一種精確節(jié)能型無線瓦斯傳感系統(tǒng)的研究

袁　斌　朱正偉　周謝益

(常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常州　213164)

一種精確節(jié)能型無線瓦斯傳感系統(tǒng)的研究

袁斌朱正偉周謝益

(常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常州213164)

摘要：為了準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)煤礦采煤點(diǎn)瓦斯含量，采用鋰電池供電的瓦斯傳感器對(duì)采煤點(diǎn)進(jìn)行多點(diǎn)監(jiān)測(cè)。一方面考慮到監(jiān)測(cè)點(diǎn)環(huán)境惡劣，容易引起監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)失真，從硬件上進(jìn)行了溫度補(bǔ)償，從軟件上通過肖維涅準(zhǔn)則對(duì)粗大誤差進(jìn)行處理，保證了測(cè)量精度；另一方面為了延長(zhǎng)瓦斯無線測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的有效生命周期，采用低功耗自適應(yīng)分層路由協(xié)議(LEACH)，依據(jù)瓦斯含量的變化規(guī)律，利用非均勻分簇，由距離基站遠(yuǎn)的簇首通過雙跳通信傳送數(shù)據(jù)。通過試驗(yàn)可知：網(wǎng)絡(luò)生命有效周期提高了33.3%。

關(guān)鍵詞：瓦斯傳感無線通信節(jié)能型誤差處理分層路由實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度補(bǔ)償生命周期低功耗自適應(yīng)

0引言

我國是煤炭生產(chǎn)大國，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，仍將保持以煤炭為主的能源格局。瓦斯爆炸作為最嚴(yán)重的礦井事故之一[1]，給國家和煤礦工人帶來了無法彌補(bǔ)的損失。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，只要有一個(gè)煤(巖)層出現(xiàn)瓦斯，即定為瓦斯礦井，我國95%以上的煤礦是瓦斯礦井，其中將近一半是高瓦斯礦井。由于瓦斯含量達(dá)到5%～16%時(shí)就有爆炸危險(xiǎn)，因此對(duì)礦井采煤點(diǎn)瓦斯含量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。一般情況下，監(jiān)控范圍為0～4%[2]。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的一種精確節(jié)能型無線瓦斯傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在礦井采煤現(xiàn)場(chǎng)布置了多個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)，如在每個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)采用固定電源供電，會(huì)大幅增加布線成本、干擾采煤現(xiàn)場(chǎng)工作，因此除了基站以外的其他節(jié)點(diǎn)采用鋰電池供電，底層通信采用無線通信[3]。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

測(cè)量節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　瓦斯測(cè)量節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

節(jié)點(diǎn)處理測(cè)量數(shù)據(jù)后發(fā)送給簇首，簇首再匯總發(fā)送給基站。基站與網(wǎng)關(guān)相連接，通過以太網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳送到控制中心服務(wù)器，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。如果經(jīng)常單個(gè)或少數(shù)地更換測(cè)量節(jié)點(diǎn)供電電池，會(huì)大幅增加人力成本。因此，提高無線測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的有效生命周期和均衡各節(jié)點(diǎn)的能量消耗成為研究的重點(diǎn)[4]。

2信號(hào)測(cè)量和誤差處理

2.1瓦斯信號(hào)的測(cè)量及溫度補(bǔ)償

當(dāng)前瓦斯含量測(cè)量一般采用催化燃燒法、氣敏半導(dǎo)體法和光干涉法等，其中催化燃燒法傳感器具有價(jià)格低廉和測(cè)量精度高的特點(diǎn)，應(yīng)用普遍。催化燃燒一般采用惠斯頓單臂電橋電路[5]。

溫度補(bǔ)償電路如圖3所示。

圖3　溫度補(bǔ)償電路

圖3所示的電路中，R1、R3的電阻值相同，R2為阻值較小的可調(diào)電阻，主要用于手工微調(diào)零。在新鮮空氣條件下(瓦斯含量為0)，黑白元件的電阻值相同，則U0兩端電壓值均為U1/2，所以U0值為0。黑元件最里層為鉑絲線圈，外層為催化外殼。鉑絲線圈通電發(fā)熱維持催化燃燒反應(yīng)需要的溫度，使瓦斯在元件表面發(fā)生無焰燃燒，釋放出熱量使元件溫度升高、阻值上升；而白元件R4的電阻值不變，U0左端電壓上升， 則U0大于0。在一定條件下，U0值的大小與外界瓦斯含量成正比[6]。

傳感器工作環(huán)境溫度變化大，當(dāng)溫度升高時(shí)，R4的電阻值也隨著溫度的上升而上升。在瓦斯含量一定的情況下，黑元件的電阻值不變，而R4的增加降低了黑元件上的壓降，使U0值下降，影響了測(cè)量精度。R6、R7、V1構(gòu)成了溫度補(bǔ)償電路：通過選定R6、R7的電阻值，使流過晶體管V1基極的電流遠(yuǎn)小于流過R6、R7的電流值。

(1)

惠斯頓電橋端的電壓U1為：

(2)

