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1 引言 實時了解井下瓦斯濃度是煤礦安全生產的一個重要因素。由于煤礦開采深度和開采規模的加大，各項有線檢測設備很難及時跟進，造成井下的實時環境數據難以及時傳送到地面監控中心，特別是在突發災難時各種有線通信設備幾乎處于癱瘓狀態，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 系統總體結構 圖1給出瓦斯監測系統的總體結構。它由地面監控中心、井下ZigBee傳輸網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無線通信網絡將數據進行中繼傳輸，逐級路由最終到達地面監控中心，實現動態顯示、分析及其他處理。 該系統根據可靠數據傳輸的需要，采用ZigBee獨有的Mesh型網絡模式，逐級路由自動鏈接網絡中繼器進行數據傳遞。當網絡中最優的通信路徑發生故障時，Mesh網絡會在冗余的其他路徑中重新選擇最合適的路徑供數據通信。因此，Mesh網絡有效縮短了信息傳輸的延時，并提高了網絡通信的可靠性�；赯igbee技術的FFD路由節點除負責發送本節點的數據外，還負責轉發其他節點的數據至中心節點，從而形成無線通訊網絡。 3 瓦斯監測系統的工作 瓦斯監測系統布置于試驗現場中，主要任務包括：多組數據采集，系統以較高的采樣率將傳感器傳送來的模擬信號通過A／D轉換器轉換成數字信號；數據處理，系統能實時分析采集的多路傳感器數據，對結果進行決策并規劃執行序列；緊急處理，分析結果，若出現甲烷超標突破安全范圍等危險或其他故障現象時，可控制報警系統報警；數據通信。瓦斯監測系統具備較高的波特率和穩定的無線通信功能，且與地面指揮監控中心的遠程上位機保持井下采集數據的實時通信。 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生氧化反應，即"無焰燃燒"，產生大量的熱量，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。 將u0經過信號比例放大、濾波后再進行兩項任務：一是進入MCU內部的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產生報警控制信號，這說明此時瓦斯濃度已經達到了危險值，需要觸發危險報警信號；反之，若Vadc在煤礦安全規程中，瓦斯濃度的高低采用百分數表示，并且在5％～16％之間容易發生事故，必須建立Vadc與濃度百分數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。經實驗獲得標定的瓦斯濃度百分數為： 式中，0.001 6為修正值，設計過程中規定：當瓦斯濃度達到6％時，MCU發出預報警信號；當瓦期濃度達到16％時，Vadc＞VH即2.85 V時，MCU發出危險報警信號�？紤]到突發事故，整個系統的瓦斯濃度檢測范圍確定為0％～50.5％。 3.2 ZigBee無線通信設計 2002年8月成立了由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導體公司組成的ZigBee聯盟。ZigBee的物理層和鏈路層協議主要采用IEEE 802.15.4標準，利用全球共用的公共頻率2.4～2.484 GHz免執照頻段進行通訊，工作在2.4 GHz頻段上的最高傳輸速率為250 Kb／s，采用了0-QPSK調制方法。圖3給出ZigBee無線通信接口電路，用于通信的ZigBee線路接入器選用符合標準ZigBee協議的集成收發RF器件CC2420和利用PCB無線收發天線，以及少量的外圍器件。CC2420采用直序擴頻技術，保證了數據傳輸的可靠性。電路中，其外圍電路包括晶體振蕩器時鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和微控制器接口電路3部分。CC2420的晶振信號既可由外部有源晶體提供，也可由內部電路提供。由內部電路提供時，需外加晶體振蕩器和兩只負載電容，容值取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數。射頻輸入／輸出匹配電路主要用來匹配器件的輸入／輸出阻抗。CC2420通過內部繼承的SI、SO、SCK和CSn 4條SPI總線設置器件的工作模式，并實現讀／寫緩存數據及讀／寫狀態寄存器等功能，通過控制FIFO和FIFOP引腳接口狀態設置發射／接收緩存器。在數據傳輸過程中，CSn必須始終保持低電平。另外，通過CCA引腳狀態的設置清除通道估計，通過SFD引腳狀態的設置控制時鐘／定時信息的輸入。當系統上電后，將自動與井下無線通信網絡建立鏈路關系，通過中心控制臺，向監測系統發出網絡連接自檢信號，當MCU接收到連接信號后，返回應答信號至控制中心，完成一次完整的ZigBee網絡通信；如果在發送信號時ACK標志位置位，而且在一定的超時期限內沒有收到應答，發送器將重復發送固定次數，若仍無應答就宣布發生錯誤，請求重新建立通信連接。當通信鏈路成功時，整個檢測系統開始工作，C8051F010將采集到的模擬信號進行數字轉換、分析處理，將結果保存到內部數據寄存器中，通過SPI接口方式與CC2420實現通信。CC2420擴頻后將數據發送到中繼器FFD-1以數據包的形式傳送給下一級FFD網絡協調器，依次傳輸后到達井口的FFD中繼器，它通過RS485有線連接到地面指揮中心。 3.3 程序設計 下位機程序設計方案包括動態連接網絡、數據采集部分和應用控制程序。動態連接網絡負責查詢網絡設備和建立通訊鏈路；數據采集部分包括瓦斯濃度的采集、處理和保存；應用控制程序負責執行控制命令等功能。總體程序流程如圖4所示。 4 實驗結果 在仿真試驗箱內，對不同測試點分別注入不同濃度的瓦斯樣本用于實驗數據測試。表1給出不同測試點的測試結果對比，真實值由標準的測試儀提供；該方法由仿真監控中心上位機提供。實驗測試數據保證了誤差在1％以內的精確度。 5 結語 設計了基于ZigBee和雙MCU結構的井下無線通信現場綜合監測系統。通過巧妙選擇和配置控制器，合理優化設計系統接口電路，實現了傳感器信息的高速、高精度采集和復雜算法的大數據量實時計算、分析等功能，并降低成本，簡化電路設計。 該系統作為井下現場綜合監測的子系統，用于井下瓦斯信息的采集分析。實驗表明，它能夠滿足井下的信息采集、數據分析以及通信控制等任務，具有較好的可靠性和實時性。 |
