楊 梁,鞏秀鋼

(山東理工大學計算機科學與技術(shù)學院,山東淄博255049)

在煤炭生產(chǎn)中,安全一直是重中之重.井下環(huán)境復(fù)雜,一旦出現(xiàn)問題,會直接影響作業(yè)人員的人身安全.煤礦安全監(jiān)測的參數(shù)有很多,其中瓦斯?jié)舛仁莻€很重要的參數(shù),如果濃度達到一定范圍,容易造成爆炸[1].2007年12月6日,山西臨汾市洪洞縣原新窯煤礦發(fā)生瓦斯爆炸事故,105人遇難,造成了嚴重的人身和財產(chǎn)損失.目前井下瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測系統(tǒng)主要分為有線監(jiān)測系統(tǒng)和無線監(jiān)測系統(tǒng).有線監(jiān)測系統(tǒng)布線非常復(fù)雜,維護相對困難,并且線路容易受腐蝕.無線監(jiān)測系統(tǒng)主要是由單片機、傳感器和通信芯片組成,結(jié)構(gòu)冗余,功耗相對較高,成本也相對較高.本文所介紹的方法基于ZigBee協(xié)議,采用功耗較低的傳感器,將ZigBee與傳感器有機地結(jié)合在一起,有效地避免了現(xiàn)有有線監(jiān)測系統(tǒng)和無線監(jiān)測系統(tǒng)的不足.

1 ZigBee無線監(jiān)測系統(tǒng)

近年來隨著無線傳感器等技術(shù)的發(fā)展,無線監(jiān)測系統(tǒng)作為一種新興的監(jiān)測系統(tǒng),具有易維護、成本低等優(yōu)勢.無線監(jiān)測系統(tǒng)能對監(jiān)測環(huán)境內(nèi)的各種信號進行聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測記錄,通過無線傳輸技術(shù)將傳感器所采集的各種狀態(tài)信號直接傳輸?shù)街行墓?jié)點上,隨后中心節(jié)點進行進一步的數(shù)據(jù)處理以供監(jiān)測人員監(jiān)測.

Zigbee技術(shù)是一種具有低速率、近距離、低功耗、低復(fù)雜度、低成本、通信可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點的無線通信技術(shù).這種技術(shù)支持星型、網(wǎng)絡(luò)對等、混合型等多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu).

星型拓撲結(jié)構(gòu)由一個主協(xié)調(diào)器和多個子節(jié)點設(shè)備組成,網(wǎng)絡(luò)中的子節(jié)點只可與主協(xié)調(diào)器進行通信.

網(wǎng)絡(luò)對等拓撲結(jié)構(gòu)也有一個主協(xié)調(diào)器,與星型拓撲結(jié)構(gòu)不同之處在于,在該網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備節(jié)點間也可進行相互通信[2].

混合型拓撲結(jié)構(gòu)中,協(xié)調(diào)器是整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的中心,路由器分別作為各自區(qū)域的中繼器,這種結(jié)構(gòu)既具有星型網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點也具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點.圖1是典型的ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),E作為ZigBee的協(xié)調(diào)器,是整個網(wǎng)絡(luò)的中心,C是ZigBee的路由器,負責某一區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)通信,D則是系統(tǒng)的終端節(jié)點,用于信息的采集,由D,E,C構(gòu)成了整個的ZigBee網(wǎng)絡(luò).

圖1 典型ZigBee網(wǎng)絡(luò)圖

ZigBee無線監(jiān)測系統(tǒng)是基于傳感器技術(shù)并以ZigBee作為核心的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò).它將ZigBee與傳感器相結(jié)合,通過傳感器將各種信號采集并發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點.監(jiān)測系統(tǒng)由多個ZigBee節(jié)點組成的,每個ZigBee節(jié)點都可以對周圍環(huán)境數(shù)據(jù)的信號進行采集、計算以及與其他節(jié)點及外界進行通信,從而使得傳感器可以通過協(xié)同工作進行高質(zhì)量的傳感,組成一個容錯性較好的采集系統(tǒng).由于ZigBee本身所具有的優(yōu)點,使得整個網(wǎng)絡(luò)不必考慮功耗,成本等問題.這種無線監(jiān)測系統(tǒng)具有維護性好、易擴展等優(yōu)點,是未來監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展的趨勢.

