ZigBee技術(shù)在井下瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

楊 梁,鞏秀鋼

(山東理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東淄博255049)

在煤炭生產(chǎn)中,安全一直是重中之重.井下環(huán)境復(fù)雜,一旦出現(xiàn)問題,會(huì)直接影響作業(yè)人員的人身安全.煤礦安全監(jiān)測(cè)的參數(shù)有很多,其中瓦斯?jié)舛仁莻€(gè)很重要的參數(shù),如果濃度達(dá)到一定范圍,容易造成爆炸[1].2007年12月6日,山西臨汾市洪洞縣原新窯煤礦發(fā)生瓦斯爆炸事故,105人遇難,造成了嚴(yán)重的人身和財(cái)產(chǎn)損失.目前井下瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng).有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布線非常復(fù)雜,維護(hù)相對(duì)困難,并且線路容易受腐蝕.無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是由單片機(jī)、傳感器和通信芯片組成,結(jié)構(gòu)冗余,功耗相對(duì)較高,成本也相對(duì)較高.本文所介紹的方法基于ZigBee協(xié)議,采用功耗較低的傳感器,將ZigBee與傳感器有機(jī)地結(jié)合在一起,有效地避免了現(xiàn)有有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足.

1 ZigBee無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

近年來隨著無線傳感器等技術(shù)的發(fā)展,無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為一種新興的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),具有易維護(hù)、成本低等優(yōu)勢(shì).無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境內(nèi)的各種信號(hào)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)記錄,通過無線傳輸技術(shù)將傳感器所采集的各種狀態(tài)信號(hào)直接傳輸?shù)街行墓?jié)點(diǎn)上,隨后中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理以供監(jiān)測(cè)人員監(jiān)測(cè).

Zigbee技術(shù)是一種具有低速率、近距離、低功耗、低復(fù)雜度、低成本、通信可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)的無線通信技術(shù).這種技術(shù)支持星型、網(wǎng)絡(luò)對(duì)等、混合型等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).

星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由一個(gè)主協(xié)調(diào)器和多個(gè)子節(jié)點(diǎn)設(shè)備組成,網(wǎng)絡(luò)中的子節(jié)點(diǎn)只可與主協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信.

網(wǎng)絡(luò)對(duì)等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也有一個(gè)主協(xié)調(diào)器,與星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同之處在于,在該網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備節(jié)點(diǎn)間也可進(jìn)行相互通信[2].

混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的中心,路由器分別作為各自區(qū)域的中繼器,這種結(jié)構(gòu)既具有星型網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)也具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn).圖1是典型的ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),E作為ZigBee的協(xié)調(diào)器,是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心,C是ZigBee的路由器,負(fù)責(zé)某一區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)通信,D則是系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn),用于信息的采集,由D,E,C構(gòu)成了整個(gè)的ZigBee網(wǎng)絡(luò).

圖1 典型ZigBee網(wǎng)絡(luò)圖

ZigBee無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于傳感器技術(shù)并以ZigBee作為核心的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò).它將ZigBee與傳感器相結(jié)合,通過傳感器將各種信號(hào)采集并發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn).監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由多個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)組成的,每個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)都可以對(duì)周圍環(huán)境數(shù)據(jù)的信號(hào)進(jìn)行采集、計(jì)算以及與其他節(jié)點(diǎn)及外界進(jìn)行通信,從而使得傳感器可以通過協(xié)同工作進(jìn)行高質(zhì)量的傳感,組成一個(gè)容錯(cuò)性較好的采集系統(tǒng).由于ZigBee本身所具有的優(yōu)點(diǎn),使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不必考慮功耗,成本等問題.這種無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有維護(hù)性好、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn),是未來監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì).

