基于ZigBee通信的瓦斯監測系統設計

1 引言

實時了解井下瓦斯濃度是煤礦安全生產的一個重要因素。由于煤礦開采深度和開采規模的加大，各項有線檢測設備很難及時跟進，造成井下的實時環境數據難以及時傳送到地面監控中心，特別是在突發災難時各種有線通信設備幾乎處于癱瘓狀態，給救援工作帶來極大困難。因此，尋找一種在任何時刻都能及時采集井下環境信息的方法就顯得尤為重要。在此，探討了瓦斯采集終端和無線通信模塊CC2420的設計。

2系統總體結構

圖1給出瓦斯監測系統的總體結構。它由地面監控中心、井下ZigBee傳輸網絡和瓦斯采集終端等組成。其設計思想是利用不同的瓦斯采集終端對各采集點進行瓦斯采集，通過建立的Mesh無線通信網絡將數據進行中繼傳輸，逐級路由最終到達地面監控中心，實現動態顯示、分析及其他處理。

該系統根據可靠數據傳輸的需要，采用ZigBee獨有的Mesh型網絡模式，逐級路由自動鏈接網絡中繼器進行數據傳遞。當網絡中最優的通信路徑發生故障時，Mesh網絡會在冗余的其他路徑中重新選擇最合適的路徑供數據通信。因此，Mesh網絡有效縮短了信息傳輸的延時，并提高了網絡通信的可靠性。基于Zigbee技術的FFD路由節點除負責發送本節點的數據外，還負責轉發其他節點的數據至中心節點，從而形成無線通訊網絡。

瓦斯監測系統布置于試驗現場中，主要任務包括：多組數據采集，系統以較高的采樣率將傳感器傳送來的模擬信號通過A／D轉換器轉換成數字信號；數據處理，系統能實時分析采集的多路傳感器數據，對結果進行決策并規劃執行序列；緊急處理，分析結果，若出現甲烷超標突破安全范圍等危險或其他故障現象時，可控制報警系統報警；數據通信。瓦斯監測系統具備較高的波特率和穩定的無線通信功能，且與地面指揮監控中心的遠程上位機保持井下采集數據的實時通信。

3.1瓦斯采集終端設計

瓦斯采集終端采用的瓦斯傳感器是熱催化元件，也稱為燃燒式載體催化元件，其檢測原理用催化元件、補償元件和橋臂電阻構成惠斯頓電橋。由于熱催化元件的骨架是鉑絲材料，給電橋加一恒定電壓，電流流過時加熱，使溫度最高達到500℃。因此，當遇到瓦斯氣體時，瓦斯氣體接觸催化元件表面發生氧化反應，即無焰燃燒，產生大量的熱量，使催化元件溫度升高，阻值增大，電橋輸出不平衡電壓，即反映出被測瓦斯的濃度變化。催化型瓦斯傳感器檢測電路如圖2所示。

在煤礦安全規程中，瓦斯濃度的高低采用百分數表示，并且在5％～16％之間容易發生事故，必須建立Vadc與濃度百分數之間的逼近線性關系，使得最終的表述值也為相應的百分數。經實驗獲得標定的瓦斯濃度百分數為：

式中，0.001 6為修正值，設計過程中規定：當瓦斯濃度達到6％時，MCU發出預報警信號；當瓦期濃度達到16％時，Vadc＞VH即2.85 V時，MCU發出危險報警信號。考慮到突發事故，整個系統的瓦斯濃度檢測范圍確定為0％～50.5％。