煤礦瓦斯無線監(jiān)測技術(shù)及系統(tǒng)的構(gòu)建

謝瀟　魯璐

摘 要：瓦斯?jié)舛仁怯绊懨旱V安全生產(chǎn)及運行的重要參數(shù)之一，因此瓦斯?jié)舛韧瑯邮敲旱V生產(chǎn)過程中需要重點監(jiān)控的數(shù)據(jù)。為了解決當(dāng)前煤礦井下瓦斯監(jiān)測存在的監(jiān)控盲點較多、布線與架設(shè)難度較大的問題，文章設(shè)計了一種基于ZigBee通信技術(shù)的無線瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，希望能夠為煤礦井下瓦斯監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)架設(shè)工作提供相應(yīng)的參考。

關(guān)鍵詞：瓦斯?jié)舛?；瓦斯監(jiān)控；無線監(jiān)測

中圖分類號：TD712 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）18-0076-01

隨著大型煤礦的采掘深度以及開采規(guī)模的不斷擴大，需要對有線瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進行拓展，而有線監(jiān)測系統(tǒng)具有架設(shè)成本高、施工周期長、壽命受外界因素影響大的缺點，不適于在規(guī)模大、掘進深的大型煤礦中使用。同時，有線瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)需要長時間在惡劣的井下環(huán)境中使用，導(dǎo)致部分監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)功能失效，造成不能對井下瓦斯?jié)舛冗M行全面、真實、準確監(jiān)測的問題，給煤礦的安全生產(chǎn)帶來了隱患。因此，構(gòu)建一個能夠為煤礦管理人員提供全天候、全方位的煤礦井下瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)就顯得尤為重要。

1 瓦斯無線檢測的主要技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦瓦斯監(jiān)控成為了煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)架設(shè)的一個有效方式，對保證煤礦的安全生產(chǎn)具有重要作用。國內(nèi)外在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及礦井瓦斯監(jiān)測應(yīng)用方面開展了一定的工作，并取得了對應(yīng)的成果。例如，徐振峰和尹晶晶[1]提出將ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到煤礦瓦斯監(jiān)測工作中，在硬件電路設(shè)計過程中通過選擇對應(yīng)的無線收發(fā)芯片與載體催化元件為監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)提供信息傳遞與傳感器設(shè)備，并在低壓穩(wěn)流電源的支持下，通過構(gòu)建基于分簇的路由算法網(wǎng)絡(luò)，不但可以實現(xiàn)瓦斯的無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測，還可以降低監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的功耗。楊波[2]為了解決傳統(tǒng)煤礦瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測過程中使用有線網(wǎng)絡(luò)存在的成本高、架設(shè)難度大等問題，提出了基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控站系統(tǒng)及其構(gòu)建方案，設(shè)計了一種采用無線射頻模塊及節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。在該網(wǎng)絡(luò)中，充分應(yīng)用節(jié)點和上位機的工作原理優(yōu)勢，通過發(fā)揮無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)優(yōu)勢與特點，降低了瓦斯監(jiān)控的成本，解決了有線監(jiān)控系統(tǒng)架設(shè)難度大的問題。袁志強[3]通過使用低功耗微處理器、無線收發(fā)芯片與礦用瓦斯傳感設(shè)備，設(shè)計一種由傳感器節(jié)點、路由設(shè)備與協(xié)調(diào)設(shè)備構(gòu)成的煤礦用瓦斯無線監(jiān)控系統(tǒng)，在實際的煤礦瓦斯管理和監(jiān)測工作中得到了良好的應(yīng)用。另外，Hayes J等為了滿足深井、大規(guī)模煤礦井下瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測的需要，設(shè)計了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點主要是使用了金屬氧化物的半導(dǎo)體氣敏設(shè)備，通過將之設(shè)置在需要監(jiān)控的重點設(shè)備當(dāng)中，獲得相應(yīng)的瓦斯?jié)舛刃畔?。在設(shè)計之初，這種監(jiān)控系統(tǒng)的主要目的是為了對人工手持式檢測設(shè)備進行補充，但是隨著無線技術(shù)的快速發(fā)展，卻逐步替代了傳統(tǒng)的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測方法，而且其功耗消耗更少。

從當(dāng)前的煤礦瓦斯無線檢測的主要技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀分析結(jié)果來看，煤礦瓦斯?jié)舛鹊臒o線監(jiān)控技術(shù)發(fā)展相對完善，在傳感器、路由設(shè)備和協(xié)調(diào)器等監(jiān)測設(shè)備的使用、研發(fā)等方面都開展了一定的工作，但是結(jié)合煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)需求的具體網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的研究相對較少，還有待進一步完善。

