基于無線傳輸?shù)募淄楸O(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

侯佳敏

（同煤集團(tuán)四臺(tái)礦， 山西 大同 037000）

引言

在煤礦安全事故中，瓦斯爆炸為主要的事故類型，這是由于礦井中甲烷氣體的積聚造成的，加強(qiáng)對(duì)甲烷氣體的監(jiān)測，建立有效的甲烷監(jiān)測系統(tǒng)具有重要的作用[1]。由于礦井的地下環(huán)境惡劣，使得傳統(tǒng)的布線式監(jiān)測系統(tǒng)施工難度大，維護(hù)成本高，隨著通信傳輸技術(shù)的發(fā)展，建立基于無線傳輸技術(shù)的甲烷監(jiān)測系統(tǒng)可以大大降低系統(tǒng)的建設(shè)成本，并且在巷道推進(jìn)的過程中，可以快速對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，滿足煤礦的發(fā)展使用[2]。

1 無線傳輸甲烷監(jiān)測系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案

在惡劣的礦井開采條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷氣體的有效監(jiān)測，要求監(jiān)測系統(tǒng)要具備能夠抵抗甲烷氣體高濃度沖擊的性能，保證性能的穩(wěn)定。在監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，采用基于ZigBee 的無線傳輸技術(shù)，要采用無線節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行傳輸[3]，實(shí)現(xiàn)對(duì)甲烷氣體的監(jiān)測，無線節(jié)點(diǎn)采用電池供電的方式，要具有低功耗、低成本的特性，減少系統(tǒng)的維護(hù)。甲烷監(jiān)測系統(tǒng)的整體方案如圖1 所示，系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)、路由器及協(xié)調(diào)器三部分組成。

圖1 甲烷監(jiān)測系統(tǒng)方案原理

傳感器節(jié)點(diǎn)是布置在礦井內(nèi)的傳感器，對(duì)礦井的甲烷氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并輸出相應(yīng)的信號(hào)給單片機(jī)，通過ZigBee 的通信將甲烷的濃度信息傳輸給路由器，路由器實(shí)現(xiàn)通訊距離的增加，保證礦井內(nèi)全部區(qū)域的信號(hào)覆蓋。協(xié)調(diào)器則進(jìn)行ZigBee 甲烷監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。在甲烷監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)施中，應(yīng)合理地布置各節(jié)點(diǎn)組件的位置，保證對(duì)甲烷濃度的監(jiān)測。

2 甲烷監(jiān)測系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)是進(jìn)行礦井內(nèi)甲烷檢測的直接工具，主要包括檢測傳感器、單片機(jī)系統(tǒng)及通信電路。傳感器節(jié)點(diǎn)的單片機(jī)采用低功耗的PIC 單片機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)極低的功耗及接收傳感器信號(hào)的功能，并將相應(yīng)的模擬量信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換發(fā)送。檢測用的傳感器采用智能型的甲烷傳感器，在對(duì)甲烷濃度進(jìn)行檢測時(shí)，常采用的是催化燃燒型傳感器[4]，這種傳感器的價(jià)格便宜，并且適用于礦井的復(fù)雜環(huán)境中，但這種形式的傳感器催化的功耗較高，因此將脈寬調(diào)制電路應(yīng)用到甲烷傳感器上，如圖2 所示，采用鋰電池電源的形式，可以有效地降低傳感器的功耗，實(shí)現(xiàn)甲烷監(jiān)測的需求。通信電路采用CC2530 無線通信芯片，具有較長的傳輸距離及內(nèi)部存儲(chǔ)的功能，可以進(jìn)行傳感器信號(hào)的無線傳輸[5]。

2.2 路由器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

圖2 甲烷智能傳感器原理

在甲烷監(jiān)測系統(tǒng)中，由于礦井巷道的長度較長，并且受地下礦井的遮掩，采用路由器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離，保證將布置的傳感器節(jié)點(diǎn)都有效地進(jìn)行覆蓋，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。路由器節(jié)點(diǎn)的原理如圖3 所示[6]，主要由單片機(jī)系統(tǒng)、通信模塊、紅外解碼電路、報(bào)警電路等部分組成。路由器節(jié)點(diǎn)采用紅外解碼電路進(jìn)行通信模式的標(biāo)定，紅外控制器具有集成性好、功耗低的特點(diǎn)，能夠適應(yīng)高溫高壓、高粉塵的惡劣環(huán)境，并且可以避免其他電氣電路的干擾，能夠有效地適用于礦井開采中。報(bào)警電路可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)有效警示的作用，在甲烷濃度超標(biāo)時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒人員進(jìn)行撤離，報(bào)警電路主要包括蜂鳴器和指示燈，以聲光報(bào)警的方式發(fā)出警示信號(hào)。

圖3 路由器節(jié)點(diǎn)的原理

2.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可進(jìn)行無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的搭建，是整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)終端，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理，并進(jìn)行顯示，可對(duì)危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的原理如圖4 所示，主要包括單片機(jī)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及相應(yīng)的顯示系統(tǒng)等部分。顯示系統(tǒng)包括系統(tǒng)的終端顯示及在礦井內(nèi)不同位置的數(shù)碼管顯示，可以進(jìn)行礦井內(nèi)不同區(qū)域的甲烷濃度的實(shí)時(shí)顯示，在甲烷濃度含量升高時(shí)，起到一定的預(yù)警作用，可以進(jìn)行人員的提前撤離或者采取相應(yīng)的有效措施降低甲烷的濃度，避免濃度超標(biāo)發(fā)生安全事故。

圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的原理

3 結(jié)語

采用智能型的甲烷傳感器，可以進(jìn)一步降低系統(tǒng)的功耗。采用減少系統(tǒng)更換電源的頻率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行甲烷濃度的實(shí)時(shí)檢測，路由器節(jié)點(diǎn)保證無線信號(hào)的覆蓋，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。采用紅外電路標(biāo)定的方式，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并具有聲光報(bào)警的功能。采用協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理及顯示，可以對(duì)甲烷濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，對(duì)甲烷超標(biāo)的危害情況進(jìn)行預(yù)警。采用基于無線傳輸?shù)募淄楸O(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井內(nèi)甲烷濃度的監(jiān)測及顯示，可以有效地預(yù)防因甲烷超標(biāo)產(chǎn)生的安全事故。