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1 引言 煤炭作為一種重要的能源，在工業生產等許多方面發揮著舉足輕重的作用，關系著國民經濟的命脈。煤炭開采中的安全問題一直是受到極大重視的。如果一旦出現安全問題，不僅會造成巨大的經濟損失，而且直接威脅到煤炭工人的生命安全。近年來，我國煤炭開采的安全問題形勢不容樂觀，各地礦難時有發生，特別是一些小煤礦更存在著嚴重的安全隱患。所以，采取現代安全監測措施勢在必行。 隨著科學技術的不斷進步，煤炭開采中安全監測的現代化步伐也在不斷前進。煤礦安全監測的參數有很多，其中瓦斯濃度是個很重要的參數．如果濃度過大，容易造成爆炸危險，后果不堪設想，同樣溫度也是一個很重要的參數。 很多系統采用有線傳輸的方式，但存在著布線困難，價格昂貴的缺點。基于以上，本文設計了一種煤礦溫度和瓦斯濃度無線監測系統。 2 系統組成及工作原理 整個系統由主控室PC機、上位機、下位機組成，通信采用無線通信方式，系統整體框圖如圖1所示。 整個系統包括240個下位機、一個上位機和一臺PC機。本系統采用無線通信方式，上位機發同步信號，下位機依次在各自時隙向上位機發送數據，每隔15分鐘發送一次。瓦斯傳感器將瓦斯濃度轉化為電信號，輸出的電壓幅值和濃度成正比，溫度傳感器使用數字溫度傳感器。下位機由單片機和無線收發模塊組成，用于現場監測，對采集到的數據進行打包，并通過無線收發模塊將數據傳給上位機。上位機也是由單片機和無線收發模塊組成，主要作用是負責整個系統的同步和接收下位機發送來的數據，并轉發給PC機。 本系統采用TI公司生產的MSP430F135單片機，它具有以下特點：功耗低，工作電流是微安級；速度快，最快指令周期達到125 ns，外圍部件豐富，擁有A／D轉換器，比較器，兩個16位定時器，6個8位并行端口等。無線通信采用CHIPCON公司生產的CCl000無線收發芯片，它工作在300 MHz～1 000 MHz范圍內的ISM頻段，通常應用于低功耗無線通信。溫度傳感器使用DALLAS公司的DSl8820。瓦斯傳感器使用我國自己生產的MJC4／3．0L。 3 數據的采集 DSl8820采用單總線通信方式，與單片機連接時只需要外接一個5．1 kΩ左右的上拉電阻，選用外部電源供電，外圍電路簡單明了。測溫的范圍是一55℃～+125℃。轉換結果為9～12位，當結果為12位時，最小分辨率可以達到O．062 5℃。在本系統中，在初始化階段將轉換結果設置為9位，相應的分辨率為O．5℃，并且完成一次轉換只需要93．75 ms，遠遠小于12位轉換時所需的750 ms。由于在數據幀中用一個字節表示溫度，所以要進行一次右移，結果為整數。 每次數據發送之前進行10次溫度數據的采集，然后取平均值，以保證數據更加可靠、準確。 MJC4／3．0L型催化元件根據催化燃燒效應的原理工作，由檢測元件和補償元件配對組成電橋的兩個臂，遇可燃性氣體時檢測元件電阻升高，橋路輸出電壓變化，該電壓變量隨氣體濃度增大而成正比例增大，補償元件起到溫濕度補償作用。它具有以下特點：橋路輸出電壓呈線性，響應速度快，元件工作穩定，能夠抗H2S中毒。被廣泛應用于工業現場的天然氣、液化氣、煤氣、烷類等可燃性氣體及汽油、醇、酮、苯等有機溶劑蒸汽的濃度檢測。 在本系統中MJC4／3．OL后接放大電路，瓦斯濃度是一個變化的量，相應的輸出電壓也就跟著變化，在實際中，工作人員希望得到的是比較準確的峰值，所以本系統采用了峰值檢測電路，如圖2所示。 每次瓦斯濃度測量之前，斷開開關K，延時50 ms，以采集峰值。用50 ms進行A／D轉換并且將數據存儲，定時到時合上開關K，放電。同樣。每回發送數據之前進行10次數據采集并取平均。如果得到的結果大于設定的電壓，下位機報警，現場發光二極管閃爍。 4 系統工作流程 本系統是無線監測系統，下位機電路采用鋰電池供電，要求連續工作1年以上，因此在設計系統流程時首先要考慮能耗問題。由于瓦斯和溫度的變化是一個比較緩慢的過程，只要15分鐘進行一次數據收發即可，因此可讓傳感器電路在絕大多數時間內處于睡眠狀態，以節約能耗。無線收發芯片CCl000的工作電流約為10 mA，而在睡眠狀態下僅有1μA；射頻功放在發送數據時耗電約為70 mA。 MSP430F135單片機的工作電流為300μA，在睡眠狀態下不到2μA。 為了節約能耗，將15分鐘分成90個時隙。上位機每隔lO s發一次時隙代碼Tc，Tc=0x00～0x59，每次發完后轉到接收狀態。上位機發送的數據幀包括4個字節的前導碼，1個字節的開始界定符0xF3，1個字節時隙代碼TC，并加上一個字節的CRC校驗碼提高無線傳輸的可靠性，因此一個數據幀共有7個字節，約需要12 ms。(CCl000的傳信率設置為4．8 kbps) 下位機要發送的數據包括4個字節的前導碼，1個字節的開始界定符0xF2，1個字節的地址碼，1個字節的溫度值數據。1個字節的瓦斯濃度數據，加上1個字節的CRC校驗碼。因此一個數據幀共有9個字節。這樣發送數據需要15 ms。 在此基礎上，設計了無線監測系統流程，給每臺下位機分配20 ms的發送時間，240臺下位機(序號從0x01到0xF0)完成一次通信共需要4．8 s。 下位機流程如下： (1)下位機初始化后轉到接收狀態；收到時隙代碼Tc后計算睡眠時間t，進入睡眠。 t=lO×(90一Tc)一1．5 s． 同時將定時器t2清零并開始定時。 (2)定時器t2結束時，t2清零，開始執行信號采集子程序。 (3)當t2=1 s時，斷開信號采集電路，并轉到接收狀態。 (4)當t2=1．5 s時，接收同步信號0x00，并根據本機地址碼n計算發送數據的時刻t1=(n一1)×20 ms． 同時將定時器t1、t2清零，開始定時，下位機進入睡眠狀態。 (5)第n個下位機在tl=(n一1)×20 ms時被喚醒并發送數據，發送完后再次進入睡眠狀態，轉到步驟(2)。上位機的流程較為簡單，下面只給出下位機工作的流程圖，如圖3所示。 5 結束語 本系統有效地采集了煤礦井下多個測點的溫度和瓦斯濃度；低功耗工作延長了系統的工作壽命；無線傳輸降低了系統的復雜度和布線費用。系統具有很高的可靠性與性價比。 |