2 ZigBee技術(shù)的主要特點

ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標準而制定的一種低功耗局域網(wǎng)標準。按照當(dāng)前國際標準的相關(guān)規(guī)定，ZigBee技術(shù)屬于一種典型的短距離、低功耗無線通信技術(shù)，在當(dāng)前的小型無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建當(dāng)中得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。該無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的名稱是基于蜜蜂的八字舞而命名的，因為蜜蜂（bee）在飛翔的過程中主要依靠高速抖動的翅膀，而且在抖動過程中會發(fā)出“嗡嗡”（zig）的聲音，并利用該聲音向同伴來傳遞相關(guān)的信息，例如花粉的具體位置，即蜂蜜就是依靠這種方式實現(xiàn)與整個群體中的個體進行實時通信的。該種技術(shù)的主要特點是復(fù)雜程度較低、通信距離較近，能夠?qū)崿F(xiàn)自組織、功耗的數(shù)據(jù)傳輸。因此，ZigBee技術(shù)主要用于自動控制以及遠程無線控制當(dāng)中，同時還可以嵌入各種需要的應(yīng)用設(shè)備。即ZigBee屬于一種成本較低、功耗較低而且通信距離較近的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。

3 基于ZigBee技術(shù)的煤礦井下瓦斯無線監(jiān)測系統(tǒng)的 構(gòu)建

ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不但具有較為豐富的組網(wǎng)能力，而且還能夠根據(jù)不同的監(jiān)控需要構(gòu)建包括星型、樹型、網(wǎng)狀等結(jié)構(gòu)形式的網(wǎng)絡(luò)。其中，星型網(wǎng)具有組網(wǎng)簡單的特點，但是其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足，一個路由器出現(xiàn)故障時，會使得整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓；網(wǎng)狀形式結(jié)構(gòu)雖然較為穩(wěn)定，但是其整個結(jié)構(gòu)體系較為復(fù)雜，而且對硬件水平要求較高，組建及維護成本也相對較高；樹型網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)任意節(jié)點之間的通信，而且成本較低。考慮到煤礦井下瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)點具有局部分散，且需要對獲得的數(shù)據(jù)進行集中匯總的特點，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計過程中使用了樹形的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。為了保證數(shù)據(jù)的傳輸穩(wěn)定性，在路由器之間還使用了局部的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

在整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，瓦斯?jié)舛炔杉瘋鞲性O(shè)備是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，主要負責(zé)對井下瓦斯?jié)舛刃畔⑦M行搜集，首先通過對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)化、進行數(shù)據(jù)處理后再從各個節(jié)點配置的ZigBee模塊當(dāng)中將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為所需要的ZigBee數(shù)據(jù)包，最終將之發(fā)送到ZigBee路由器當(dāng)中。其次ZigBee路由器從各個瓦斯采集傳感器節(jié)點中獲得數(shù)據(jù)，然后按照路由器表中預(yù)先設(shè)置的路徑將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至ZigBee協(xié)調(diào)器當(dāng)中。最后，ZigBee協(xié)調(diào)器搜集由路由器傳送過來的數(shù)據(jù)后，利用RS485串口將之發(fā)送到監(jiān)控室的計算機中，最終實現(xiàn)在可視化界面下對各個節(jié)點瓦斯?jié)舛鹊娘@示。在整個通信網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，各個ZigBee路由器都是基于標準的協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。

4 終端節(jié)點的設(shè)計

終端節(jié)點處于整個ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最底層，主要工作是負責(zé)瓦斯數(shù)據(jù)的采集，并將這些數(shù)據(jù)通過路由器集中到協(xié)調(diào)器節(jié)點當(dāng)中。本文設(shè)計的終端節(jié)點系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括傳感器模塊、主控與通信模塊及電源模塊三個部分構(gòu)成，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、自動網(wǎng)絡(luò)鏈接和數(shù)據(jù)傳輸三項功能。

5 煤礦瓦斯采集傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計方案

煤礦瓦斯傳感器節(jié)點主要包括瓦斯傳感器、ZigBee通信模塊以及電源模塊三個主要構(gòu)成部分，其具體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

煤礦瓦斯傳感器主要包括催化燃燒式與紅外吸收式兩種主要的感知原理，其中催化燃燒式傳感設(shè)備主要用于對瓦斯的主要成分，即甲烷的濃度進行監(jiān)測，監(jiān)測過程中使用了甲烷催化燃燒過程中的熱效應(yīng)。該傳感設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)成本較低的特點，但是其工作電流較大，在使用過程中容易受到硫化物、鹵素化合物等相關(guān)因素的影響，因此使用壽命相對較低。尤其是工作面的氧氣濃度較低時，誤差較大。紅外吸收式傳感器則是通過吸收甲烷特定波段的紅外光，利用對應(yīng)的探測設(shè)備，將光信號轉(zhuǎn)換成為對應(yīng)的電信號，從而實現(xiàn)相應(yīng)的監(jiān)測功能。

本文在設(shè)計過程中使用的數(shù)字輸出擴散式紅外甲烷傳感設(shè)備，具有內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換，便于無線網(wǎng)絡(luò)的架設(shè)；同時，靈敏度相對較高，而且功耗較低，使用壽命較長。

系統(tǒng)的ZigBee通信模塊使用CC2530型芯片，在內(nèi)部設(shè)置了具有代碼預(yù)取功能的CPU，功能強大，能夠支持多種串行通信協(xié)議，具有工作穩(wěn)定性高、耗能較少特點，可以勝任煤礦井下瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測、數(shù)據(jù)處理、傳感器控制和數(shù)據(jù)存儲等工作。

參考文獻：

[1] 徐振峰.尹晶晶.煤礦瓦斯無線監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].科

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