ZigBee技術在井下瓦斯濃度監測中的應用

楊 梁,鞏秀鋼

(山東理工大學計算機科學與技術學院,山東淄博255049)

在煤炭生產中,安全一直是重中之重.井下環境復雜,一旦出現問題,會直接影響作業人員的人身安全.煤礦安全監測的參數有很多,其中瓦斯濃度是個很重要的參數,如果濃度達到一定范圍,容易造成爆炸[1].2007年12月6日,山西臨汾市洪洞縣原新窯煤礦發生瓦斯爆炸事故,105人遇難,造成了嚴重的人身和財產損失.目前井下瓦斯濃度監測系統主要分為有線監測系統和無線監測系統.有線監測系統布線非常復雜,維護相對困難,并且線路容易受腐蝕.無線監測系統主要是由單片機、傳感器和通信芯片組成,結構冗余,功耗相對較高,成本也相對較高.本文所介紹的方法基于ZigBee協議,采用功耗較低的傳感器,將ZigBee與傳感器有機地結合在一起,有效地避免了現有有線監測系統和無線監測系統的不足.

1 ZigBee無線監測系統

近年來隨著無線傳感器等技術的發展,無線監測系統作為一種新興的監測系統,具有易維護、成本低等優勢.無線監測系統能對監測環境內的各種信號進行聯網監測記錄,通過無線傳輸技術將傳感器所采集的各種狀態信號直接傳輸到中心節點上,隨后中心節點進行進一步的數據處理以供監測人員監測.

Zigbee技術是一種具有低速率、近距離、低功耗、低復雜度、低成本、通信可靠、網絡容量大等特點的無線通信技術.這種技術支持星型、網絡對等、混合型等多種網絡拓撲結構.

星型拓撲結構由一個主協調器和多個子節點設備組成,網絡中的子節點只可與主協調器進行通信.

網絡對等拓撲結構也有一個主協調器,與星型拓撲結構不同之處在于,在該網絡中各設備節點間也可進行相互通信[2].

混合型拓撲結構中,協調器是整個網絡系統的中心,路由器分別作為各自區域的中繼器,這種結構既具有星型網絡的優點也具有網絡結構的優點.圖1是典型的ZigBee網絡結構,E作為ZigBee的協調器,是整個網絡的中心,C是ZigBee的路由器,負責某一區域的網絡通信,D則是系統的終端節點,用于信息的采集,由D,E,C構成了整個的ZigBee網絡.

圖1 典型ZigBee網絡圖

ZigBee無線監測系統是基于傳感器技術并以ZigBee作為核心的無線數據傳輸網絡.它將ZigBee與傳感器相結合,通過傳感器將各種信號采集并發送到網絡中心節點.監測系統由多個ZigBee節點組成的,每個ZigBee節點都可以對周圍環境數據的信號進行采集、計算以及與其他節點及外界進行通信,從而使得傳感器可以通過協同工作進行高質量的傳感,組成一個容錯性較好的采集系統.由于ZigBee本身所具有的優點,使得整個網絡不必考慮功耗,成本等問題.這種無線監測系統具有維護性好、易擴展等優點,是未來監測系統發展的趨勢.

2 基于ZigBee的煤礦瓦斯濃度監測系統設計方案

基于ZigBee的瓦斯濃度無線監測系統是由多種ZigBee節點組成.ZigBee節點包括協調器、路由器節點、終端采集節點.協調器的作用主要是從各個路由器節點得到的數據以及負責與外界的通信.路由器節點是監測區域的中繼器,主要負責從采集節點接受數據,然后發送至協調器節點.終端采集節點的具體結構如圖2所示,它是由供電模塊、ZigBee模塊、瓦斯傳感器模塊等組成,主要負責整個監測區域瓦斯濃度的監測及上傳.整個網絡采用樹狀網絡,整個網絡節點的中心就是協調器節點.系統沒有最大通信距離的限制,系統具有自動組織功能,某個節點出現故障也不影響網絡運行,保證了數據傳輸的可靠性和系統安全性.眾多的傳感器協同工作組成一個可靠的監測系統.

圖2 采集節點的系統構成

2.1 煤礦瓦斯濃度監測系統硬件設計

監測系統的ZigBee模塊采用Jennic的JN5121芯片,JN5121是一款兼容于IEEE802.15.4的低功耗、低成本無線微型控制器.該模塊內置一款32位的RISC處理器,配置有2.4GHz頻段的IEEE802.15.4標準的無線收發器,64 KB的ROM,96 KB的RAM.JN5121內置的ROM存儲器中集成了點對點通信與網狀網通信的完整協議棧.其內置的RAM存儲器,支持網絡路由和控制器功能而不需要外部擴展任何的存儲空間.由于自帶RISC處理器和存儲模塊,使得整個監測系統節點不需單獨外接CPU和存儲模塊[3].

協調器節點的硬件設計比較簡單,他主要負責接受處理來自采集節點的數據,整個節點僅包括電源和JN5121模塊.

