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摘要：針對目前煤礦瓦斯防治的需要，結合生產實際情況，設計了一套煤礦瓦斯體積分數無線監測系統。該系統基于ZigBee技術開發，主要由瓦斯傳感器、微處理器、通訊網絡及軟件程序共同構成，可實現對煤礦井下瓦斯體積分數的實時檢測、無線傳輸及超限預警等功能。實踐表明，該系統可較好完成智能傳感模塊的自動組網、瓦斯體積分數在線監測及預警等目標，且具有工作穩定性好、靈活性高等優勢，能有效保障煤礦井下生產的安全高效運行。

關鍵詞：煤礦；瓦斯體積分數；ZigBee；無線監測

煤礦瓦斯防治是保障煤礦生產安全的重點工作。瓦斯作為煤的伴生物，其主要成分為CH4，具有無色、無味、容易燃燒、容易爆炸等特點，必須對其進行嚴格監控，而人為排查較為困難，需要借助相關傳感設備進行監測。目前煤礦中主要通過布置瓦斯濃度傳感器結合人工巡檢的方式及布置有線的瓦斯監測系統進行瓦斯體積分數監測。前者自動化水平較低、效率差，后者布線復雜、靈活性差且成本較高，都難以滿足煤礦生產的要求[1]。而目前已經比較成熟的無線傳感器網絡技術，恰好可以解決這個難題。ZigBee（紫蜂協議）作為其中一種短距離的無線傳輸技術，具有簡便高效、低成本、低功耗等優勢，在工業自動化及采礦領域得到了廣泛應用。為此，本文針對目前生產中存在的不足，結合相關資料及生產規定對井下瓦斯監測的工作原理及過程進行了研究，基于ZigBee技術進行了瓦斯監測的無線傳感器網絡的構建，并結合總線技術及編程知識設計了一套針對煤礦井下瓦斯防治的無線監測系統。系統可實現對瓦斯體積分數的實時監測及自動報警，無需人工干預，可提高煤礦生產的自動化程度，減少工人工作量，同時保障煤礦企業生產安全[2]。

1總體方案介紹

中國煤礦開采多在礦井深處進行，工作環境相對復雜，設備也較多。根據煤礦生產規定，瓦斯防治是“一通三防”的主要內容，必須對作業區域的瓦斯體積分數進行實時監測，以保障生產安全[3]。ZigBee技術基于IEEE802.15.4標準開發，是目前工業自動化領域中廣泛應用的一種短距離、低功耗、低成本、高可靠性的雙向低速率無線通訊技術，能滿足煤礦瓦斯監測的傳輸速率、可靠性及安全性要求。系統基于ZigBee無線通訊協議開發，總體結構主要分為傳感器節點、通訊網絡及上位機，通過瓦斯濃度傳感器監測工作環境中的瓦斯體積分數，在微處理器中進行信息處理。通過無線收發模塊進行信息的接收、發射傳輸，最后將信息匯集到上位機進行統計、存儲、顯示。

2系統設計

2.1硬件選型

系統的硬件組成主要包括瓦斯傳感器、微處理器、無線收發模塊、電源及上位機等。其中，微處理器作為控制核心，選擇TI（德州儀器）公司設計生產的16位MSP430混合信號單片機，該微處理器具有60kB+256字節FLASH（閃存）、2kBRAM（內存），功耗低、運算快、性能出色且穩定、集成了A/D（模擬量/數字量）轉換等功能，工作溫度范圍為-40～+85℃，廣泛應用于工業控制領域。無線收發模塊同樣選擇TI公司的CC2430模塊，它在單個芯片上整合了ZigBeeRF（射頻）、前端、內存和微控制器，能滿足2.4GHz的射頻收發，且具有功耗低、性能好、抗干擾能力強的特點。鑒于瓦斯的主要成分為CH4，瓦斯傳感器選用MJC4(A)催化燃燒式氣敏元件。該元件可對工作環境中的CH4等可燃氣體體積分數進行檢測并將其轉化為電信號，測量范圍為0%~4%CH4，工作溫度為-40~+70℃，工作電壓3.0V。

