無線傳感網(wǎng)絡(luò)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

柏杏麗 李 蒙 錢 旭 刁文廣

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083;2.洛陽理工學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程系,河南省洛陽市,471023;3.河南工程學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系,河南省鄭州市,450053)

我國(guó)煤礦50%以上為高瓦斯或瓦斯突出的礦井,煤礦死亡百人以上礦難95%以上都是瓦斯事故。因此瓦斯檢測(cè)對(duì)于煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)至關(guān)重要。目前廣泛應(yīng)用的瓦斯檢測(cè)儀多采用基于載體催化燃燒原理的敏感元件。這類傳感器普遍存在穩(wěn)定性差、零點(diǎn)漂移、調(diào)校周期短的缺點(diǎn)。傳統(tǒng)的瓦斯檢測(cè)儀需升井調(diào)校,不但效率低下,而且對(duì)生產(chǎn)進(jìn)度會(huì)產(chǎn)生影響;智能型瓦斯檢測(cè)儀雖然支持自動(dòng)調(diào)校,但由于自動(dòng)調(diào)校程序需事先設(shè)定,往往不能靈活適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)多變的調(diào)校要求;采用基于CAN總線部署的瓦斯檢測(cè)儀可以支持在線調(diào)校,但由于需鋪設(shè)通信線路使瓦斯檢測(cè)儀部署的靈活性和實(shí)效性較差。為此,本文設(shè)計(jì)了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng),無線網(wǎng)絡(luò)瓦斯監(jiān)控節(jié)點(diǎn)能隨時(shí)部署在新的工作面并支持在線調(diào)校,有助于提高煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效率和安全生產(chǎn)水平。

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)是由井下大量的瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)、井下中心站和井上瓦斯監(jiān)控計(jì)算機(jī)組成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。井下各瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線網(wǎng)絡(luò)的方式交換數(shù)據(jù)及控制信息,并將信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送到井下中心站進(jìn)行匯總,井下中心站通過CAN總線將瓦斯傳感器的信息上傳到井上瓦斯監(jiān)控計(jì)算機(jī),并接受監(jiān)控計(jì)算機(jī)的控制指令,下發(fā)給各瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)對(duì)各瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)的調(diào)校。

圖1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)

基于Zigbee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)通過無線通信方式將各個(gè)瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)連接形成了1個(gè)多跳網(wǎng)絡(luò),它具有自組織、可靠性強(qiáng)、可快速部署和擴(kuò)張性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),非常適合在井下這一特殊環(huán)境中快速構(gòu)建用于瓦斯傳感器檢測(cè)的信息基礎(chǔ)平臺(tái)。

1.1 瓦斯檢測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

瓦斯檢測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)由3部分組成:瓦斯傳感器、控制與通信單元、電源模塊。瓦斯傳感器采用IR12BD非發(fā)散性紅外型低功耗的氣體傳感器,檢測(cè)范圍0%～100%LEL,內(nèi)部紅外光發(fā)散燈支持3 V供電,工作電流為50 mA,IR12BD內(nèi)部有兩個(gè)熱電檢測(cè)器,一個(gè)用于瓦斯?jié)舛葯z測(cè),一個(gè)是參考熱電檢測(cè)器用于檢測(cè)氣體環(huán)境,實(shí)現(xiàn)瓦斯傳感器的動(dòng)態(tài)調(diào)校;控制與通信單元采用J ENNIC-5139模塊,工作電壓3 V,無線通信時(shí)工作電流37 mA,休眠狀態(tài)電流為2.6μA,模塊內(nèi)嵌Zigbee無線通信協(xié)議,支持無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信,采用32位的RISC CPU,內(nèi)部集成了96 kb RAM、192 kb ROM、4個(gè)12位的ADC,用于將瓦斯傳感器的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,溫度傳感器可對(duì)瓦斯傳感器進(jìn)行溫度檢測(cè),根據(jù)溫度實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)參數(shù)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償,提高檢測(cè)精度、2個(gè)UART可在中心站構(gòu)建CAN總線接口,J ENNIC-5139功能強(qiáng)大,便于擴(kuò)展。電源模塊采用電池供電和外部輔助供電兩套并存的供電模式,當(dāng)沒有外部輔助電源時(shí),由電池供電,有外接輔助電源時(shí),由外部電源供電,同時(shí)為電池充電。瓦斯檢測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 瓦斯檢測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

1.2 傳感器布置方案

依據(jù)煤礦安全生產(chǎn)規(guī)程,在采煤工作面部署無線瓦斯傳感器時(shí)應(yīng)盡量靠近工作面上隅角,其位置距巷幫和采空區(qū)側(cè)充填帶均不大于800 mm,距頂板不大于300 mm;突出煤層掘進(jìn)工作面、石門揭煤回風(fēng)第一交匯點(diǎn)處必需部署瓦斯傳感器;長(zhǎng)距離巷道掘進(jìn),每500～1000 m巷道增設(shè)1個(gè)傳感器。瓦斯傳感器部署在拐彎處內(nèi)側(cè)時(shí)要距離回采工作面適當(dāng)遠(yuǎn)一些,部署在拐彎處外側(cè)時(shí)要適當(dāng)近一些。

