無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

瓦斯氣體濃度是煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一，目前絕大多數(shù)礦用瓦斯氣體傳感器設(shè)備都采用有線方式傳輸信號(hào)，即采用光纜、電力線纜或信號(hào)線纜等。但這種傳統(tǒng)的有線布設(shè)方式存在著本質(zhì)的缺陷：部線繁瑣、線路依賴(lài)性強(qiáng)、安裝部設(shè)維護(hù)成本較大等。礦井一旦出現(xiàn)事故，特別是發(fā)生爆炸事件時(shí)，傳感器設(shè)備及線纜往往會(huì)受到致命的破壞，不能為搜救工作及事態(tài)檢測(cè)提供信息。

把無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中，通過(guò)各種傳感器實(shí)時(shí)采集礦井的環(huán)境信息，由嵌入式系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行處理，通過(guò)自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將信息傳輸?shù)骄獾谋O(jiān)控終端，能夠彌補(bǔ)有線設(shè)備的缺陷，具有價(jià)廉、便攜、可靠性高、易于校正等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了煤礦瓦斯報(bào)警無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。

1 煤礦瓦斯報(bào)警無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

如圖1所示，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由瓦斯傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)群、接收發(fā)送基站、互聯(lián)網(wǎng)和監(jiān)控終端構(gòu)成。由多個(gè)瓦斯傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在礦井內(nèi)形成自組網(wǎng)，某個(gè)節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)可以通過(guò)多跳中繼方式發(fā)送到井外接收發(fā)送基站，再通過(guò)串口發(fā)送到本地或遠(yuǎn)程PC機(jī)上，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。瓦斯傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的基本組成部分，不僅能夠進(jìn)行瓦斯?jié)舛取貪穸刃盘?hào)的采集處理，還能夠在節(jié)點(diǎn)之間組網(wǎng)，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)定位和無(wú)線收發(fā)。節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)提供信息的本地液晶顯示。

2 瓦斯傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

瓦斯傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示，主要包括LXK－3瓦斯傳感器、SHT11溫濕度傳感器、PPD4NS粉塵傳感器模塊、 ATmega128L單片機(jī)、CC1000無(wú)線收發(fā)芯片、液晶顯示模塊等。

2.1 瓦斯傳感器模塊

2.1.1 瓦斯傳感器的工作原理

目前檢測(cè)瓦斯?jié)舛鹊姆绞接泄飧缮?、氣?a target="_blank">半導(dǎo)體、載體催化、電化學(xué)和紅外吸收等，經(jīng)過(guò)幾十年的研究，載體催化元件逐步成熟并占據(jù)了礦井瓦斯和多種可燃可爆氣體檢測(cè)領(lǐng)域的首位。其檢測(cè)原理為：由帶催化劑的檢測(cè)元件和不帶催化劑的補(bǔ)償元件及相應(yīng)的匹配電阻組成電橋，瓦斯?jié)舛茸兓瘯r(shí)檢測(cè)元件電阻值改變，影響電橋平衡，從而可以檢測(cè)環(huán)境中瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

2.1.2 LXK－3及其信號(hào)調(diào)理

本文采用中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所的LXK－3催化元件。該系列元件是一種廣譜性的氣敏元件，適用于天然氣、液化石油氣和城市煤氣等多種可燃?xì)怏w的檢測(cè)和報(bào)警。圖3為L(zhǎng)XK－3在系統(tǒng)中的應(yīng)用電路，其差分輸出電壓反映了瓦斯的濃度變化，直接作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的差分輸入通道（ADC3、ADC2）。LXK－3的輸出電壓范圍為－50～50mV，而參考電壓選擇單片機(jī)的片內(nèi)基準(zhǔn)電壓2.56V，因此對(duì)差分電壓放大50倍比較合適。ATmega128的ADC放大倍數(shù)只有三種選擇：1x、10x、200x，為了提高精度，采用外部放大器與模擬開(kāi)關(guān)相結(jié)合的工作方式，由單片機(jī)控制模擬開(kāi)關(guān)，采用10x、50x、200x三個(gè)檔位。

由于LXK－3對(duì)電源要求比較高（2.8±0.1V），而本系統(tǒng)采用電池供電，電壓不夠穩(wěn)定，因此采用輸出電壓可通過(guò)電阻R2調(diào)節(jié)的專(zhuān)用電源芯片LP3965對(duì)其供電。由LP3965的電阻－電壓公式可以確定電阻R2的值，即R2=R1（-1），VOUT=2.8V， R2＝13kΩ。

