礦用無線一氧化碳傳感器的設計與實現

申玉玲

（山西工程職業學院 山西 太原 030000）

0 引言

一氧化碳屬于無色無味氣體，可燃可爆，在煤礦生產中是一個重要的監測項目，直接決定煤礦的安全性[1-3]。一氧化碳具有毒性，在進入人體以后會在循環系統中結合血紅蛋白，從而引發窒息死亡。在井下作業環節，尤其是打孔鉆孔時，很容易引發大量一氧化碳泄漏[4]。在相關統計中也可以證實，一氧化碳濃度過高是引發礦井自燃的重要成因[5-6]。所以，能否及時檢出礦井中的一氧化碳氣體，直接決定礦井生產的安全性。

1 礦用無線一氧化碳傳感器的設計意義

在我國的《礦井安全規程》當中對于一氧化碳傳感器的安裝做出了明確的規定和要求，例如進風巷、回風巷以及采空區都需要裝設一氧化碳傳感器，如果一氧化碳在空氣中的質量濃度高于24 mg/L，則必須停止生產進行排風[7]；在自然發火危險性較高的礦井中則需要對一氧化碳質量濃度進行定期檢測，以避免出現自燃事故[8-9]。當前我國礦井中應用一氧化碳傳感器的類型大多為半導體、電化學一氧化碳傳感器，而紅外一氧化碳傳感器在近年來也得到了推廣[10-12]。半導體傳感器應用半導體熱敏元件來進行檢測，大多應用在民用場景當中，但是檢測精度不高；而電化學一氧化碳傳感器則是通過化學能向電能的轉化來完成檢測的，該設備的檢測精度較高，成本適中，因而在工業領域的應用較為廣泛；而紅外一氧化碳傳感器則是基于一氧化碳對于紅外光譜選擇吸收性原理而制成的傳感器設備，這種設備具有較高的測量精度，但是售價較高，且容易受到環境溫濕度的影響。對于目前的礦井安全監控系統來說，多數傳感器依然應用線路來進行數據傳輸，所以在傳感器安裝的同時也要做好各種線纜的鋪設。然而井下生產環境惡劣，很容易由于各種原因導致通信線纜斷裂，進而形成傳感器故障，在這種情況下，地面工作人員也就無法及時掌握井下一氧化碳濃度，可以說這對于生產的安全進行非常不利。

2 傳感器工作原理分析

2.1 電化學檢測原理

電化學檢測元件當中為檢測起到作用的是微燃料化學物質，一旦一氧化碳向傳感器內部擴散[13]，元件的輸出端就會檢測電流，通過對電流的判斷，就可以完成對一氧化碳濃度的檢測。在正常情況下，電化學檢測設備當中應用的是三極性檢測，三極性分別是指參考電極、感應電機以及對電極[14]。電極容易對一氧化碳的反應形成催動作用，一氧化碳和水經過反應就會生成二氧化碳、氫氣以及電子。感應電極端所形成的物質也會向電極端轉移，并且和電極端之間形成氧化反應，生成水。

在上述反應過程中，氧氣在這個過程中是必要的，氧氣可以將一氧化碳轉化為二氧化碳，其中電化端的催化作用也極為關鍵，但是并沒有物質在這個過程中被消耗[15]。但是如果環境中一氧化碳濃度過高，工作電極一側就會由于極化效應的出現，而導致其電位偏離正常水平，從而影響催化能力的發揮。對于這個問題，可以結合參考電極，確定具體的恒定點位，而避免和催化劑反應以消耗催化劑，同時還能提高輸出信號的準確性。所以，只要將電阻設備串聯到兩電極端，之后對電路進行放大，就可以完成電流值的獲取。在一般情況下，一氧化碳質量濃度、電流之間的關系成正比，因此可以經由數據擬合處理來估測一氧化碳的濃度情況。

2.2 壓力和溫度補償

基于電化學原理設計的一氧化碳傳感器一旦投入使用，即便沒有檢測出一氧化碳，感應器電極端也會不間斷產生微弱信號[16-18]，這就需要進行必要的調校，讓其歸零復位。但是隨著環境溫度的不斷變化，感應電極端輸出信號也會發生變動，所以如果簡單調零則依然無法確保數值的真實性。在一般情況下，溫度補償大致可以分為兩種方式，分別是硬件補償和軟件補償，在傳感器內可以在溫敏元件附近安裝相應的芯片來進行測溫，不同一氧化碳濃度下，元件的溫度也會發生相應的變化，確定其中的線性關系即可完成數據的分析和處理，并且建立模型來修正溫度。

電化學傳感器對于一氧化碳質量濃度的檢測實際上也容易受到空氣壓力變化的影響，如果空氣壓力出現了瞬間變化，就會縮減元件輸出峰值信號，這樣就需要讓檢測元件能夠直接檢測外部空氣，確保內外壓力保持一致。但是這種設備的設計并不具備內外通風性，因而也需要設計壓力傳感器，來檢測內外部氣壓的變化情況，同時擬合各種條件下的測試信息，來取得相應的變化函數模型補償壓力參數。

2.3 無線通信原理

礦井下的工作環境較為惡劣，和普通的工作環境相較而言，其內部空間狹窄，設備密度大，數量多，同時多粉塵、潮濕，尤其是在掘進工作面，這些特征尤為明顯。對于井下工作環境，選用無限傳感器即可規避復雜的布線工作。目前應用較多的無線傳感技術有RFID、Wi-Fi 以及ZigBee，但是這些無線傳感技術都會受到物理遮蔽的影響，并不適用于井下工作面。WaveMesh 無線網絡技術屬于先進分布式網絡，無論是網絡層協議還是鏈路層協議都已經趨于完善，物理層調制方式也不會對其造成影響，因而得到了迅速的發展和普及，可以在井下工作環境的應用中取得較好的效果。

