基于Zigbee信號(hào)傳輸與RS-485總線的瓦斯傳感器調(diào)整技術(shù)

張聰慧

（天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司 ，江蘇 常州 213000）

0 引 言

煤礦安全是工業(yè)生產(chǎn)中的首要要?jiǎng)?wù)，目前我國煤礦生產(chǎn)中引發(fā)的安全事件主要是由于井內(nèi)瓦斯含量所引起，導(dǎo)致有眾多煤礦工人安全得不到保障。為了能夠提高煤礦工人安全生產(chǎn)的目的，提升井內(nèi)瓦斯監(jiān)測(cè)技術(shù)勢(shì)在必行，因此監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛鹊淖兓潜ＷC煤礦安全生產(chǎn)的重要方式。目前催化劑燃燒的熱敏感元件監(jiān)測(cè)方式是一種主流的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)技術(shù)，但是該類型監(jiān)測(cè)方式往往在信號(hào)傳輸中存在很大的不穩(wěn)定性，另外還存在難以維護(hù)與安裝，對(duì)干擾作用難以抵抗等缺點(diǎn)[1-2]。而針對(duì)無線傳感器所構(gòu)建出的網(wǎng)絡(luò)因其擁有較強(qiáng)擴(kuò)展性能，因此文中采用將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與礦井環(huán)境相結(jié)合的方式完成瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建，通過礦井內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在對(duì)瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測(cè)中具有準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，可擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，從而有效提升了礦井安全保障。

1 Zigbee和RS-485通信技術(shù)結(jié)合下的瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于IEEE8.0的一種組網(wǎng)簡(jiǎn)單便捷的通信網(wǎng)絡(luò)，目前主要應(yīng)用于家居和工業(yè)設(shè)計(jì)場(chǎng)合中，因此文中將該技術(shù)引入到煤礦開采過程中對(duì)瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測(cè)功能中。對(duì)于井下所部署的無線傳感器節(jié)點(diǎn)，其可通過通信相互交互的方式完成對(duì)數(shù)據(jù)的交換，然后在中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)將所有監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳到中心站，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)礦井內(nèi)部瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測(cè)；站點(diǎn)工作人員可通過觀測(cè)瓦斯?jié)舛鹊牟杉瘮?shù)據(jù)的變化，通過信息反向傳輸?shù)姆绞酵瓿蓪?duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的參數(shù)設(shè)定進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)整及校驗(yàn)。

1.1 監(jiān)測(cè)分站設(shè)計(jì)

礦井內(nèi)部無線傳感器瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，其核心是對(duì)底層監(jiān)測(cè)中的具有信息收集功能的監(jiān)測(cè)分站的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的組成包含有中心控制模塊，對(duì)輸入/輸出功能進(jìn)行設(shè)定的控制模塊和模擬量的輸入驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。

開關(guān)量輸入/輸出驅(qū)動(dòng)模塊。

文中對(duì)采集到的輸入信號(hào)的整理與過濾分別選取的芯片為40106和4007。其中首先通過40106實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出通道的整理，繼而使用2003完成對(duì)輸入信號(hào)功率的放大。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)之間的通信組成了一個(gè)有多跳功能的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出較強(qiáng)的自組織性能和擴(kuò)展性能，運(yùn)行可靠且易部署的優(yōu)勢(shì)，因此非常適用于煤礦工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，進(jìn)而形成針對(duì)礦井工作環(huán)境下的瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖1 開關(guān)量輸入/輸出驅(qū)動(dòng)模塊電路

瓦斯監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)中的結(jié)構(gòu)主要包含有特定傳感器，電源單元，控制及網(wǎng)絡(luò)通信模塊。對(duì)瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測(cè)通常選取1R14BD傳感器，該傳感器因采用非發(fā)散性紅外技術(shù)從而具有功耗低特點(diǎn)，可監(jiān)測(cè)的距離為[0,100%]LEL，此外紅外散發(fā)等所需的電流及電壓值分別為50mA和3V，熱電單元可同時(shí)對(duì)瓦斯?jié)舛群蜌怏w進(jìn)行檢測(cè)，通過控制單元可完成對(duì)其內(nèi)部動(dòng)態(tài)參數(shù)的校驗(yàn)；電源的供電方式可選取電池供電或外接源兩種方式。在工程設(shè)置中外接電源供電方式為第一選取方法；通信及控制模塊是基于JENNIC-5149進(jìn)行設(shè)計(jì)的，該模塊所需電流及電壓值分別為37mA和3V，在傳感器不工作的狀態(tài)下所需電流僅為26mA；模塊內(nèi)部的無線通信網(wǎng)絡(luò)是基于32位RISC-CPU協(xié)議，同時(shí)集成了192Kb的ROM，96kB的RAM和4個(gè)12位的ADC單元，從而在一定程度上提升了對(duì)瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)的能力與準(zhǔn)確率，采用RS-485作為系統(tǒng)的總線接口,另外考慮到距離參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響因此采用了2個(gè)UART，其具體的結(jié)構(gòu)如下圖2所示。