根據(jù)北京博控公司對(duì)J ENNIC-5139M02天線增益為3.5 dB的井下測(cè)試數(shù)據(jù)可知,在彎曲巷道通信時(shí),如果在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)不直接可視的情況下,兩節(jié)點(diǎn)通信距離在70 m以上時(shí)的數(shù)據(jù)丟包率為1.4%以上,在直巷道測(cè)試時(shí)500 m以內(nèi)的可視節(jié)點(diǎn)通信數(shù)據(jù)丟包率為0%,參照以上測(cè)試數(shù)據(jù)確定基于J ENNIC5139瓦斯傳感器的部署間距。因此在彎曲巷道部署時(shí)為了確保無線數(shù)據(jù)可靠傳輸,必須使兩個(gè)無線節(jié)點(diǎn)互相可視,直巷道可間距500 m在巷道頂板部署1個(gè)無線瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)。

2 瓦斯?jié)舛扔?jì)算及動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

IR12BD瓦斯傳感器是基于比爾-朗伯定律,根據(jù)對(duì)紅外光吸收強(qiáng)度測(cè)定瓦斯?jié)舛?并通過參考熱電檢測(cè)器進(jìn)行環(huán)境因數(shù)線性補(bǔ)償。環(huán)境因數(shù)線性補(bǔ)償分零點(diǎn)補(bǔ)償和滿量程補(bǔ)償,先在無瓦斯氣體的情況下對(duì)傳感器進(jìn)行零點(diǎn)補(bǔ)償參數(shù)的計(jì)算,方法如下:

零點(diǎn)校準(zhǔn)參數(shù):

式中:Zero——零點(diǎn)校準(zhǔn)參數(shù);

Act0——瓦斯熱電檢測(cè)器在無瓦斯時(shí)的輸出的峰值,mV;

Ref0——參考熱電檢測(cè)器在無瓦斯時(shí)的輸出的峰值,mV;

由J ENNIC5139內(nèi)部的ADC實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。滿量程校準(zhǔn)參數(shù):

式中:Span——滿量程校準(zhǔn)參數(shù);

ActSpan——瓦斯熱電檢測(cè)器在檢測(cè)氣體滿量程時(shí)的輸出,mV;

RefSpan——參考熱電檢測(cè)器在檢測(cè)氣體滿量程時(shí)的輸出,mV;

α,n——線性補(bǔ)償因數(shù);

C——目標(biāo)氣體濃度,vol。

為了減少環(huán)境溫度變化對(duì)傳感器的影響,使用JENNIC-5139內(nèi)置的環(huán)境溫度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。分別為透光系數(shù)α補(bǔ)償、滿量程校準(zhǔn)參數(shù)β補(bǔ)償。

透光系數(shù)α補(bǔ)償:

式中:N T——α補(bǔ)償下的透光系數(shù);

N Tcomp——為透光系數(shù)的補(bǔ)償值;

Act——透光系數(shù)α補(bǔ)償進(jìn)行瓦斯檢測(cè)時(shí)瓦斯熱電檢測(cè)器的峰值,mV;

Ref——參考熱電檢測(cè)器輸出的峰值,mV;

β補(bǔ)償下的滿量程校準(zhǔn)參數(shù):

式中:Spancomp——β補(bǔ)償下的滿量程校準(zhǔn)參數(shù);

β——滿量程校準(zhǔn)補(bǔ)償因數(shù);

T——瓦斯傳感器檢測(cè)時(shí)的環(huán)境溫度,℃;

Tca1——進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)環(huán)境溫度,℃。

根據(jù)比爾-朗伯定律計(jì)算瓦斯的濃度:

式中:C——瓦斯?jié)舛?vol。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1 無線瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

無線瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)程序基于J ENNIC Code-Blocks開發(fā),軟件具有系統(tǒng)自檢、校準(zhǔn)值設(shè)定、現(xiàn)場(chǎng)瓦斯?jié)舛葯z測(cè)、根據(jù)設(shè)定的上限值進(jìn)行報(bào)警提示、無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、瓦斯檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳等功能。程序流程圖見圖3。

圖3 無線瓦斯檢測(cè)節(jié)點(diǎn)主流程圖

3.2 地面計(jì)算機(jī)程序主要功能

井下中心站接收到各節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)后,將數(shù)據(jù)匯總上傳到井上瓦斯監(jiān)控計(jì)算機(jī)。井上瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)用組態(tài)王軟件開發(fā),便于實(shí)現(xiàn)友好的交互界面和實(shí)時(shí)控制。主要功能有如下5點(diǎn)。

(1)對(duì)井下分站、無線節(jié)點(diǎn)瓦斯傳感器的配置、參數(shù)設(shè)定、安裝位置進(jìn)行指示。

(2)繪制各個(gè)瓦斯節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)圖形、實(shí)時(shí)曲線。

(3)對(duì)檢測(cè)的瓦斯數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、匯總、統(tǒng)計(jì)。

(4)傳感器的節(jié)點(diǎn)在線標(biāo)定及標(biāo)定信息記錄。

(5)可進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警顯示,并通過短信模塊將報(bào)警信息發(fā)送給值班領(lǐng)導(dǎo)。

4 結(jié)語

無線傳感網(wǎng)絡(luò)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)與傳統(tǒng)的瓦斯監(jiān)控相比,大幅減少了井下通信線路鋪設(shè)的成本和時(shí)間,不會(huì)因通信線路的鋪設(shè)制約煤礦開采的進(jìn)度;采用紅外瓦斯傳感器降低系統(tǒng)功耗,延長(zhǎng)了無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間,同時(shí)能夠顯著延長(zhǎng)瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)的調(diào)校周期,并可支持零點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)的在線調(diào)校。同時(shí),煤礦井下無線網(wǎng)絡(luò)的架設(shè)可為井下人員定位系統(tǒng)提供硬件平臺(tái)。

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