摘 要： 針對礦用瓦斯監(jiān)控設(shè)備采用有線方式傳輸信號存在的弊端，將傳感器網(wǎng)絡(luò)" title="無線傳感器網(wǎng)絡(luò)">無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于煤礦實時監(jiān)控中，設(shè)計了一個便攜式瓦斯傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點" title="網(wǎng)絡(luò)節(jié)點">網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。該節(jié)點裝置能夠完成瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測及超標(biāo)報警、井下" title="井下">井下人員的實時信息采集和定位等，既可以用于工作人員查看周圍環(huán)境，也可以實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控。詳細介紹了節(jié)點系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn)。
關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點 瓦斯氣體傳感器 遠程監(jiān)控
瓦斯氣體濃度是煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一，目前絕大多數(shù)礦用瓦斯氣體傳感器設(shè)備都采用有線方式傳輸信號，即采用光纜、電力線纜或信號線纜等。但這種傳統(tǒng)的有線布設(shè)方式存在著本質(zhì)的缺陷[1]：部線繁瑣、線路依賴性強、安裝部設(shè)維護成本較大等。礦井一旦出現(xiàn)事故，特別是發(fā)生爆炸事件時，傳感器設(shè)備及線纜往往會受到致命的破壞，不能為搜救工作及事態(tài)檢測提供信息。
把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中，通過各種傳感器實時采集礦井的環(huán)境信息，由嵌入式系統(tǒng)對其進行處理，通過自組織無線網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將信息傳輸?shù)骄獾谋O(jiān)控終端，能夠彌補有線設(shè)備的缺陷，具有價廉、便攜、可靠性高、易于校正等優(yōu)點。本文設(shè)計并實現(xiàn)了煤礦瓦斯報警無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點系統(tǒng)。
1 煤礦瓦斯報警無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
如圖1所示，整個網(wǎng)絡(luò)由瓦斯傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點群、接收發(fā)送基站、互聯(lián)網(wǎng)和監(jiān)控終端構(gòu)成[2～3]。由多個瓦斯傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在礦井內(nèi)形成自組網(wǎng)，某個節(jié)點的采集數(shù)據(jù)可以通過多跳中繼方式發(fā)送到井外接收發(fā)送基站，再通過串口發(fā)送到本地或遠程PC機上，實現(xiàn)實時監(jiān)控。瓦斯傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點作為整個網(wǎng)絡(luò)的基本組成部分，不僅能夠進行瓦斯?jié)舛?、溫濕度信號的采集處理，還能夠在節(jié)點之間組網(wǎng)，進行節(jié)點定位和無線收發(fā)" title="無線收發(fā)">無線收發(fā)。節(jié)點系統(tǒng)提供信息的本地液晶顯示。
2 瓦斯傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件系統(tǒng)設(shè)計
瓦斯傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示，主要包括LXK－3瓦斯傳感器、SHT11溫濕度傳感器、PPD4NS粉塵傳感器模塊、 ATmega128L單片機、CC1000無線收發(fā)芯片、液晶顯示模塊等。
2.1 瓦斯傳感器模塊
2.1.1 瓦斯傳感器的工作原理
目前檢測瓦斯?jié)舛鹊姆绞接泄飧缮?、氣敏半?dǎo)體、載體催化、電化學(xué)和紅外吸收[4]等，經(jīng)過幾十年的研究，載體催化元件逐步成熟并占據(jù)了礦井瓦斯和多種可燃可爆氣體檢測領(lǐng)域的首位。其檢測原理為：由帶催化劑的檢測元件和不帶催化劑的補償元件及相應(yīng)的匹配電阻組成電橋，瓦斯?jié)舛茸兓瘯r檢測元件電阻值改變，影響電橋平衡，從而可以檢測環(huán)境中瓦斯?jié)舛茸兓?BR>2.1.2 LXK－3及其信號調(diào)理