路由器節點和采集節點的硬件電路類似,只是軟件設計中角色的定義有些差異,負責網絡數據的中繼工作.下面著重介紹采集節點的硬件設計.

數據采集節點的硬件原理圖如圖3所示,傳感器模塊采用KGS-20低功耗瓦斯傳感器.KGS-20具有極高靈敏度和極快的響應速度且低功耗.KGS-20型可燃氣傳感器適用于對瓦斯等可燃氣濃度的檢測,用于瓦斯報警器,可燃氣報警器,瓦斯檢測儀等.該傳感器體積小,耗電低,應用電路簡單,報警濃度為甲烷≥1%,響應時間≤20 s,恢復時間≤30 s,工作溫度范圍-15℃～+50℃,濕度≤97%,靜態功耗為150 mW,報警狀態功耗為300 mW,供電電壓為3～5 V.傳感器敏感組件的電阻RS的變化表現為負載電阻RL上的電壓變化.驅動電壓VH、負載電阻RL以及檢測電壓VD的取值參照公司提供的典型資料,以使傳感器處于最佳工作狀態.低功耗使得KGS-20傳感器完全符合監測系統的需求.

圖3 終端采集節點電路圖

供電電源采用兩節1.5 V堿性電池組成,采用常用的LM1117穩壓芯片.LM1117是一個低壓差電壓調節器系列,其壓差在1.2 V輸出,負載電流800 mA時為1.2 V.LM1117提供電流限制和熱保護,電路包含1個齊納調節的帶隙參考電壓以確保輸出電壓的精度在±1以內,輸出端需要一個至少10 μ F的鉭電容來改善瞬態響應和穩定性.

2.2 煤礦瓦斯濃度監測系統軟件設計

ZigBee的軟件開發可以使用匯編語言和C語言,匯編語言是一種低級語言,功能強大但是編寫不便,C語言是一種面向過程的高級語言,同時具有高級語言和匯編語言的優點.JN5121自帶了CodeblockIDE編輯器,可以對C語言進行編譯并自帶C語言函數庫,本系統的軟件可以通過C語言來編寫.

圖4 協調器節點和采集節點程序框圖

軟件的設計需要根據系統節點的類型來決定.根據系統的硬件設計,監測系統節點分為協調器、路由器和采集節點三種類型.協調器主要負責組建網絡,接受來自于路由器的數據,開啟空閑通道等功能.而路由器與采集節點功能相似,主要負責加入網絡、周期性的發送數據等功能.

程序流程如圖4所示,首先協調器等節點上電初始化整個ZigBee協議棧,再由協調器按照程序指定建立ZigBee網絡,設定PANID,PAN協調器建立網絡后,其他的網絡設備就可以加入網絡了.終端采集節點或者路由器如果需要加入網絡首先要完成自己的初始化過程,經過身份驗證后即可加入網絡,此時PAN協調器將發送一個16位的短地址給節點,作為節點在網絡中的標識.終端采集節點和路由器節點尋找網絡并加入由協調器所建的網絡,然后協調器和終端節點進行Endpoint綁定,分別執行發送數據和接收數據的函數.

3 實驗結果

瓦斯濃度過高對身體會造成一定傷害,礦井瓦斯尤其是采掘工作面的瓦斯濃度不能超過1%,有些地方最高不超過1.5%.因此,井下瓦斯的報警濃度為1%,瓦斯監測系統的規定誤差范圍0.05%,KGS-20傳感器的報警濃度即為1%.在實驗室中采用標準濃度為1%和1.5%的甲烷氣樣,將氣樣導入鋼瓶,然后將傳感器探入,測定氣體濃度.

表1 瓦斯濃度監測結果

基于KGS-20的瓦斯監測系統的監測結果見表1,在5 min的測試中,傳感器測得的瓦斯濃度數據誤差基本小于0.05%.六次實驗的平均誤差僅為0.024%,根據井下瓦斯濃度的標準以及井下瓦斯誤差范圍的規定,系統完全滿足瓦斯濃度監測系統的要求.

4 結束語

本文設計的新型瓦斯斯監測系統具有功耗低的優點,整個節點工作電流≤70 mA,當處于休眠狀態時,電流≤7 μ A,能夠延長系統的工作壽命.同時,采用最新的ZigBee協議棧,使整個系統可以根據具體需要在采集節點上擴充相應傳感器以完成更多數據采集需求.KGS-20具有極高靈敏度和極快的響應速度,其響應時間低于10 s,進一步增強了系統處理突發事件的能力.

[1] 楊博,蕭寶瑾,李亞麗.煤礦溫度和瓦斯濃度無線監測系統的設計[J] .山西電子技術,2009(2):3-4.

[2] 徐志遠,許賀南,凌志浩.JN5121無線控制器的功能剖析及應用探討[J] .自動化儀表,2008,4(5):61-63.

[3] 尹航,張奇松,程志林.基于ZigBee無線網絡的溫濕度監測系統[J] .機電工程,2008,25(11):20-23.