WaveMesh 網絡中的所有節點均具備同等的休眠和路由能力，組網方式更加靈活，功耗較低，有著更可靠的傳輸手段。即便其中某個節點存在故障而失靈，也可以在調頻路由的支持下實現再組網，設備具有極強的抗干擾能力，保證無線網絡在任意時刻均能夠處于最佳狀態，在特殊工作環境下適應性更強。

3 傳感器方案設計情況

3.1 傳感器總體設計

3.1.1 傳感器主要組成

從結構上來看，一氧化碳傳感器包括ARM 傳感器和承擔各種功能的電路，如圖1 為傳感器整體結構示意圖。

3.1.2 工作原理

本設備對于感應器的供電主要通過鋰離子完成，鋰離子設備的特點在于具有極高的單體電壓，同時使用壽命較長，這些都給使用帶來了一定的便利。在芯片設備的選型方面，可選用低功耗型號，這類設備具有間歇休眠的功能，可以進一步控制耗電量。如果電池電量低，電池的電壓處于較低水平，就會立即將相關信息通過安全監控網絡提交給工作人員，讓其更換新電池。在一氧化碳濃度數據采集完畢之后，即可將信號經過放大處理，交由單片機檢測，從而獲取濃度數值，將信息通過網絡上傳到本地設備上供人查閱。另外，還可以將各種信息上傳到上級監測分站，之后在數據庫中進行儲存，一旦檢測一氧化碳濃度超過報警閾值即可自動報警。

3.2 電路設計

圖2 為一氧化碳傳感器電路圖。該一氧化碳信號采集電路當中的功能包較為多樣，經過對信號的一系列處理之后，再把電壓信號輸出。檢測元件參考電極可以讓穩定感應電極電動勢，只要保證二者之間沒有電流，即可讓其電壓可以保持穩定，即便電極出現極化也不會干擾感應電機。應用場效應管來控制參考電極和感應電極之間的通斷，可以進一步提高電路結構功能的完整性，在傳感器靜止狀態下，可以讓兩電極保持連通。一旦開始工作，就關斷這兩個電極之間的連接，從而避免其接觸一氧化碳，進而保護檢測元件。從電流強弱上來看，電化學檢測元件輸出信號的電流較低，這就需要將小電阻接入到電路當中，完成信號采樣，之后將所采集到的信號在放大電路當中完成擴大，再在濾波器當中濾除雜波，這樣即可將處理完畢的信號傳輸到采集端。

3.3 溫度補償設計

如果外界環境溫度發生變化，那么傳感器檢測元件也會出現相應的變動，影響的是設備量程、零點信號等參數，因而為了能夠進一步提高一氧化碳檢測準確率，就要提高對環境溫度監控的重視程度。在溫度監測電路當中，選取DSI8820 作為半導體芯片，該芯片體積較小、精度較高、成本低廉且具有較強的干擾能力。在DSI8820 和微處理器保持連通的情況下，可以在1 s 的時間里將溫度信號轉換成數字量，將其顯示在屏幕上；溫度芯片則可以直接在總線當中吸取電能，因而無需進行額外的供電設計。傳感器可以在這些處理的過程中完成信息的整理記錄，在工作過程中，可以結合所監控的環境實際溫濕度，結合溫度試驗的相關結果，用軟件程序來進行處理，這樣即可確定較為準確的一氧化碳濃度數據。

3.4 壓力補償設計

本研究所設計的傳感器壓力補償方案根據壓力槽工裝實驗的數據來進行設定，首先在壓力槽當中輸入各種不同預設濃度的一氧化碳氣體，然后抽取槽內的氣體來讓其壓力產生變化，記錄相關數據，之后結合數據來完成壓力補償建模，從而確定補償方式是否合理準確。在一般情況下，井下環境壓力均低于130 kPa，需要考慮壓力范圍、傳感器內部空間的多少，最終壓力檢測元件選型為NPP-301，該設備可以檢測0 ～200 kPa 范圍內的壓力，即可滿足煤礦生產的實際需求。本壓力元件內部有電阻應變片，其有著較高的設計精度，可以實現恒壓供電。壓力元件輸出差分電壓信號和壓力之間有著正相關關聯，因而可以應用單片機來實現采集數據的采集，之后將其匯總上傳。

3.5 無線通信電路設計

無線通信電路設備應用的型號為BM200N，這個模塊直接打在了自組網協議，可接入WaveMesh 網絡運行，工作頻段一般為433 MHz，擁有1 個基本信道和多個輔助信道，通信性能穩定，功耗較低。該模塊在智能算法的支持下，可以較好地調節工作和系統休眠之間的時間比例，該設備可通過ACT 引腳來自動喚醒，從而最大程度上控制能耗。TXD 引腳和RXD 引腳都是直接連通于單片機的引腳，可以即時收發數據。Reset、set 引腳分別承擔復位和配置選項的相關功能。

4 結語

本研究設計了一種礦用無線一氧化碳傳感器，該設備基于WaveMesh 無線自組網方案來完成設計，首先對于一氧化碳檢測原理進行了簡要介紹，之后具體分析了傳感器整體設計和主要模塊電路設計情況。經過一段時間的測試和應用，該傳感器有著較高的測量準確性，同時響應速度較快，且有較強的環境適應力。因而無線一氧化碳傳感器的應用可以讓設備安裝布線的難題得到解決，無論是位置的選擇，還是數量的調整都可以順利完成，同時也可以為煤礦安全監控系統提供準確數據，值得推廣使用。