基于ZigBee的隧道CO2氣體監測系統的設計

摘 要：在西寧至成都鐵路的海東南山特長隧道的初步設計、施工階段發現，西寧盆地白堊系砂礫巖地層中含逸散氣，局部可能存在小型高壓氣囊，在開挖過程中可能會產生靠近高壓氣囊的巖體傾覆及CO2氣體外泄的風險。針對該問題，采用ZigBee短距離無線通信技術與傳感器技術，結合GPRS無線技術，開發了一套隧道內CO2氣體監測系統。該系統能夠實時監測隧道內的CO2氣體體積分數與壓力，并通過無線通信技術將數據傳輸至監測中心。當參數在正常范圍時，系統進行周期性上報；當參數異常時，系統會向負責人發送短信提示。研究結果表明：該監測系統能夠有效監測隧道內的高壓氣體情況，確保施工安全。

關鍵詞：西成高鐵；CO2氣體傳感器；監測系統；ZigBee通信；GPRS；隧道

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）09-00-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.09.013

0 引 言

通過對區域資料的分析以及對地表和部分鉆探工程的調查發現，西寧盆地白堊系砂礫巖地層中含逸散氣，局部可能存在小型高壓氣囊，在隧道開挖過程中可能產生靠近高壓氣囊的巖體傾覆及CO2氣體外泄引起隧道施工人員傷亡的風險。通過前期的研究，對白堊系地層CO2氣體的來源及賦存規律已有一定的了解，但不可能通過勘探手段完全查明白堊系地層CO2氣體的分布特征。

鑒于此，需要在施工期間建立以CO2的壓力和體積分數等指標為主要對象的CO2監測系統，提出合適的CO2風險預警方案與措施，為隧道內CO2氣體專項超前地質預報設計提供技術支撐。

考慮當前基本情況，本文設計了一種基于ZigBee無線通信技術的隧道CO2氣體監測系統來實現對隧道中CO2氣體的監測。當CO2氣體的壓力和體積分數均在閾值范圍內時，系統進行周期性上報；當壓力或體積分數超過閾值時，系統通過發送短信的形式立即上報信息到指定負責人的手機上，便于負責人及時發現問題并整改。

1 系統整體設計

1.1 設計要求

隧道經過CO2高風險區時須嚴格遵守先排后挖的施工順序，即先排除或者降低有害氣體風險，然后才能進行隧道開挖。針對CO2高風險區的監測主要包括：掌子面超前探孔監測、隧道內有害氣體實時監測，如圖1所示。

風險防控方案主要包括：隧道內高效通風措施、有害氣體超限預警與應急措施、施工過程中高壓氣體防護與處理措施等。詳細介紹如下：

（1）掌子面前方地層中CO2的超前探測

沿隧道推進方向設置超前探孔進行全過程探測，探明CO2壓力、體積分數等賦存參數。超前探孔監測的氣體壓力和體積分數不超過限定值時，每天向施工方管理人員上報一次監測結果，施工方管理人員隨即在信息平臺上發布監測結果；氣體壓力或者體積分數超過限定值時，隨時隨地向主管領導電話上報監測結果。

（2）隧道內CO2體積分數的實時監測

自洞口監測控制室至隧道洞內掌子面，每間隔100 m安裝一組傳感器和氣體體積分數超限報警設備。洞口監測控制室設置氣體監控結果的顯示系統，由專人負責查看顯示終端的監測數據，并填寫監控系統運行記錄。

（3）閾值設定

CO2體積分數的預警值設置為0.15%，停工閾值設置為0.5%；CO2壓力的預警值設置為0.2 MPa，停工閾值設置為

0.8 MPa。

1.2 設計方案

針對設計要求，本文設計了一種基于ZigBee的隧道內CO2監測系統。系統由CO2監測傳感器、ZigBee無線傳輸網絡、上位機軟件等多個子系統組成，如圖2所示。

2 硬件設計

2.1 數據采集節點設計

本文采用TI公司出品的CC2530芯片，它不僅成本低、功耗低，而且技術成熟、性能穩定[1]。它內部集成開源的ZigBee無線通信協議[2]，大大縮短了開發與維護的周期。