本文采用中國船舶重工集團公司第七一八研究所的LXK－3催化元件。該系列元件是一種廣譜性的氣敏元件，適用于天然氣、液化石油氣和城市煤氣等多種可燃氣體的檢測和報警。圖3為LXK－3在系統(tǒng)中的應(yīng)用電路，其差分輸出電壓反映了瓦斯的濃度變化，直接作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的差分輸入通道(ADC3、ADC2)。LXK－3的輸出電壓范圍為－50～50mV,而參考電壓選擇單片機的片內(nèi)基準電壓2.56V，因此對差分電壓放大50倍比較合適。ATmega128的ADC放大倍數(shù)只有三種選擇：1x、10x、200x，為了提高精度，采用外部放大器與模擬開關(guān)相結(jié)合的工作方式，由單片機控制模擬開關(guān)，采用10x、50x、200x三個檔位。
由于LXK－3對電源要求比較高(2.8±0.1V)，而本系統(tǒng)采用電池供電，電壓不夠穩(wěn)定，因此采用輸出電壓可通過電阻R2調(diào)節(jié)的專用電源芯片LP3965對其供電。由LP3965的電阻－電壓公式可以確定電阻R2的值，即R2=R1(
-1),VOUT=2.8V， R2＝13kΩ。
2.2 微控制器ATmega128單片機
處理器模塊是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的計算核心。本文采用的ATmega128L單片機外形小，集成度高，功耗低，支持睡眠模式，運行速度快，內(nèi)部有一個10位的逐次逼近型ADC，有足夠的外部通用I/O端口和通信接口，成本低且有安全性保證。
2.3 CC1000無線收發(fā)模塊
無線收發(fā)模塊完成節(jié)點數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收及轉(zhuǎn)發(fā)功能，這里采用Chipcon公司的單片無線收發(fā)通信芯片CC1000，其具有低電壓(2.3～3.6V)、低功耗、高靈敏度、小尺寸、接收信號強度" title="信號強度">信號強度指示(RSSI)、可編程輸出功率(-20～1OdBm)等特點。其FSK數(shù)傳速度可達72.8kbps,具有250Hz步長可編程頻率能力，適用于跳頻協(xié)議。CC1000與單片機的通信通過三線串行接口(PDATA、PCLK和PALE)進行。圖4是CC1000在系統(tǒng)中應(yīng)用的電路原理圖，外圍元器件的參數(shù)是在發(fā)射頻率為915MHz的條件下配置的。
2.4其他重要模塊
除檢測瓦斯?jié)舛韧?，?jié)點系統(tǒng)設(shè)計了溫濕度傳感器模塊，不僅可以進行溫濕度檢測，還可以根據(jù)溫濕度數(shù)據(jù)對瓦斯傳感器校零。Sensirion公司高度集成的溫濕度傳感器芯片SHT11，采用串行時鐘輸入線SCK來與單片機保持通訊同步，串行數(shù)據(jù)線DATA收發(fā)通信協(xié)議命令和數(shù)據(jù)，能夠直接提供溫度在－40～120℃范圍內(nèi)、濕度在0～100％RH范圍內(nèi)的數(shù)字輸出。
粉塵傳感模塊采用SHINYEI KAISHA公司的PPD4NS粉塵傳感器，感知微米以上的粉塵，以檢測單位體積內(nèi)粉塵粒子的絕對個數(shù)。
報警節(jié)點的數(shù)據(jù)顯示通過中文液晶顯示器模塊實現(xiàn)。
3 瓦斯傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)
3.1 軟件系統(tǒng)的總體設(shè)計
軟件系統(tǒng)的主要功能包括傳感器數(shù)據(jù)采集與處理、無線收發(fā)、液晶顯示和節(jié)點定位等,采用模塊化設(shè)計。傳感器數(shù)據(jù)采集與處理模塊主要設(shè)置瓦斯信號的采集參數(shù)并控制采集、讀取溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)輸出并計算露點；無線收發(fā)模塊通過設(shè)置寄存器控制對命令或數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送；液晶顯示模塊實現(xiàn)對瓦斯?jié)舛?、溫濕度等?shù)據(jù)的本地實時顯示；節(jié)點定位模塊對節(jié)點進行實時定位。
節(jié)點系統(tǒng)要支持傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要考慮網(wǎng)絡(luò)層的支持，方便系統(tǒng)擴展，因此系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)是在嵌入式操作系統(tǒng)上進行的，與基于硬件的C語言直接編程相比，這種方式對功能擴展、功耗控制、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議優(yōu)化等有很大幫助。嵌入式操作系統(tǒng)選用了加州大學(xué)伯克利分校的基于事件驅(qū)動的TinyOS操作系統(tǒng)。軟件開發(fā)過程是：首先用C語言設(shè)計程序，然后在處理器上移植TinyOS操作系統(tǒng)，利用其編程語言(nesC)在TinyOS下編譯。
