基于物聯網的煤礦粉塵濃度監測系統的設計

郭春雨

（華北科技學院，河北 廊坊065201）

粉塵是煤礦五大災害之一，粉塵會影響井下工作人員身體健康、濃度達到一定值會引發粉塵爆炸也會縮短機器壽命。隨著煤礦機器化大幅度提高，粉塵危害在煤礦企業工作中帶來的問題日益突出。為防止粉塵帶來的危害，其濃度值的準確測量十分重要。人們最近幾年對粉塵檢測技術一直都比較關注。世界各地對粉塵檢測都做了大量的研究工作，研制了許多粉塵檢測儀器，但都無法克服上述難題，我國對粉塵檢測和防治技術與國外發達國家尚存在一定的差距。基于稱重法的粉塵濃度采樣器檢測精度最高，但需要經過一系列復雜采樣、稱重、烘干過程，所有更不能實時反映粉塵在井下污染狀況。物聯網技術的很快發展為粉塵監測提供了新的技術研究方向，基于這樣研究現狀而設計了基于物聯網的粉塵濃度監測系統。

1 硬件設計

該基于物聯網的粉塵監測系統是以5G 技術和工業以太環網為基礎網絡，利用Zigee 技術做終端采集部分，利用5G 和以太網技術等構建的“有線+無線”粉塵物聯網信息感知系統，從而建立井上/下高速信息網絡平臺，其主要特點是采用環行總線結構，兼容井下無線傳輸節點、多種數據傳輸模式。實現井下數據被遠程技術人員隨時隨地的了解從而避免粉塵危害的發生。其系統結構如圖1 所示。

圖1 基于物聯網的粉塵監測系統結構

1.1 粉塵傳感器節點設計

本項目粉塵傳感器系統主要由電源電路、CPU 電路、無線收發模塊電路、LCD 液晶顯示電路、按鍵電路、信號檢測電路和粉塵傳感器探頭電路等組成，其結構示意如圖2 所示。單片機實現鍵盤輸入、LCD 顯示、粉塵濃度檢測、無線通信的控制等功能。該模塊具有檢測精度高、性能穩定可靠、結構緊湊、使用方便等特點，通過實驗室功能測試，工作穩定。

圖2 粉塵傳感器節點

1.2 粉塵傳感器的選取和CC2530 無線收發模塊設計

本設計采用的采用傳感器為ZH03BMOKU 模塊，利用米氏射散原理對井下粉塵顆粒物進行精準檢測，對小顆粒分別直徑0.3μm，測得數據準確、響應及時、功耗較低。通過圖3 中CC2530 芯片的7 引腳和8 引腳分別接傳感器的采集數據的模擬信號，再將電信號進行放大檢波變成模擬直流信號，直流信號經AD 轉換數字信號經單片機進行處理得出出實時的粉塵濃度值。

圖3 CC2530 無線收發模塊

設計的CC2530 核心電路如上圖3 所示。CC2530 芯片有一個32.76KHz 低速晶振，本系統電路中，使用兩個負載電容C23和C24 以及32MHz 晶體振蕩器構成32MHz 晶振。可以在芯片為睡眠狀態時關閉芯片內部的部分電路，并以極低的頻率工作，使芯片的功率損耗降到最低。CC2530 自帶射頻功能，所以不需要外接額外的射頻芯片。27 腳和28 腳是射頻收發引腳，接2.4GHz 無線收發電路，由電容和電感組成濾波器。antenna 是天線，本系統在PCB 設計中選擇倒F 天線設計是一種非平衡天線，所以需要用電容、電感來達到最佳傳輸效果

2 軟件總體設計

基于ZigBee 無線傳感器網絡的粉塵檢測模塊采用Keil 軟件編程設計，本次設計程序由主程序、按鍵輸入模塊、參數標定模塊、液晶顯示模塊、粉塵測量模塊和ZigBee 無線通信模塊等。單片機啟動在液晶屏上顯示開機信息保證機器正常工作，然在硬件上進行設置，分別設定標定和測量的兩模式。“標定”模式下，單片機在按鍵控制下采集標定曲線數據，為粉塵濃度等參數的精確測量提供基準參考數據；在“測量”模式下，單片機進行采集、計算、顯示測量結果，最后將測量結果通過CC2530 無線收發器傳送給協調器節點，并由協調器節點統一將信息上傳光纖環網，遠程供監控計算機分析、處理。系統軟件主程序流程如圖4 所示。

圖4 主程序流程圖

3 系統調試

系統總的調試主要包括硬件調試和軟件調試，硬件上主要是采集模塊和移動節點的調試，采集模塊主要針對采集準確度的調試，節點硬件大部分都是數字電路，調試比較方便直觀，出現硬件故障也少。軟件的調試主要包括各模塊的調試、數據采集測試、協議棧的測試、數據存儲部分調試。對同一測試點位多次測量取平均值保證數據的準確性。圖5 是最終實物圖，通過粉塵探頭采集當前環境的數據，采集的數據在節點上顯示出來，并通過ZigBee 無線功能將數據傳到上位機。

圖5 硬件電路圖

結束語

在消化吸收了國內外先進的粉塵監測技術的基礎上，綜合利用單片機技術和傳感器監測技術、無線通信技術及信息處理技術，設計了基于物聯網的粉塵監測系統，實現了對井下粉塵濃度參數的實時、可靠監測，監測數據自動上傳，危險數據的及時上報和處理，克服了傳統粉塵有線監測系統存在的諸多不足。