Ube隨溫度的升高而減小，U1值增大，促使U0值微增，實(shí)現(xiàn)了溫度補(bǔ)償。

2.2粗大誤差處理

在測(cè)量過程中，由于外部環(huán)境的突變或測(cè)量?jī)x器電路間歇性振蕩、接觸不良、工作不穩(wěn)定等原因影響了測(cè)量結(jié)果，而產(chǎn)生粗大誤差時(shí)，該測(cè)量值應(yīng)予以刪除[7]。

例如：瓦斯含量測(cè)量10次，測(cè)量結(jié)果分別為：x1=0.85%,x2=0.81%,x3=0.87%,x4=0.35%,x5=0.91%,x6=0.77%,x7=0.75%,x8=0.93%,x9=0.76%,x10=0.75%。其中的x4極有可能是粗大誤差。

由于測(cè)量次數(shù)較少，根據(jù)肖維涅準(zhǔn)則刪除粗大誤差。系統(tǒng)按以下步驟處理。

v=σ×p(10)=0.163%×1.93=0.319%

(3)

0.425%>0.319%

(4)

v=σ×p(10)=0.07%×1.92=0.134%

(5)

由于各測(cè)量值均在0.822%±0.134%范圍內(nèi)，則認(rèn)為已不存在粗大誤差，測(cè)量值為0.822%。

3無線通信節(jié)能性研究

3.1分層路由協(xié)議的優(yōu)化

無線通信路由協(xié)議從網(wǎng)絡(luò)組織形式上分為平面路由協(xié)議、分層路由協(xié)議和位置路由協(xié)議。

平面路由協(xié)議認(rèn)為所有節(jié)點(diǎn)具有相同的功能或承擔(dān)相同的角色；基于位置的路由協(xié)議依靠節(jié)點(diǎn)的位置信息進(jìn)行路由決策。分層路由協(xié)議認(rèn)為不同的節(jié)點(diǎn)在路由過程中承擔(dān)不同的角色，它把節(jié)點(diǎn)分成許多簇，簇首匯總本簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)傳感信息，匯總后發(fā)給基站。與平面路由協(xié)議各節(jié)點(diǎn)獨(dú)自向基站發(fā)送數(shù)據(jù)相比，分層路由協(xié)議能夠大幅減少數(shù)據(jù)在無線媒介中的傳播，降低了能耗[8]。

低功耗自適應(yīng)分層路由協(xié)議 (low-energy adaptive clustering hierarchy,LEACH)是最具啟發(fā)性的路由協(xié)議。該協(xié)議結(jié)合了時(shí)分多址 (time division multiple access,TDMA)式的無競(jìng)爭(zhēng)接入和無線傳感網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks,WSN)中的分簇思想，一個(gè)簇由一個(gè)簇首和若干個(gè)普通節(jié)點(diǎn)組成。LEACH協(xié)議由兩個(gè)階段循環(huán)運(yùn)行：簇的建立階段和穩(wěn)定階段。在簇的建立階段，由于簇首的能量消耗遠(yuǎn)大于普通節(jié)點(diǎn)，為了使各節(jié)點(diǎn)的能量消耗均勻，LEACH協(xié)議采用了各節(jié)點(diǎn)輪換充當(dāng)簇首。在穩(wěn)定階段，普通節(jié)點(diǎn)只與簇首通信，在每一幀內(nèi)，各節(jié)點(diǎn)按照簇首安排的時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)，其他時(shí)間除了感知測(cè)量數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)，大多處于休眠狀態(tài)。簇首除了接收各節(jié)點(diǎn)的發(fā)送數(shù)據(jù)外，還要把接收數(shù)據(jù)打包發(fā)送給基站。礦井采煤現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)瓦斯含量的節(jié)點(diǎn)比較分散，有些節(jié)點(diǎn)距離基站遠(yuǎn)，直接向基站發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生的能耗很大，極易由于供電電池能量耗盡而提前死亡。

(6)

式中：Et為節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)總能耗；Ee(n)為發(fā)射n比特?cái)?shù)據(jù)發(fā)射電路功耗；Ea為發(fā)射n比特?cái)?shù)據(jù)功率放大功耗；Ee為發(fā)射每比特?cái)?shù)據(jù)電路功耗；ef和em為自由空間傳輸系數(shù)和多路徑衰減傳輸系數(shù)；d為無線通信距離；d0一般為75 m左右。

由式(6)可見，當(dāng)通信距離大于75 m時(shí)，通信能耗衰減系數(shù)為4，能耗極大。為此，對(duì)常規(guī)LEACH協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)通信距離大于75 m的簇采用雙跳或多跳通信。

靠近基站的簇，其簇首既要接收簇內(nèi)數(shù)據(jù)并處理后發(fā)送，又要轉(zhuǎn)發(fā)遠(yuǎn)距離簇的測(cè)量數(shù)據(jù)，能量消耗大，易提前死亡。在LEACH優(yōu)化協(xié)議的基礎(chǔ)上，把靠近基站的簇分得小一點(diǎn)，距離基站遠(yuǎn)的簇分得大一點(diǎn)，減少了距離基站近的簇首處理本簇?cái)?shù)據(jù)的能耗。