3.2 軟件系統(tǒng)實現(xiàn)
3.2.1 數(shù)據(jù)采集與處理
瓦斯?jié)舛刃盘柕牟杉刂颇K主要完成采集參數(shù)選擇(數(shù)據(jù)放大倍數(shù)檔位轉(zhuǎn)換)與數(shù)據(jù)計算工作。A/D轉(zhuǎn)換器輸出的最大值為511，采用450、50作為檔位判斷上下限，分別設(shè)置10x、50x、200x三個信號調(diào)理檔位。瓦斯?jié)舛扔嬎銜r，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出，由差分輸入轉(zhuǎn)換公式ADC=(V+-V-)·GAIN·512/VREF計算出差分電壓△V，再根據(jù)LXK－3的輸出特性曲線，即可得到瓦斯?jié)舛戎怠?BR> 溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)通過DATA線直接讀取，控制流程如下：用一組啟動傳輸時序進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟缓蟀l(fā)送一組測量命令(‘00000101’表示相對濕度，‘00000011’表示攝氏溫度)后,釋放DATA線，等待SHT11下拉DATA至低電平，表示測量結(jié)束，同時接收數(shù)據(jù)。
對于粉塵傳感器模塊，計算數(shù)據(jù)端口輸出脈沖中低電平的占空比即可得到粉塵濃度。
3.2.2 無線收發(fā)程序
無線收發(fā)程序負責(zé)接收來自基站或其他節(jié)點的命令或數(shù)據(jù)，并發(fā)送本節(jié)點或轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點的數(shù)據(jù)。首先進行CC1000的寄存器初始化配置，然后通過改變寄存器的值，進入待機、發(fā)送或接收模式。圖5為無線收發(fā)的控制流程圖。
3.2.3 液晶顯示驅(qū)動程序
液晶顯示器與單片機的接口協(xié)議為請求/應(yīng)答(REQ/BUSY)握手方式。向模塊發(fā)出一個完整的顯示漢字的命令，包括坐標(biāo)及漢字代碼在內(nèi)共需5個字節(jié)。
3.2.4 節(jié)點定位算法
采用基于接收信號強度指示(RSSI)定位算法[5]實現(xiàn)節(jié)點的精確定位：已知發(fā)射節(jié)點的發(fā)射信號強度，接收節(jié)點根據(jù)收到信號的強度計算出信號的傳播損耗，然后根據(jù)信號傳播模型公式(1)將傳輸損耗轉(zhuǎn)化為距離，再利用三邊測量法計算出未知節(jié)點的位置。在實際定位中，要保證未知節(jié)點處于三個以上發(fā)射信號強度和位置坐標(biāo)已知的參考節(jié)點的通信范圍內(nèi)，未知節(jié)點根據(jù)接收信號強度計算出信號的傳播損耗，進而計算出節(jié)點位置。
PR(d)=PT-10nlog(d)-γ (1)
其中,PR(d)為接收信號強度(dBm)；PT為發(fā)送信號強度(dBm)；n為路徑長度和傳輸損耗之間的比例因子；d為參考節(jié)點與未知節(jié)點之間的距離；γ為修正因子，根據(jù)經(jīng)驗進行修正。
瓦斯傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點系統(tǒng)能夠通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對井下溫度、濕度、瓦斯和粉塵等參數(shù)和井下工作人員位置的實時監(jiān)測，主要功能包括瓦斯?jié)舛燃皽貪穸葯z測、液晶顯示、定位和無線收發(fā)等功能，可以實現(xiàn)瓦斯?jié)舛?％以內(nèi)的檢測，且當(dāng)持續(xù)半分鐘檢測到瓦斯?jié)舛雀哂?％時，蜂鳴器發(fā)出報警信號。此外，根據(jù)煤礦的溫濕度參數(shù)自動對瓦斯傳感器校零，從而提高瓦斯?jié)舛葓缶鞯臏蚀_性。節(jié)點系統(tǒng)的LCD能夠動態(tài)顯示環(huán)境的溫濕度和瓦斯?jié)舛取o線模塊可以把測到的瓦斯?jié)舛群途氯藛T的位置信息發(fā)送到煤礦瓦斯監(jiān)控的基站，再傳送到總控中心，以便隨時了解礦下瓦斯?jié)舛群途氯藛T所處位置。該無線模塊在室內(nèi)環(huán)境下傳輸距離為20～30米，可以滿足井下作業(yè)要求。節(jié)點系統(tǒng)穩(wěn)定工作狀態(tài)下的響應(yīng)時間小于20秒，可滿足實時監(jiān)控要求。
隨著無線傳感器節(jié)點數(shù)目的增多、功能的進一步完善和監(jiān)控管理平臺的建立，本無線網(wǎng)絡(luò)傳感器系統(tǒng)將適用于各類氣體以及人員位置監(jiān)控的現(xiàn)代化管理，不僅能夠進行安全監(jiān)測、協(xié)助事故搶險救援，還能夠用于人員調(diào)度、監(jiān)控、考勤等，從而提高礦山的管理水平與工作效率。
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