2 基于ZigBee的煤礦瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案

基于ZigBee的瓦斯?jié)舛葻o線監(jiān)測系統(tǒng)是由多種ZigBee節(jié)點組成.ZigBee節(jié)點包括協(xié)調(diào)器、路由器節(jié)點、終端采集節(jié)點.協(xié)調(diào)器的作用主要是從各個路由器節(jié)點得到的數(shù)據(jù)以及負責與外界的通信.路由器節(jié)點是監(jiān)測區(qū)域的中繼器,主要負責從采集節(jié)點接受數(shù)據(jù),然后發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點.終端采集節(jié)點的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示,它是由供電模塊、ZigBee模塊、瓦斯傳感器模塊等組成,主要負責整個監(jiān)測區(qū)域瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測及上傳.整個網(wǎng)絡(luò)采用樹狀網(wǎng)絡(luò),整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的中心就是協(xié)調(diào)器節(jié)點.系統(tǒng)沒有最大通信距離的限制,系統(tǒng)具有自動組織功能,某個節(jié)點出現(xiàn)故障也不影響網(wǎng)絡(luò)運行,保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院拖到y(tǒng)安全性.眾多的傳感器協(xié)同工作組成一個可靠的監(jiān)測系統(tǒng).

圖2 采集節(jié)點的系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 煤礦瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)的ZigBee模塊采用Jennic的JN5121芯片,JN5121是一款兼容于IEEE802.15.4的低功耗、低成本無線微型控制器.該模塊內(nèi)置一款32位的RISC處理器,配置有2.4GHz頻段的IEEE802.15.4標準的無線收發(fā)器,64 KB的ROM,96 KB的RAM.JN5121內(nèi)置的ROM存儲器中集成了點對點通信與網(wǎng)狀網(wǎng)通信的完整協(xié)議棧.其內(nèi)置的RAM存儲器,支持網(wǎng)絡(luò)路由和控制器功能而不需要外部擴展任何的存儲空間.由于自帶RISC處理器和存儲模塊,使得整個監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)點不需單獨外接CPU和存儲模塊[3].

協(xié)調(diào)器節(jié)點的硬件設(shè)計比較簡單,他主要負責接受處理來自采集節(jié)點的數(shù)據(jù),整個節(jié)點僅包括電源和JN5121模塊.

路由器節(jié)點和采集節(jié)點的硬件電路類似,只是軟件設(shè)計中角色的定義有些差異,負責網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的中繼工作.下面著重介紹采集節(jié)點的硬件設(shè)計.

數(shù)據(jù)采集節(jié)點的硬件原理圖如圖3所示,傳感器模塊采用KGS-20低功耗瓦斯傳感器.KGS-20具有極高靈敏度和極快的響應(yīng)速度且低功耗.KGS-20型可燃氣傳感器適用于對瓦斯等可燃氣濃度的檢測,用于瓦斯報警器,可燃氣報警器,瓦斯檢測儀等.該傳感器體積小,耗電低,應(yīng)用電路簡單,報警濃度為甲烷≥1%,響應(yīng)時間≤20 s,恢復(fù)時間≤30 s,工作溫度范圍-15℃～+50℃,濕度≤97%,靜態(tài)功耗為150 mW,報警狀態(tài)功耗為300 mW,供電電壓為3～5 V.傳感器敏感組件的電阻RS的變化表現(xiàn)為負載電阻RL上的電壓變化.驅(qū)動電壓VH、負載電阻RL以及檢測電壓VD的取值參照公司提供的典型資料,以使傳感器處于最佳工作狀態(tài).低功耗使得KGS-20傳感器完全符合監(jiān)測系統(tǒng)的需求.

圖3 終端采集節(jié)點電路圖

供電電源采用兩節(jié)1.5 V堿性電池組成,采用常用的LM1117穩(wěn)壓芯片.LM1117是一個低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列,其壓差在1.2 V輸出,負載電流800 mA時為1.2 V.LM1117提供電流限制和熱保護,電路包含1個齊納調(diào)節(jié)的帶隙參考電壓以確保輸出電壓的精度在±1以內(nèi),輸出端需要一個至少10 μ F的鉭電容來改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性.