2 基于ZigBee的煤礦瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

基于ZigBee的瓦斯?jié)舛葻o線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由多種ZigBee節(jié)點(diǎn)組成.ZigBee節(jié)點(diǎn)包括協(xié)調(diào)器、路由器節(jié)點(diǎn)、終端采集節(jié)點(diǎn).協(xié)調(diào)器的作用主要是從各個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)得到的數(shù)據(jù)以及負(fù)責(zé)與外界的通信.路由器節(jié)點(diǎn)是監(jiān)測(cè)區(qū)域的中繼器,主要負(fù)責(zé)從采集節(jié)點(diǎn)接受數(shù)據(jù),然后發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn).終端采集節(jié)點(diǎn)的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示,它是由供電模塊、ZigBee模塊、瓦斯傳感器模塊等組成,主要負(fù)責(zé)整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測(cè)及上傳.整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用樹狀網(wǎng)絡(luò),整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的中心就是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn).系統(tǒng)沒有最大通信距離的限制,系統(tǒng)具有自動(dòng)組織功能,某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障也不影響網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行,保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院拖到y(tǒng)安全性.眾多的傳感器協(xié)同工作組成一個(gè)可靠的監(jiān)測(cè)系統(tǒng).

圖2 采集節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 煤礦瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的ZigBee模塊采用Jennic的JN5121芯片,JN5121是一款兼容于IEEE802.15.4的低功耗、低成本無線微型控制器.該模塊內(nèi)置一款32位的RISC處理器,配置有2.4GHz頻段的IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)器,64 KB的ROM,96 KB的RAM.JN5121內(nèi)置的ROM存儲(chǔ)器中集成了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信與網(wǎng)狀網(wǎng)通信的完整協(xié)議棧.其內(nèi)置的RAM存儲(chǔ)器,支持網(wǎng)絡(luò)路由和控制器功能而不需要外部擴(kuò)展任何的存儲(chǔ)空間.由于自帶RISC處理器和存儲(chǔ)模塊,使得整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)不需單獨(dú)外接CPU和存儲(chǔ)模塊[3].

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單,他主要負(fù)責(zé)接受處理來自采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),整個(gè)節(jié)點(diǎn)僅包括電源和JN5121模塊.

路由器節(jié)點(diǎn)和采集節(jié)點(diǎn)的硬件電路類似,只是軟件設(shè)計(jì)中角色的定義有些差異,負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的中繼工作.下面著重介紹采集節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì).

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的硬件原理圖如圖3所示,傳感器模塊采用KGS-20低功耗瓦斯傳感器.KGS-20具有極高靈敏度和極快的響應(yīng)速度且低功耗.KGS-20型可燃?xì)鈧鞲衅鬟m用于對(duì)瓦斯等可燃?xì)鉂舛鹊臋z測(cè),用于瓦斯報(bào)警器,可燃?xì)鈭?bào)警器,瓦斯檢測(cè)儀等.該傳感器體積小,耗電低,應(yīng)用電路簡(jiǎn)單,報(bào)警濃度為甲烷≥1%,響應(yīng)時(shí)間≤20 s,恢復(fù)時(shí)間≤30 s,工作溫度范圍-15℃～+50℃,濕度≤97%,靜態(tài)功耗為150 mW,報(bào)警狀態(tài)功耗為300 mW,供電電壓為3～5 V.傳感器敏感組件的電阻RS的變化表現(xiàn)為負(fù)載電阻RL上的電壓變化.驅(qū)動(dòng)電壓VH、負(fù)載電阻RL以及檢測(cè)電壓VD的取值參照公司提供的典型資料,以使傳感器處于最佳工作狀態(tài).低功耗使得KGS-20傳感器完全符合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求.

圖3 終端采集節(jié)點(diǎn)電路圖

供電電源采用兩節(jié)1.5 V堿性電池組成,采用常用的LM1117穩(wěn)壓芯片.LM1117是一個(gè)低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列,其壓差在1.2 V輸出,負(fù)載電流800 mA時(shí)為1.2 V.LM1117提供電流限制和熱保護(hù),電路包含1個(gè)齊納調(diào)節(jié)的帶隙參考電壓以確保輸出電壓的精度在±1以內(nèi),輸出端需要一個(gè)至少10 μ F的鉭電容來改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性.