2.2傳感器節點設計

傳感器節點安裝在采掘工作面、回風巷道及硐室等井下環境，完成對瓦斯體積分數數據的采集、傳輸、運算、狀態判定等一系列功能。其中，傳感器節點的CH4傳感元件檢測工作環境中的CH4體積分數，并連續自動地將井下CH4體積分數轉化為電信號，借助外圍配置電路放大調理處理可以實現對CH4體積分數信息的接收。傳感器節點的傳感元件配置電路結構如圖1所示。傳感元件將檢測到的數據通過外圍電路傳輸給與之相連的微處理器A/D接口；微處理器對數據進行轉化、運算，得到其中的CH4體積分數，判斷是否執行超限報警，并將數據通過無線收發模塊進行轉化、發送。此外，傳感器節點的無線收發模塊還可以接收、發射其他節點的數據，在ZigBee無線網絡中進行傳輸。在接收過程中，無線收發模塊從天線獲取RF信號，通過低噪聲放大器進行處理后變頻為中頻信號，經濾波、放大、A/D轉換為數字信號。在發射過程中，則對被調制后的信號進行D/A（數字量/模擬量）轉換后，由單邊帶調制器進行濾波和變頻轉換為RF信號進行發送。各傳感器節點接收、轉化、傳輸本節點及外部傳感器節點的CH4體積分數，形成無線傳感器網絡并最終將信息匯總到終端節點，終端節點通過有線傳輸將信息整合到上位機監測層。傳感器節點的電源可選擇干電池供電及外部5V電源通過電壓轉化為3.3V的供電方式，其中電源供電原理圖如圖2所示。

2.3通訊模塊設計

系統通訊模塊主要完成系統傳感器節點內部、傳感器節點之間、終端節點與上位機之間的通信。傳感器節點通過瓦斯傳感器配置的外圍電路采集電壓值并從模擬量接口導入到MSP430微處理器，微處理器通過SPI（串行外設接口）實現與無線收發模塊CC2430的通信，其中MSP430作為主設備、CC2430作為從設備通過SPI實現信息交互。匯總信息的終端節點則通過Modbus協議實現將匯集的信息上傳到上位機監測層，實現數據的存儲、統計及可視化。無線監測系統的總體通訊結構如圖3所示。

3軟件程序設計

系統軟件程序設計主要包括傳感器節點的軟件設計及上位機軟件設計兩部分。其中，上位機軟件設計通過WinCC（視窗控制中心）完成人機界面的組態、數據儲存及可視化功能設計。傳感器節點的軟件設計則借助軟件開發工具LAREmbeddedWorkbench實現。該平臺是嵌入式系統，開發中廣泛應用集成開發環境，包含全面的軟件模擬程序，功能強大的編輯器、連接器、調試器及豐富的源程序庫。開發過程中，在工作區建立工程項目，添加程序代碼并進行編譯、調試，具有方便、快捷的特點。系統程序內容包括主程序和各具體功能子程序，運行過程中通過掃描主程序并調用具體的功能子程序實現監測目標。編寫好的程序通過JTAG（聯合測試工作組）接口下載到單片機的FLASH中，由JTAG接口控制程序運行，完成程序開發調試。傳感器節點的主程序流程如圖4所示。

4仿真測試

為了保障系統的可靠性，利用0%~6%的不同體積分數CH4氣體及不同溫濕度環境對系統進行仿真，通過分析傳感器節點及終端節點獲取的電壓信號與測試瓦斯體積分數的比例關系，分別測試傳感器節點的準確性、靈敏性及ZigBee網絡的自動組網、傳輸性能，根據測試結果對系統進行調試，確保系統的穩定可靠。

5結語

針對煤礦生產中瓦斯監測存在的自動化水平低及靈活性差的不足，對煤礦瓦斯體積分數無線監測系統進行了研究與應用。結合生產實際情況，基于ZigBee通訊技術設計了煤礦瓦斯體積分數監測系統。該系統具有自動組網、無線傳輸等優勢，實現了對煤礦實際生產中瓦斯體積分數的自動監測等功能，可大大提高煤礦生產的自動化水平，保障生產安全，同時減少工人的工作量，提高煤礦生產效益。

參考文獻：

［1］張義偉，李孟嬌，劉寶元.基于STM32和GSM的煤礦瓦斯報警系統的設計［J］.煤炭技術，2019，38(6)：130-132.

［2］陳洲.無線傳感技術在煤礦瓦斯監測系統中的應用［J］.黑龍江科技信息，2016(31)：155.

［3］董曉鈞.煤礦瓦斯無線傳感監測系統的設計與實現［J］.煤礦機械，2014，35(11)：277-279.

作者：王磊 單位：大同煤礦集團有限責任公司云岡礦