2.2 煤礦瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

ZigBee的軟件開發(fā)可以使用匯編語言和C語言,匯編語言是一種低級語言,功能強大但是編寫不便,C語言是一種面向過程的高級語言,同時具有高級語言和匯編語言的優(yōu)點.JN5121自帶了CodeblockIDE編輯器,可以對C語言進行編譯并自帶C語言函數(shù)庫,本系統(tǒng)的軟件可以通過C語言來編寫.

圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點和采集節(jié)點程序框圖

軟件的設(shè)計需要根據(jù)系統(tǒng)節(jié)點的類型來決定.根據(jù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計,監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)點分為協(xié)調(diào)器、路由器和采集節(jié)點三種類型.協(xié)調(diào)器主要負責組建網(wǎng)絡(luò),接受來自于路由器的數(shù)據(jù),開啟空閑通道等功能.而路由器與采集節(jié)點功能相似,主要負責加入網(wǎng)絡(luò)、周期性的發(fā)送數(shù)據(jù)等功能.

程序流程如圖4所示,首先協(xié)調(diào)器等節(jié)點上電初始化整個ZigBee協(xié)議棧,再由協(xié)調(diào)器按照程序指定建立ZigBee網(wǎng)絡(luò),設(shè)定PANID,PAN協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)后,其他的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備就可以加入網(wǎng)絡(luò)了.終端采集節(jié)點或者路由器如果需要加入網(wǎng)絡(luò)首先要完成自己的初始化過程,經(jīng)過身份驗證后即可加入網(wǎng)絡(luò),此時PAN協(xié)調(diào)器將發(fā)送一個16位的短地址給節(jié)點,作為節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的標識.終端采集節(jié)點和路由器節(jié)點尋找網(wǎng)絡(luò)并加入由協(xié)調(diào)器所建的網(wǎng)絡(luò),然后協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點進行Endpoint綁定,分別執(zhí)行發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的函數(shù).

3 實驗結(jié)果

瓦斯?jié)舛冗^高對身體會造成一定傷害,礦井瓦斯尤其是采掘工作面的瓦斯?jié)舛炔荒艹^1%,有些地方最高不超過1.5%.因此,井下瓦斯的報警濃度為1%,瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的規(guī)定誤差范圍0.05%,KGS-20傳感器的報警濃度即為1%.在實驗室中采用標準濃度為1%和1.5%的甲烷氣樣,將氣樣導(dǎo)入鋼瓶,然后將傳感器探入,測定氣體濃度.

表1 瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測結(jié)果

基于KGS-20的瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果見表1,在5 min的測試中,傳感器測得的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)誤差基本小于0.05%.六次實驗的平均誤差僅為0.024%,根據(jù)井下瓦斯?jié)舛鹊臉藴室约熬峦咚拐`差范圍的規(guī)定,系統(tǒng)完全滿足瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測系統(tǒng)的要求.

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的新型瓦斯斯監(jiān)測系統(tǒng)具有功耗低的優(yōu)點,整個節(jié)點工作電流≤70 mA,當處于休眠狀態(tài)時,電流≤7 μ A,能夠延長系統(tǒng)的工作壽命.同時,采用最新的ZigBee協(xié)議棧,使整個系統(tǒng)可以根據(jù)具體需要在采集節(jié)點上擴充相應(yīng)傳感器以完成更多數(shù)據(jù)采集需求.KGS-20具有極高靈敏度和極快的響應(yīng)速度,其響應(yīng)時間低于10 s,進一步增強了系統(tǒng)處理突發(fā)事件的能力.

[1] 楊博,蕭寶瑾,李亞麗.煤礦溫度和瓦斯?jié)舛葻o線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J] .山西電子技術(shù),2009(2):3-4.

[2] 徐志遠,許賀南,凌志浩.JN5121無線控制器的功能剖析及應(yīng)用探討[J] .自動化儀表,2008,4(5):61-63.

[3] 尹航,張奇松,程志林.基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)[J] .機電工程,2008,25(11):20-23.