2.2 微控制器ATmega128單片機(jī)

處理器模塊是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算核心。本文采用的ATmega128L單片機(jī)外形小，集成度高，功耗低，支持睡眠模式，運(yùn)行速度快，內(nèi)部有一個(gè)10位的逐次逼近型ADC，有足夠的外部通用I/O端口和通信接口，成本低且有安全性保證。

2.3 CC1000無(wú)線收發(fā)模塊

無(wú)線收發(fā)模塊完成節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收及轉(zhuǎn)發(fā)功能，這里采用Chipcon公司的單片無(wú)線收發(fā)通信芯片CC1000，其具有低電壓（2.3～3.6V）、低功耗、高靈敏度、小尺寸、接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）、可編程輸出功率（-20～1OdBm）等特點(diǎn)。其FSK數(shù)傳速度可達(dá)72.8kbps，具有250Hz步長(zhǎng)可編程頻率能力，適用于跳頻協(xié)議。CC1000與單片機(jī)的通信通過(guò)三線串行接口（PDATA、PCLK和PALE）進(jìn)行。圖4是CC1000在系統(tǒng)中應(yīng)用的電路原理圖，外圍元器件的參數(shù)是在發(fā)射頻率為915MHz的條件下配置的。

2.4其他重要模塊

除檢測(cè)瓦斯?jié)舛韧猓?jié)點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了溫濕度傳感器模塊，不僅可以進(jìn)行溫濕度檢測(cè)，還可以根據(jù)溫濕度數(shù)據(jù)對(duì)瓦斯傳感器校零。Sensirion公司高度集成的溫濕度傳感器芯片SHT11，采用串行時(shí)鐘輸入線SCK來(lái)與單片機(jī)保持通訊同步，串行數(shù)據(jù)線DATA收發(fā)通信協(xié)議命令和數(shù)據(jù)，能夠直接提供溫度在－40～120℃范圍內(nèi)、濕度在0～100％RH范圍內(nèi)的數(shù)字輸出。

粉塵傳感模塊采用SHINYEI KAISHA公司的PPD4NS粉塵傳感器，感知微米以上的粉塵，以檢測(cè)單位體積內(nèi)粉塵粒子的絕對(duì)個(gè)數(shù)。

報(bào)警節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)顯示通過(guò)中文液晶顯示器模塊實(shí)現(xiàn)。

3 瓦斯傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)的主要功能包括傳感器數(shù)據(jù)采集與處理、無(wú)線收發(fā)、液晶顯示和節(jié)點(diǎn)定位等，采用模塊化設(shè)計(jì)。傳感器數(shù)據(jù)采集與處理模塊主要設(shè)置瓦斯信號(hào)的采集參數(shù)并控制采集、讀取溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)輸出并計(jì)算露點(diǎn)；無(wú)線收發(fā)模塊通過(guò)設(shè)置寄存器控制對(duì)命令或數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送；液晶顯示模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯?jié)舛?、溫濕度等?shù)據(jù)的本地實(shí)時(shí)顯示；節(jié)點(diǎn)定位模塊對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。

節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)要支持傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要考慮網(wǎng)絡(luò)層的支持，方便系統(tǒng)擴(kuò)展，因此系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)是在嵌入式操作系統(tǒng)上進(jìn)行的，與基于硬件的C語(yǔ)言直接編程相比，這種方式對(duì)功能擴(kuò)展、功耗控制、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議優(yōu)化等有很大幫助。嵌入式操作系統(tǒng)選用了加州大學(xué)伯克利分校的基于事件驅(qū)動(dòng)的TinyOS操作系統(tǒng)。軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程是：首先用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)程序，然后在處理器上移植TinyOS操作系統(tǒng)，利用其編程語(yǔ)言（nesC）在TinyOS下編譯。

3.2 軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.2.1 數(shù)據(jù)采集與處理

瓦斯?jié)舛刃盘?hào)的采集控制模塊主要完成采集參數(shù)選擇（數(shù)據(jù)放大倍數(shù)檔位轉(zhuǎn)換）與數(shù)據(jù)計(jì)算工作。A/D轉(zhuǎn)換器輸出的最大值為511，采用450、50作為檔位判斷上下限，分別設(shè)置10x、50x、200x三個(gè)信號(hào)調(diào)理檔位。瓦斯?jié)舛扔?jì)算時(shí)，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出，由差分輸入轉(zhuǎn)換公式ADC=（V+-V-）·GAIN·512/VREF計(jì)算出差分電壓△V，再根據(jù)LXK－3的輸出特性曲線，即可得到瓦斯?jié)舛戎怠?/p>

溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)通過(guò)DATA線直接讀取，控制流程如下：用一組啟動(dòng)傳輸時(shí)序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟缓蟀l(fā)送一組測(cè)量命令（‘00000101’表示相對(duì)濕度，‘00000011’表示攝氏溫度）后，釋放DATA線，等待SHT11下拉DATA至低電平，表示測(cè)量結(jié)束，同時(shí)接收數(shù)據(jù)。

對(duì)于粉塵傳感器模塊，計(jì)算數(shù)據(jù)端口輸出脈沖中低電平的占空比即可得到粉塵濃度。

3.2.2 無(wú)線收發(fā)程序

無(wú)線收發(fā)程序負(fù)責(zé)接收來(lái)自基站或其他節(jié)點(diǎn)的命令或數(shù)據(jù)，并發(fā)送本節(jié)點(diǎn)或轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。首先進(jìn)行CC1000的寄存器初始化配置，然后通過(guò)改變寄存器的值，進(jìn)入待機(jī)、發(fā)送或接收模式。圖5為無(wú)線收發(fā)的控制流程圖。

3.2.3 液晶顯示驅(qū)動(dòng)程序

液晶顯示器與單片機(jī)的接口協(xié)議為請(qǐng)求/應(yīng)答（REQ/BUSY）握手方式。向模塊發(fā)出一個(gè)完整的顯示漢字的命令，包括坐標(biāo)及漢字代碼在內(nèi)共需5個(gè)字節(jié)。

3.2.4 節(jié)點(diǎn)定位算法

采用基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）定位算法實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的精確定位：已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到信號(hào)的強(qiáng)度計(jì)算出信號(hào)的傳播損耗，然后根據(jù)信號(hào)傳播模型公式（1）將傳輸損耗轉(zhuǎn)化為距離，再利用三邊測(cè)量法計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的位置。在實(shí)際定位中，要保證未知節(jié)點(diǎn)處于三個(gè)以上發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度和位置坐標(biāo)已知的參考節(jié)點(diǎn)的通信范圍內(nèi)，未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算出信號(hào)的傳播損耗，進(jìn)而計(jì)算出節(jié)點(diǎn)位置。

PR（d）=PT-10nlog（d）-γ（1）

其中，PR（d）為接收信號(hào)強(qiáng)度（dBm）；PT為發(fā)送信號(hào)強(qiáng)度（dBm）；n為路徑長(zhǎng)度和傳輸損耗之間的比例因子；d為參考節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的距離；γ為修正因子，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正。

瓦斯傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)能夠通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)井下溫度、濕度、瓦斯和粉塵等參數(shù)和井下工作人員位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，主要功能包括瓦斯?jié)舛燃皽貪穸葯z測(cè)、液晶顯示、定位和無(wú)線收發(fā)等功能，可以實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛?％以?xún)?nèi)的檢測(cè)，且當(dāng)持續(xù)半分鐘檢測(cè)到瓦斯?jié)舛雀哂?％時(shí)，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。此外，根據(jù)煤礦的溫濕度參數(shù)自動(dòng)對(duì)瓦斯傳感器校零，從而提高瓦斯?jié)舛葓?bào)警器的準(zhǔn)確性。節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的LCD能夠動(dòng)態(tài)顯示環(huán)境的溫濕度和瓦斯?jié)舛?。無(wú)線模塊可以把測(cè)到的瓦斯?jié)舛群途氯藛T的位置信息發(fā)送到煤礦瓦斯監(jiān)控的基站，再傳送到總控中心，以便隨時(shí)了解礦下瓦斯?jié)舛群途氯藛T所處位置。該無(wú)線模塊在室內(nèi)環(huán)境下傳輸距離為20～30米，可以滿(mǎn)足井下作業(yè)要求。節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定工作狀態(tài)下的響應(yīng)時(shí)間小于20秒，可滿(mǎn)足實(shí)時(shí)監(jiān)控要求。

隨著無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增多、功能的進(jìn)一步完善和監(jiān)控管理平臺(tái)的建立，本無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器系統(tǒng)將適用于各類(lèi)氣體以及人員位置監(jiān)控的現(xiàn)代化管理，不僅能夠進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)、協(xié)助事故搶險(xiǎn)救援，還能夠用于人員調(diào)度、監(jiān)控、考勤等，從而提高礦山的管理水平與工作效率。