基于ZigBee的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)設計
1 引言
實時了解井下瓦斯?jié)舛仁敲旱V安全生產(chǎn)的一個重要因素。由于煤礦開采深度和開采規(guī)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(huán)境數(shù)據(jù)難以及時傳送到地面監(jiān)控中心,特別是在突發(fā)災難時各種有線通信設備幾乎處于癱瘓狀態(tài),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(huán)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(tǒng)總體結構
圖1給出瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的總體結構。它由地面監(jiān)控中心、井下ZigBee傳輸網(wǎng)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(wǎng)絡將數(shù)據(jù)進行中繼傳輸,逐級路由最終到達地面監(jiān)控中心,實現(xiàn)動態(tài)顯示、分析及其他處理。
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該系統(tǒng)根據(jù)可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰捎?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/zigbee/" target="_blank">ZigBee獨有的Mesh型網(wǎng)絡模式,逐級路由自動鏈接網(wǎng)絡中繼器進行數(shù)據(jù)傳遞。當網(wǎng)絡中最優(yōu)的通信路徑發(fā)生故障時,Mesh網(wǎng)絡會在冗余的其他路徑中重新選擇最合適的路徑供數(shù)據(jù)通信。因此,Mesh網(wǎng)絡有效縮短了信息傳輸?shù)难訒r,并提高了網(wǎng)絡通信的可靠性。基于Zigbee技術的FFD路由節(jié)點除負責發(fā)送本節(jié)點的數(shù)據(jù)外,還負責轉發(fā)其他節(jié)點的數(shù)據(jù)至中心節(jié)點,從而形成無線通訊網(wǎng)絡。
3瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的工作
瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)布置于試驗現(xiàn)場中,主要任務包括:多組數(shù)據(jù)采集,系統(tǒng)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(shù)字信號;數(shù)據(jù)處理,系統(tǒng)能實時分析采集的多路傳感器數(shù)據(jù),對結果進行決策并規(guī)劃執(zhí)行序列;緊急處理,分析結果,若出現(xiàn)甲烷超標突破安全范圍等危險或其他故障現(xiàn)象時,可控制報警系統(tǒng)報警;數(shù)據(jù)通信。瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)具備較高的波特率和穩(wěn)定的無線通信功能,且與地面指揮監(jiān)控中心的遠程上位機保持井下采集數(shù)據(jù)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(fā)生氧化反應,即"無焰燃燒",產(chǎn)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。
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將u0經(jīng)過信號比例放大、濾波后再進行兩項任務:一是進入MCU內(nèi)部的A/D轉換和計算處理;二是通過比較器將放大的電壓即A/D輸入值Vadc與從定位器R13上取得的危險基準信號VH進行比較,若Vadc>VH,則輸出端PB01輸出為高電平5 V,MCU產(chǎn)生報警控制信號,這說明此時瓦斯?jié)舛纫呀?jīng)達到了危險值,需要觸發(fā)危險報警信號;反之,若Vadc
在煤礦安全規(guī)程中,瓦斯?jié)舛鹊母叩筒捎冒俜謹?shù)表示,并且在5%~16%之間容易發(fā)生事故,必須建立Vadc與濃度百分數(shù)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(shù)。經(jīng)實驗獲得標定的瓦斯?jié)舛劝俜謹?shù)為:
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式中,0.001 6為修正值,設計過程中規(guī)定:當瓦斯?jié)舛冗_到6%時,MCU發(fā)出預報警信號;當瓦期濃度達到16%時,Vadc>VH即2.85 V時,MCU發(fā)出危險報警信號。考慮到突發(fā)事故,整個系統(tǒng)的瓦斯?jié)舛葯z測范圍確定為0%~50.5%。
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- 第 2 頁:ZigBee無線通信設計
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( 發(fā)表人:大本 )