井下無線瓦斯傳感器及其應(yīng)用研究

張新東，李 濤，趙發(fā)諾

山東魯泰煤業(yè)有限公司鹿洼煤礦，山東濟(jì)寧 272300

現(xiàn)階段，有不少煤礦流量監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)實際使用的是有線與固定傳感器相結(jié)合的一種網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)要求必須在礦井內(nèi)部敷設(shè)通信線路以進(jìn)行檢測信息的傳遞。然而，實際生產(chǎn)時，由于礦井結(jié)構(gòu)的變化多端以及部分坑道空間的窄小，對通信線路的延伸及其維護(hù)有了越來越高的要求。如果通信鏈路出現(xiàn)故障問題，那么，將直接導(dǎo)致整個流量監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，大大削弱了系統(tǒng)的性能可靠性。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的原理及其結(jié)構(gòu)

1.1 原理

無線傳感器主要是通過諸多的能和物理環(huán)境彼此間交互，同時，涵蓋數(shù)據(jù)處理功能及無線通信功能的一種全新的傳感器構(gòu)成的互連系統(tǒng)，對于一些繁瑣的監(jiān)控任務(wù)，此系統(tǒng)能夠及時有效完成。本文所述的傳感器并非只是單純的來收集物理信號，然后，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號的傳感器，其主要把傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及無線通信模塊全部匯集到一塊較小的物理單元上，相較于傳統(tǒng)的傳感器，其功能繁多，除了可以感知環(huán)境信息外，還發(fā)揮著數(shù)據(jù)處理與無線通信的功能作用。我們把此類傳感器節(jié)點(diǎn)全面的分散在某一特定環(huán)境里，采用無線通信的方式來有效連接，從總體上形成了一個具有特殊性質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)。所有節(jié)點(diǎn)都有自己控制的一個區(qū)域，充分利用聲學(xué)光學(xué)設(shè)備、電磁感應(yīng)裝置等各種感知設(shè)備實施監(jiān)督控制其附近的物理環(huán)境。

1.2 結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)沒有固定的結(jié)構(gòu)，針對應(yīng)用場合實施相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。不過整體而言，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有硬件層與軟件層兩種。其中，硬件層的作用是合理控制傳感器，比如，控制數(shù)據(jù)的接收、轉(zhuǎn)換以及無線通信電路。軟件層的作用是在硬件層的基礎(chǔ)上發(fā)揮通信協(xié)議、能耗管理、通信頻道管理等功能作用。對于部分較為繁瑣的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可將硬件層與軟件層分成若干個層，比如，把軟件層分為路由層、鏈路層等。此外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有諸多的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實際使用較多的有星形結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。其中，基于星形結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要通過專用中心服務(wù)節(jié)點(diǎn)對整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸及其運(yùn)作進(jìn)行處理；基于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠使網(wǎng)絡(luò)各傳感器節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸。所以，相比之下基于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的無傳感器網(wǎng)絡(luò)略勝一籌，不過其結(jié)構(gòu)十分的繁瑣、需要花費(fèi)大量的成本。

2 煤礦井下無線瓦斯傳感器的應(yīng)用

2.1 硬件設(shè)計

首先是微處理器模塊；實際中主要將A Tmegal28L 單片機(jī)當(dāng)做節(jié)點(diǎn)的微處理器。A Tmegal28L 以精簡指令集結(jié)構(gòu)為首選，具備了哈佛總線的存儲器結(jié)構(gòu)、單周期指令以及兩級流水線指令結(jié)構(gòu)等各項技術(shù)，使得系統(tǒng)運(yùn)行效率得到大大提升。與此同時，還根據(jù)單片機(jī)具體應(yīng)用特征，設(shè)置了功耗、驅(qū)動能力和外圍模塊等，是一種實用性較高的單片機(jī)。A Tmegal28L有以電池供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用所需的核心功能，涵蓋了納瓦功耗管理、先進(jìn)的模擬、控制和通信外設(shè)等內(nèi)容，將A Tmegal28L 與射頻收發(fā)器CC2430 有機(jī)的融合起來，能夠獲得集成性好、價低質(zhì)優(yōu)的節(jié)點(diǎn)。