本系統采用CO2體積分數傳感器MG811與壓力傳感器XGZP6847A來完成監測工作。MG811傳感器的工作電壓為5 V，可以雙路輸出信號，對CO2具有很高的靈敏度[3-4]。XGZP6847A傳感器是一種表壓傳感器，采用類DIP封裝形式，PCB板的兩面分別安裝有SOP封裝的壓力傳感器與信號處理電路芯片，對傳感器的偏移、靈敏度、溫漂和非線性進行數字補償，以供電電壓為參考，產生一個經過校準、溫度補償后的標準電壓信號[5-6]。

ZigBee數據采集節點硬件包括：傳感器、CC2530控制器、無線射頻部分、電源轉換電路、按鍵與串口調試等，其硬件結構框圖如圖3所示。

2.2 ZigBee協調器節點設計

ZigBee協調器是整個系統的控制中心，除了組建與管理ZigBee無線網絡外，還負責通過串口連接SIM900模塊[7-8]。SIM900模塊是一款GSM/GPRS模塊，工作頻率為850/900/

1 800 MHz，可以低功耗實現語音播報、短信發送（SMS）、數據傳輸等業務。SIM900模塊負責將ZigBee協調器收到的超過閾值的報警信息以短信的形式發送到指定負責人手機上，它通過AT指令進行激活與聯網從而發送短信。ZigBee協調器節點硬件結構如圖4所示。

3 軟件設計

3.1 協調器軟件設計

協調器作為ZigBee網絡的中心控制節點，其上電系統初始化完成后，便開始在指定的信道上啟動ZigBee網絡，并周期性發送允許終端傳感器節點加入的消息；當有無線傳感器終端節點加入到ZigBee網絡后，協調器便向其分配一個16位短地址[9-10]，終端節點在距離協調器較遠且信號覆蓋不到的情況下，可以借助路由節點延長網絡傳輸的距離。協調器軟件工作流程如圖5所示。

3.2 無線傳感器終端節點軟件設計

在ZigBee協調器網絡搭建完成后，無線傳感器終端節點上電完成初始化，然后開始進行信道掃描，請求加入網絡。若入網不成功，則重新掃描信道。加入網絡成功后，終端節點調用傳感器數據采集程序，開始進行數據采集。對采集到的數據進行分析，若是超過閾值，則立即上報給協調器；若是在閾值范圍內，則采取周期性上報的方式報給協調器。無線傳感器終端節點數據采集程序流程如圖6所示。

4 系統運行結果

當終端傳感器加入協調器生成的網絡后，便開始進行數據傳輸。上位機數據終端展示效果如圖7所示。

當出現預警時，手機上將會以短信的形式顯示預警信息，短信預警效果如圖8所示。

5 結 語

在隧道開挖過程中需要對隧道里的CO2體積分數和壓力進行仔細探測與分析。為此，本文對隧道開挖過程中的CO2體積分數與壓力情況進行了分析，結合無線傳輸技術與傳感器技術搭建ZigBee無線自組織網絡，從而實現對隧道中CO2體積分數和壓力的實時監測，為隧道監控的實現提供了一種新的途徑。采用ZigBee進行系統設計，具有實現簡單快速的優勢，可廣泛應用于鐵路、公路的監測與事故預防。

參考文獻

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[10]左瑞娟，武永華，王宇，等.基于ZigBee的戶用水表無線遠程抄表系統[J].物聯網技術，2020，10（6）：89-91.

收稿日期：2023-09-15 修回日期：2023-10-16

基金項目：成都工業職業技術學院2023年課程思政專項課題（KCSZ202304）；鐵一院重點研究項目：西寧至成都鐵路海東南山特長隧道高壓氣體專項研究（222018YH310912）；鐵一院科研項目：西成鐵路隧道高壓氣體安全厚度及突出風險評估（院科19-08）

作者簡介：季 美（1986—），男，湖北監利人，碩士，助理講師，研究方向為物聯網技術、無線通信技術。

季 備（1984—），男，湖北監利人，碩士，高級工程師，研究方向為巖土工程、水利工程。