2.2 煤礦瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee的軟件開發(fā)可以使用匯編語言和C語言,匯編語言是一種低級(jí)語言,功能強(qiáng)大但是編寫不便,C語言是一種面向過程的高級(jí)語言,同時(shí)具有高級(jí)語言和匯編語言的優(yōu)點(diǎn).JN5121自帶了CodeblockIDE編輯器,可以對(duì)C語言進(jìn)行編譯并自帶C語言函數(shù)庫,本系統(tǒng)的軟件可以通過C語言來編寫.

圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和采集節(jié)點(diǎn)程序框圖

軟件的設(shè)計(jì)需要根據(jù)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的類型來決定.根據(jù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì),監(jiān)測(cè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)分為協(xié)調(diào)器、路由器和采集節(jié)點(diǎn)三種類型.協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò),接受來自于路由器的數(shù)據(jù),開啟空閑通道等功能.而路由器與采集節(jié)點(diǎn)功能相似,主要負(fù)責(zé)加入網(wǎng)絡(luò)、周期性的發(fā)送數(shù)據(jù)等功能.

程序流程如圖4所示,首先協(xié)調(diào)器等節(jié)點(diǎn)上電初始化整個(gè)ZigBee協(xié)議棧,再由協(xié)調(diào)器按照程序指定建立ZigBee網(wǎng)絡(luò),設(shè)定PANID,PAN協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)后,其他的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備就可以加入網(wǎng)絡(luò)了.終端采集節(jié)點(diǎn)或者路由器如果需要加入網(wǎng)絡(luò)首先要完成自己的初始化過程,經(jīng)過身份驗(yàn)證后即可加入網(wǎng)絡(luò),此時(shí)PAN協(xié)調(diào)器將發(fā)送一個(gè)16位的短地址給節(jié)點(diǎn),作為節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)識(shí).終端采集節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)尋找網(wǎng)絡(luò)并加入由協(xié)調(diào)器所建的網(wǎng)絡(luò),然后協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行Endpoint綁定,分別執(zhí)行發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的函數(shù).

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

瓦斯?jié)舛冗^高對(duì)身體會(huì)造成一定傷害,礦井瓦斯尤其是采掘工作面的瓦斯?jié)舛炔荒艹^1%,有些地方最高不超過1.5%.因此,井下瓦斯的報(bào)警濃度為1%,瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的規(guī)定誤差范圍0.05%,KGS-20傳感器的報(bào)警濃度即為1%.在實(shí)驗(yàn)室中采用標(biāo)準(zhǔn)濃度為1%和1.5%的甲烷氣樣,將氣樣導(dǎo)入鋼瓶,然后將傳感器探入,測(cè)定氣體濃度.

表1 瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)結(jié)果

基于KGS-20的瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1,在5 min的測(cè)試中,傳感器測(cè)得的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)誤差基本小于0.05%.六次實(shí)驗(yàn)的平均誤差僅為0.024%,根據(jù)井下瓦斯?jié)舛鹊臉?biāo)準(zhǔn)以及井下瓦斯誤差范圍的規(guī)定,系統(tǒng)完全滿足瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求.

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的新型瓦斯斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有功耗低的優(yōu)點(diǎn),整個(gè)節(jié)點(diǎn)工作電流≤70 mA,當(dāng)處于休眠狀態(tài)時(shí),電流≤7 μ A,能夠延長(zhǎng)系統(tǒng)的工作壽命.同時(shí),采用最新的ZigBee協(xié)議棧,使整個(gè)系統(tǒng)可以根據(jù)具體需要在采集節(jié)點(diǎn)上擴(kuò)充相應(yīng)傳感器以完成更多數(shù)據(jù)采集需求.KGS-20具有極高靈敏度和極快的響應(yīng)速度,其響應(yīng)時(shí)間低于10 s,進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)處理突發(fā)事件的能力.

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