其次是無線收發(fā)模塊；其屬于一種射頻集成電路模塊，作為無線網(wǎng)絡(luò)的物理層射頻前端來實際收發(fā)無線數(shù)據(jù)。以CC2430 射頻芯片為主。該射頻芯片依舊采用之前的CC2420 架構(gòu)，在單個芯片上對ZigBee 射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器進(jìn)行了整合。CC2430 生產(chǎn)過程中，采用的是0.18μmCMOS 工藝，在接收和發(fā)射模式下所呈現(xiàn)出的電流損耗都沒有超過27mA 或25mA。由于CC2430 具有休眠模式、轉(zhuǎn)換到主動模式的較短時間的特征，所以，在電池使用壽命要求長的場合中應(yīng)用十分理想。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

首先是匯聚節(jié)點(diǎn)程序；屬于一個增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，能量供給十分充足，有豐富的內(nèi)存與計算資源。匯聚節(jié)點(diǎn)共發(fā)揮著網(wǎng)絡(luò)維護(hù)功能與數(shù)據(jù)傳輸功能兩種，其中，網(wǎng)絡(luò)維護(hù)功能擔(dān)任組建ZigBee 網(wǎng)絡(luò)、分配網(wǎng)絡(luò)地址及維護(hù)綁定表的任務(wù)。數(shù)據(jù)傳輸功能作為ZigBee 網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)，把兩個應(yīng)用不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)有機(jī)的連接，從而使兩個協(xié)議棧間能夠做到通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。整個流量傳感器節(jié)點(diǎn)會采用無線的方式把實際獲得的傳感器數(shù)據(jù)全部送至匯聚節(jié)點(diǎn)中，然后再由匯聚節(jié)點(diǎn)對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最后通過串口輸送至嵌入式計算機(jī)內(nèi)部。

其次是流量傳感器節(jié)點(diǎn)程序；該節(jié)點(diǎn)的任務(wù)是進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的收集，同時，把所收集的數(shù)據(jù)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中，并且及時接收來自網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)，結(jié)合這些數(shù)據(jù)實踐操作。在沒有數(shù)據(jù)可接收或者發(fā)送時，應(yīng)保持在休眠狀態(tài)下，確保節(jié)點(diǎn)功耗的最低化。

主程序在初始化有關(guān)的寄存器與變量及管腳后，步入到主循環(huán)階段。主循環(huán)的任務(wù)是基于外部傳感器信號轉(zhuǎn)換后所產(chǎn)生的電壓信號做合理的采樣與處理，以轉(zhuǎn)換為實際所需的值，同時，將此值傳送至相對應(yīng)的緩沖區(qū)中，最后，準(zhǔn)確判斷其有無超限的可能，如果超了，那么，應(yīng)及時的將相應(yīng)的報警程序全面啟動，若不啟動，那么，就必須停止本次循環(huán)。

3 結(jié)論

綜上所述可知，本文主要以A Tmegal28L 單片機(jī)的無限瓦斯傳感器為核心，通過該單片機(jī)的功能如功能高、功耗低、體積小等進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，對煤礦井下瓦斯情況進(jìn)行了全程跟蹤監(jiān)測，是一項值得推廣的系統(tǒng)。

[1]張耀麗.礦井瓦斯爆炸事故的監(jiān)控研究[D].中北大學(xué)，2009.

[2]田豐.如何有效促進(jìn)瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)管理[J].科技致富向?qū)В?011(27).

[3]周弦.基于單片機(jī)的多通道聲發(fā)射監(jiān)測儀的研制[D].武漢科技大學(xué)，2010.

[4]秦憲禮，劉新蕾，沈斌，張克春.采掘作業(yè)面無線瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].礦山機(jī)械，2009(24).

[5]李明濤.基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在油田的應(yīng)用研究[J].信息系統(tǒng)工程，2011(8).