圖2 其瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3 無線傳感器布置

我國對(duì)瓦斯傳感器布置要求中已強(qiáng)調(diào)其應(yīng)設(shè)定在回采工作面中的上隅角；另外在煤與瓦斯突出工作面中的重要位置同樣也需要外加入傳感器；在巷道內(nèi)部以固定[500m,1000m]距離值處添加傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)要保證在拐彎處的外側(cè)傳感器位置距離工作面較遠(yuǎn)。對(duì)于彎道附近的傳感器節(jié)點(diǎn)由于當(dāng)其距離大于70m時(shí)會(huì)極可能出現(xiàn)大于15%的丟包率，而在水平直線的巷道內(nèi)部即使距離值大于500m也會(huì)很少產(chǎn)生丟包現(xiàn)象。故對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)在煤礦中的布置，對(duì)于彎道附近的節(jié)點(diǎn)要確保其可視性，水平巷道內(nèi)的觀測(cè)節(jié)點(diǎn)距離的布置可相應(yīng)的增大。

2 瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)與動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

IR14BD瓦斯傳感器的工作時(shí)基于紅外測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，該傳感器可根據(jù)紅外光的吸收能力從而算定瓦斯?jié)舛戎怠４送猸h(huán)境因素中的線性補(bǔ)償是由滿量程線性與零點(diǎn)線性組合而成。在操作過程中需要首先對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部所設(shè)置的傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)量進(jìn)行零點(diǎn)補(bǔ)償操作，其計(jì)算方法為：

式中：Act0為正常環(huán)境下的熱電檢測(cè)器檢測(cè)峰值，單位為mV；Ref0為正常環(huán)境下的參考熱電檢測(cè)器的檢測(cè)峰值，單位同樣為mV。此外JENNIC-5149中的ADC功能主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。滿量程校準(zhǔn)參數(shù)公式為：

式中：Actspa為滿量程條件下的輸出值，單位為mV；Refspa為參考輸出值，單位為mV；α、n為對(duì)傳感器的補(bǔ)償因子；C為氣體濃度值，單位為vol?？刹捎肑ENNIC-5149控制單元實(shí)現(xiàn)盡可能減少因外界因子給傳感器帶來干擾，β和γ分別為透光系數(shù)與校準(zhǔn)補(bǔ)償因子。該兩部分的計(jì)算公式為：

式中：Act為代補(bǔ)償峰值，其運(yùn)算單位為mV；Ref為代對(duì)輸出峰值的參考量，其運(yùn)算單位為mV。因此在γ補(bǔ)償情況下的校準(zhǔn)計(jì)算參數(shù)為：

式中：γ為系統(tǒng)內(nèi)部的補(bǔ)償因子參量；T為表示檢測(cè)發(fā)生時(shí)的井內(nèi)環(huán)境溫度；為校準(zhǔn)操作下的環(huán)境溫度，其單位均為℃。

瓦斯?jié)舛扔?jì)算方式為：

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1 無線傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程

文中基于JENNIC-5149所設(shè)計(jì)的無線傳感器單元能夠完成自檢、監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛茸兓膶?shí)時(shí)變化、無線自組網(wǎng)、超閾值數(shù)據(jù)報(bào)警及校定等功能。該系統(tǒng)的流程結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 無線瓦斯傳感器程序流程圖

3.2 地面程序主要功能

無線傳感器匯聚節(jié)點(diǎn)完成對(duì)各節(jié)點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行收集后并將其轉(zhuǎn)發(fā)至地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，然后通過自組網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)通完成監(jiān)測(cè)與控制，該系統(tǒng)所包含的功能有：

1）對(duì)煤礦井內(nèi)所部署的各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行參數(shù)設(shè)定及配置，完成在指定位置的裝設(shè)。

2）根據(jù)地面所接收到的濃度值大小對(duì)其變化進(jìn)行圖形繪制，同時(shí)也可以記錄當(dāng)前監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以供后續(xù)統(tǒng)計(jì)與分析。

3）以在線通信的方式對(duì)所采集的各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息值進(jìn)行記錄。

4）通過以太網(wǎng)連接方式完成傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)到值班室的上報(bào)，同時(shí)對(duì)超出閾值的數(shù)據(jù)報(bào)警顯示。

3.3 應(yīng)用結(jié)果

根據(jù)《煤礦安全生產(chǎn)規(guī)程》中的相關(guān)條例：當(dāng)采掘工作面中0.5范圍內(nèi)的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)值大于2%時(shí)需對(duì)現(xiàn)有工作均暫停運(yùn)行?；贘ENNIC-5149控制單元所設(shè)計(jì)的瓦斯檢測(cè)傳感器的檢測(cè)精度范圍為0.005～0.020。該精度類型的傳感器目前適用于煤礦生產(chǎn)場(chǎng)景。

表1 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

與傳統(tǒng)有線傳感器不同，無線傳感器可在降低成本的前提下對(duì)所有監(jiān)測(cè)區(qū)域的檢測(cè)信息進(jìn)行無線監(jiān)測(cè)與信號(hào)傳輸；此外由于紅外傳感器因其具有低消耗、長(zhǎng)壽命、可調(diào)性強(qiáng)等特征因而可實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯?jié)舛鹊膶?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而滿足對(duì)礦井安全進(jìn)行監(jiān)測(cè)的需求。