3.2優(yōu)化協(xié)議試驗(yàn)

在150 m×200 m采煤現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，分布有20個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)。首先，采用常規(guī)的LEACH通信協(xié)議，將測(cè)量節(jié)點(diǎn)均勻分為4個(gè)簇，每個(gè)簇5個(gè)節(jié)點(diǎn)，各個(gè)簇的簇首直接與基站通信，普通節(jié)點(diǎn)每30 s(實(shí)際應(yīng)用中可以延長(zhǎng)發(fā)送時(shí)間間隔)向簇首發(fā)送一次測(cè)量數(shù)據(jù)。然后，根據(jù)節(jié)點(diǎn)分布的實(shí)際情況優(yōu)化LEACH協(xié)議，如圖4所示。圖4中，同樣分為4個(gè)簇，靠近基站的簇，每個(gè)簇具有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，距離基站遠(yuǎn)的簇，每個(gè)簇具有6個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖4　優(yōu)化LEACH協(xié)議設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)距離簇首通過鄰近基站簇的簇首向基站轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。剩余有效節(jié)點(diǎn)對(duì)比如圖5所示。

圖5　剩余有效節(jié)點(diǎn)對(duì)比圖

由圖5可知，在常規(guī)LEACH協(xié)議中，出現(xiàn)第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)的時(shí)間是第15天，假定死亡節(jié)點(diǎn)超過3個(gè)即網(wǎng)絡(luò)失效，則網(wǎng)絡(luò)有效生命周期是30天。在優(yōu)化LEACH協(xié)議中，出現(xiàn)第一個(gè)死亡節(jié)點(diǎn)的時(shí)間為第30天，比常規(guī)LEACH提高一倍；網(wǎng)絡(luò)有效生命周期為40天，比常規(guī)LEACH提高33.3%。這主要是因?yàn)閮?yōu)化后的LEACH協(xié)議針對(duì)采煤現(xiàn)場(chǎng)的分布節(jié)點(diǎn)，使各節(jié)點(diǎn)能量消耗更趨均衡。

4結(jié)束語

通過對(duì)瓦斯含量測(cè)量電路的溫度補(bǔ)償和測(cè)量粗大誤差的處理，提高了測(cè)量精度和穩(wěn)定性；通過對(duì)無線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的進(jìn)一步優(yōu)化，延長(zhǎng)了無線測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的有

效生命周期，減少了頻繁更換鋰電池的次數(shù)。礦井瓦斯含量的實(shí)時(shí)、精確測(cè)量對(duì)保障礦工人身安全和煤礦生產(chǎn)具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳林星.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009:20-35.

[2] WANG X D, QIN B Q, GAO G, et al.Phytoplankton community from Lake Taihu, China, has dissimilar responses to inorganic and organic nutrients[J].Journal of Environmental Sciences,2010,22(10):1491-1499.

[3] 李文軍，樂小琴，沈曉星，等.工業(yè)儀表無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)

計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化儀表，2012，33(4):27-29,34.

[4] 伍瀉潔，黃文愷，吳鴻碧.Zigbee無線技術(shù)在輸液車間自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表，2014，35(4):49-52.

[5] SINGH S,RAGHAVENDRA C.PAMAS: Power aware multi-access protocol with signaling for ad hoc networks[J].SIGCOMM Computer Communications Review,1998,28(3),5-26.

[6] 趙淳臣，王亞剛，王凱.基于Zigbee協(xié)議的無線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2013,34(2):89-91.

[7] 李文仲，段朝玉.Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007:3-13.

[8] 李秋江，韋衛(wèi)，賀志強(qiáng).網(wǎng)絡(luò)處理器體系結(jié)構(gòu)分析[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2004(5):135-138.

ResearchonanAccurateEnergySavingWirelessGasSensingSystem

Abstract：For accurately monitoring the gas content at coal mining points in real time, the lithium battery powered gas sensors are adopted for multi-point gas monitoring.Considering the harsh environment of the coal mining points, the detected data may be distorted, the temperature compensation is conducted in hardware; and the gross error is processed through Chauvenet guideline to ensure the measurement accuracy.In addition, in order to extend the effective lifecycle of the gas sensing wireless network, the low energy adaptive clustering hierarchy (LEACH) protocol is adopted, the cluster head which is far away from the base station may transmit the data via double hop communication in accordance with the variation of gas content and using non-uniform clustering.The tests verify the effective lifecycle of network increases by 33.3%.

Keywords:Gas sensingWireless communicationsEnergy savingError handlingHierarchical routingReal-time monitoringTemperature compensationLife cycleLow power consumptionSelf adaption

中圖分類號(hào)：TH7;TP393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201606015

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：51176016)；

江蘇省科技支撐計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：BE2013005-3)。

修改稿收到日期：2015-09-02。

第一作者袁斌(1974-)，男，1998年畢業(yè)于江蘇石油化工學(xué)院化工工藝專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，工程師；主要從事工業(yè)儀表和測(cè)控系統(tǒng)方向的研究。