓦斯體積分?jǐn)?shù)的比例關(guān)系，分別測試傳感器節(jié)點(diǎn)的準(zhǔn)確性、靈敏性及ZigBee網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)組網(wǎng)、傳輸性能，根據(jù)測試結(jié)果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。
5結(jié)語
針對(duì)煤礦生產(chǎn)中瓦斯監(jiān)測存在的自動(dòng)化水平低及靈活性差的不足，對(duì)煤礦瓦斯體積分?jǐn)?shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了研究與應(yīng)用。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，基于ZigBee通訊技術(shù)設(shè)計(jì)了煤礦瓦斯體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有自動(dòng)組網(wǎng)、無線傳輸?shù)葍?yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦實(shí)際生產(chǎn)中瓦斯體積分?jǐn)?shù)的自動(dòng)監(jiān)測等功能，可大大提高煤礦生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，保障生產(chǎn)安全，同時(shí)減少工人的工作量，提高煤礦生產(chǎn)效益。
參考文獻(xiàn)：
［1］張義偉，李孟嬌，劉寶元.基于STM32和GSM的煤礦瓦斯報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.煤炭技術(shù)，2019，38(6)：130-132.
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［3］董曉鈞.煤礦瓦斯無線傳感監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.煤礦機(jī)械，2014，35(11)：277-279.
作者：王磊 單位：大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司云岡礦
