基于無線傳感網(wǎng)的煤層氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂貴明，韓成浩

吉林建筑大學(xué) 電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院,長春 130118

0 引言

煤層氣體俗稱“瓦斯”,主要化學(xué)成分為甲烷,當(dāng)其達(dá)到一定濃度時(shí),在一定氧氣濃度下遇到火源引起爆炸,是煤礦安全生產(chǎn)的首要威脅[1].雖然現(xiàn)有的煤層氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)煤層氣體的監(jiān)測(cè)起到一定的作用,但仍存在監(jiān)測(cè)靈敏度和精度不高、組網(wǎng)和拓展節(jié)點(diǎn)困難、維護(hù)成本高等諸多問題.隨著國家對(duì)地下采礦安全生產(chǎn)的嚴(yán)格管理和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、無線傳感技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展,對(duì)煤層氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提出了以下要求:

(1) 系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)簡單,數(shù)據(jù)傳輸快速、安全、準(zhǔn)確.

(2) 終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的電路設(shè)計(jì)簡單、靈敏度高、耐腐蝕性強(qiáng).

(3) 組網(wǎng)靈活,每個(gè)節(jié)點(diǎn)能獨(dú)立工作.

根據(jù)上述要求,本文采用KGS-20氣體傳感器和Zigbee技術(shù)組成一種相對(duì)穩(wěn)定的無線傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)[2],實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地下工作現(xiàn)場(chǎng)的煤層氣體濃度和其他環(huán)境參數(shù),提高了安全系數(shù)和工作效率,施工和維護(hù)成本更加經(jīng)濟(jì).

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案和主要節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示,該系統(tǒng)主要包括終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、路由器、協(xié)調(diào)器和上位管理主機(jī)等4部分,其中終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集安裝附近的煤層氣體濃度,并將節(jié)點(diǎn)地址和現(xiàn)場(chǎng)煤層氣體濃度值轉(zhuǎn)化成Zigbee數(shù)據(jù)包,發(fā)送到周圍的路由器上;路由器主要負(fù)責(zé)收集終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù),并根據(jù)路由表選擇最佳路由轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)調(diào)器;協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)和接收路由器發(fā)來的數(shù)據(jù),并將這些數(shù)據(jù)通過RS-232串口傳送到上位管理主機(jī)上.Zigbee主要有星型、樹型和網(wǎng)狀等3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)容量大,可支持6.5萬個(gè)節(jié)點(diǎn)[3].

本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎脴湫屯負(fù)渑c網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎嘟Y(jié)合的方式[4],即在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上采用樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在各路由器之間則采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案Fig.1 System overall design plan

圖2 終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Terminal monitoring node module design block diagram

1.2 終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)如圖2所示,該節(jié)點(diǎn)模塊主要包括CC 2530 核心控制器、KGS-20氣敏傳感器、SHT 75溫濕度傳感器、外部存儲(chǔ)電路(SDCARD)、無線通信電路和報(bào)警電路等6 部分,該節(jié)點(diǎn)模塊的作用是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的煤層氣體濃度、溫度和濕度等3個(gè)參數(shù),并將這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)洁徑穆酚善魃?

KGS-20是一種專門用于可燃?xì)鉂舛葯z測(cè)的半導(dǎo)體氣敏傳感器,它以二氧化錫為基本敏感材料[5],其基本特征是靈敏度極高、響應(yīng)速度極快且低功耗(檢測(cè)電壓為5 V,加熱電壓僅為0.9 V).為保證氣敏傳感器正常工作,采用PHT 04000 W電壓轉(zhuǎn)換模塊將5 V直流電壓轉(zhuǎn)換成0.9 V直流電壓.瓦斯傳感器硬件連接電路圖如圖3所示.瓦斯傳感器實(shí)物如圖4所示.

圖3 瓦斯傳感器硬件連接電路圖Fig.3 Gas sensor hardware connection circuit diagram

圖4 KGS-20瓦斯傳感器照片F(xiàn)ig.4 Photo of KGS-20 gas sensor

1.3 路由器和協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)

路由器和協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)如圖5所示,它們均包括3.3 V穩(wěn)壓電路、CC 2530控制器、外部存儲(chǔ)電路和無線通信電路,其中路由器增加了1個(gè)報(bào)警電路,而協(xié)調(diào)器增加了1個(gè)RS-232串口電路.

圖5 路由器和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)框圖Fig.5 Router and coordinator node design block diagram

圖6 終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)流程圖Fig.6 Terminal monitoring node program design flow chart

2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)、路由器程序設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)和上位管理主機(jī)程序設(shè)計(jì)等4部分.

2.1 終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

上電后,終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)先進(jìn)行相應(yīng)功能的初始化,通過主動(dòng)掃描尋找協(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)并加入該網(wǎng)絡(luò).為了減少終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的能耗,采用定時(shí)中斷方式,即每隔2 sec采集工作現(xiàn)場(chǎng)的各種參數(shù)，具體程序設(shè)計(jì)流程如圖6所示.

2.2 路由器軟件設(shè)計(jì)

路由器的主要作用是數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送[6],即接收由終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù),并將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上端協(xié)調(diào)器.上電后,路由器自動(dòng)掃描并加入由上端協(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò),并由協(xié)調(diào)器給每個(gè)路由器分配相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址.具體程序設(shè)計(jì)流程如圖7所示.

圖7 路由器程序設(shè)計(jì)流程圖Fig.7 Router program design flow chart

圖8 協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)流程圖Fig.8 Coordinator program flow chart

2.3 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器是整個(gè)組網(wǎng)的核心部分[7],用它來主要建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò),給各路由器和終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分配相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址.同時(shí),將接收到的各路由器發(fā)過來的數(shù)據(jù)包發(fā)送到上位管理主機(jī)上.具體程序設(shè)計(jì)流程如圖8所示.

2.4 上位管理主機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位管理主機(jī)通過數(shù)據(jù)庫(本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用My SQL)[8]管理軟件將協(xié)調(diào)器發(fā)過來的數(shù)據(jù)分類存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫上.利用VC++完成與數(shù)據(jù)庫的對(duì)接[9]、人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)、后臺(tái)的數(shù)據(jù)分析、顯示、預(yù)判和報(bào)警等.煤層氣體泄漏監(jiān)控系統(tǒng)的管理界面包括安全隱患檢查、報(bào)警處理、歷史數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)顯示等4部分.

3 實(shí)驗(yàn)分析

瓦斯實(shí)際濃度與本文探測(cè)濃度結(jié)果如表1所示,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,最大絕對(duì)誤差(即瓦斯探測(cè)濃度與瓦斯實(shí)際濃度之差)為±0.03,本設(shè)計(jì)系統(tǒng)滿足實(shí)際要求.

表1 瓦斯氣體濃度探測(cè)結(jié)果Table 1 Gas concentration detection results

4 結(jié)語

本系統(tǒng)終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)體積小成本低,可大量設(shè)置在礦井中的各個(gè)部位,分布密度高、覆蓋面廣.整個(gè)系統(tǒng)組網(wǎng)靈活,數(shù)據(jù)丟包率極低,安全性高.現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明,該系統(tǒng)靈敏度高、反應(yīng)迅速、性能可靠,能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)地下工作環(huán)境中的各種數(shù)據(jù),并做出相應(yīng)的判斷決策,可在礦井防災(zāi)、減災(zāi)及提高生產(chǎn)效率等方面發(fā)揮一定作用,為煤礦安全生產(chǎn)提供有效保障.