基于nRF905的煤礦瓦斯監測系統設計*

劉剛，段朝偉，楊金生

(1.河南機電高等專科學校，河南新鄉453000;2.中油管道檢測技術有限責任公司，河北廊坊065000)

基于nRF905的煤礦瓦斯監測系統設計*

劉剛1*，段朝偉1，楊金生2

(1.河南機電高等專科學校，河南新鄉453000;2.中油管道檢測技術有限責任公司，河北廊坊065000)

針對于目前煤礦安全生產中的瓦斯監測問題，設計了以無線射頻芯片nRF905為核心以ATmega128為控制器的的煤礦瓦斯監測系統。該系統負責對礦井下各個區域的瓦斯濃度進行數據采集，并通過nRF905將數據發送到服務器進行分析存儲，發現數據異常及時聲光報警。該系統具有較高的檢測靈敏性，為提高煤礦安全開采和保證人員安全具有十分重要的意義。

瓦斯監測;煤礦安全;nRF905;ATmega128;無線傳感器網絡

近幾年來，我國年度礦難事故雖然呈逐年下降趨勢，但是，死亡人數在10人以上的礦難中，70%是由于瓦斯爆炸造成的。因此瓦斯爆炸的預防是煤礦安全生產中一個急需解決的問題［1-2］。瓦斯在煤體或圍巖中是以游離狀態和吸著狀態存在的，且礦洞中地勢復雜。傳統的瓦斯監測系統采用有線方式，造成安裝、維護成本比較高，且容易受作業環境影響，信號傳輸質量較低［3-5］。

基于以上原因，本文采用低功耗單片機AT-mega128為核心，采用射頻芯片nRF905，構成無線瓦斯傳感器節點，通過無線傳輸的方式對煤礦多點進行監測，簡化了信號線的連接，降低干擾，能夠對礦井下多點進行瓦斯監測。

1 系統的總體結構和工作原理

本設計集成了瓦斯信號檢測、射頻發送與接收、聲光報警、數據儲存于分析等多個功能模塊。本系統是以總體結構框圖如圖1所示。整個系統是由多個瓦斯監測節點和一個系統主機構成的。瓦斯監測節點負責監測瓦斯含量和無線數據發送;系統主機負責與各個節點數據通信，并且通過RS-232串口將數據上傳至上位機。

圖1 煤礦瓦斯監測系統結構框圖

2 系統硬件設計

從功耗、體積、運行速度等方面考慮，主控制器采用美國ATMEL生產的ATmega128單片機。AT-mega128具有先進的RISC結構，16 kbyte字節的系統內可編程Flash，512 byte的EEPROM，抗干擾，保密性強等特點。

射頻部分采用挪威Nordic公司的射頻芯片nRF905。nRF905可以通過軟件配置工作在433 MHz、868 MHz、915 MHz這3個ISM頻段。該芯片最高工作速率可達50 kbit/s，具有高效GFSK調制，抗干擾能力強，特別適合工作在礦井中。工作電壓范圍為1.8 V～3.6 V，待機模式下電流僅為2.5μA功耗極小。nRF905通過SPI總線與ATmega128連接。

瓦斯傳感器采用對瓦斯具有較好靈敏度的MQ-5。MQ-5是以金屬氧化物SnO2為主體材料的N型半導體氣敏元件，當MQ-5接觸到瓦斯時，其電導率隨氣體濃度的增加而迅速升高。電路如圖2所示。

圖2 單片機與MQ-5硬件電路連接圖

瓦斯監測系統檢測到某點瓦斯濃度超標時系統節點發出聲光報警，Atmega 16單片機的PD6接蜂鳴器，PB1連接報警發光二極管。當發生異常時，蜂鳴器聲音報警、發光二級管閃爍報警。

3 軟件系統設計

針對所述的硬件設計，結合煤礦井下瓦斯信息采集時間間隔短、單次數據傳輸量少的特點，軟件部分分為上位機軟件和下位機軟件。

3.1 下位機軟件程序

圖3 程序流程圖

下位機軟件流程圖如圖3所示，分為數據發送部分和數據接收部分。瓦斯監測節點在啟動后，對單片機和nRF905進行初始化，瓦斯傳感器對所在區域進行監測，當探測到有瓦斯氣體溢出時，AT-mega128會把監測節點的節點編號和瓦斯濃度數據打包通過nRF905發送出去。數據發送成功后，清零發送使能位，進入到下一次數據發送循環。數據接收部分的程序負責接收數據，接收到的數據通過串口發送到上位機中進行存儲和處理。

在瓦斯監測系統中，多個瓦斯傳感器發送節點與一個接收節點進行通信。如果沒有良好的通信協議，多個發送節點同時發送數據會致使通信沖突，導致信道阻塞，數據包丟失。為了避免這種情況的發生，本系統采用基于隨機競爭類的MAC通信協議，各個瓦斯傳感器發送節點通過競爭的方法獲得信道。本設計采用MAC協議中得CSMA/CA協議實現方式具體分為4個步驟:

(1)當發送節點需要給接收節點發送數據時，先監聽信道1 ms，如果信道空閑則獲得信道的使用權，此時發送節點發出一幀請求發送命令幀RTS。

(2)接收節點接到某個發送節點的請求發送命令幀RTS后，則向該發送節點發送清除發送命令幀CTS。

(3)此時與接收節點通信的發送節點接收到清除命令幀CTS后，可以確認通信連接已經建立，則開始將采集到的瓦斯濃度發送到接收節點。如果發送節點沒有收到CTS，該發送節點則需要等待從新發送RTS。

(4)接收節點在接收到數據后，再次發送數據確認命令幀ACK。發送節點收到ACK后完成當前通信［6-9］。

3.2 上位機程序設計

接收節點在接收到有效的數據后，通過串口發送到上位機中，上位機采用VB構建了一個瓦斯監測軟件平臺。此監測平臺可以迅速查詢各個瓦斯傳感器節點所在區域的瓦斯濃度。瓦斯監測軟件平臺包括串口通訊，人機交互界面，瓦斯濃度數據的計算和存儲等功能。

4 實驗結果分析

4.1 瓦斯傳感器靈敏度測試

靈敏度是無線傳感器重要性能指標之一。礦井下地勢復雜，瓦斯傳感器所監控區域瓦斯濃度達到5%時，煤礦工人就需要馬上停止工作。瓦斯傳感器的特性范圍是0.005至0.018，表1所示在瓦斯濃度低于5%時傳感器不會報警，當瓦斯濃度高于5%時報警，經測試符合系統設計要求。

表1 MQ-5靈敏度測試表

4.2 瓦斯傳感器通信距離測試

瓦斯傳感器的通信距離是隨著發射功率增大而增大，同時通信距離越遠，瓦斯傳感器的功耗也就越大。在無障礙物的空地和礦井下測試分別瓦斯傳感器的通信距離，瓦斯傳感器使用5V鋰電池供電，測試條件為發射功率分別為-10 dm、-1 dm、5 dm、10 dm，頻率波段設置為433 MHz的ISM頻段。通過使用激光測距儀得到在復雜環境下、不同功率下得最大通信距離，如表2所示。

表2 通信距離測試表

4.3 瓦斯傳感器功耗測試與丟包率測試

2010年12月，利用本文中的瓦斯監測系統，在河南平頂山某煤礦進行WSN組網測試，測試礦井中6個工作區域的瓦斯濃度。瓦斯傳感器節點的功耗是與單位時間所發數據包個數的成正比的，瓦斯傳感器節點和所發數據包個數的關系如圖4所示。

圖4 瓦斯傳感器節點功耗實驗圖

通過對實驗數據進行整理統計，丟包率測試結果如表3所示。整個網絡的丟包率僅為0.88%。

表3 瓦斯傳感器節點丟包率

根據上面幾個試驗所得結果，正式本文所設計的煤礦監測系統能夠基本滿足礦井下瓦斯濃度采集的需要和數據處理和存儲，可靠性高，符合項目要求。

5 結論

本文設計的煤礦監測系統將無線傳感器技術應用于礦井下的瓦斯監測，實現數據的無線傳輸，減少了線路連接的復雜程度，可以靈活配置網絡結構。礦井中的巷道是隨著煤礦采集的進度而隨時改變的，該系統可以隨時增加、減少或移動瓦斯傳感器節點的，節省煤礦采集成本。

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Design of Gas M onitoring System Based on nRF905*

LIU Gang1*，DUAN Chaowei1，YANG Jinsheng2

(1．Henan Mechanical and Electrical Engineering College，Xinxiang Henan453000;China; 2．China Petroleum Pipeline Bureau，Langfang Hebei065000，China)

According to the problem of gasmonitor in coalmine production，this paper puts forward a kind of gas monitoring system which based on nRF905 and ATmega128.It can measure gas density in coalmine and send the data to host computer by nRF905.When abnormal circumstance happens，it can announce people to stop work and leave coalmine by sound and light alarm.In the gasmonitoring，the system has higher sensitivity，It is very important for improvingmine production and for workers to secuse their personnel safety.

gasmonitoring;mine safety;nRF905;ATmega128;WSN

10．3969/j．issn．1005－9490．2013．01．014

TD712．3

A

1005－9490(2013)01－0061－03

項目來源:河南省教育廳自然科學研究計劃項目(2011B470002)

2012-08-28修改日期:2012-09-20

EEACC:7200;7430

劉剛(1981-)，男，漢，河南新鄉，助教，碩士，主要從事自控設備的研究與設計。就職于河南機電高等專科學校自控系，79046248@qq.com。