田振輝+黃興海+朱超+劉忠富

摘要：針對當前有線礦井瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)存在監(jiān)測盲區(qū)及線路繁瑣、監(jiān)測節(jié)點位置固定等問題，該文以TI公司CC2430微處理器為核心，設計了一個低消耗、低成本、便于攜帶和易于維護的多協(xié)調(diào)器物聯(lián)網(wǎng)礦井瓦斯災害預警系統(tǒng)網(wǎng)絡節(jié)點，該系統(tǒng)網(wǎng)絡節(jié)點綜合解決了傳統(tǒng)有線監(jiān)測系統(tǒng)所不能到達的監(jiān)測盲區(qū)和人工不能實時監(jiān)測的問題，實現(xiàn)了無線瓦斯?jié)舛葎討B(tài)監(jiān)測。

關鍵詞：網(wǎng)絡節(jié)點；Zigbee；CC2430；瓦斯檢測

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）34-8326-02

在礦井事故中，瓦斯事故占很大的比例。由于礦井環(huán)境惡劣，干擾信號很強，因此在礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)中，仍然大量采用固定傳感器和用有線光纜進行信號傳輸?shù)南到y(tǒng)，此類系統(tǒng)需要在礦井內(nèi)敷設電纜來傳遞監(jiān)控信息。有線監(jiān)控系統(tǒng)抗干擾性得到了提高，但在生產(chǎn)過程中，礦井的布局及構造會發(fā)生很大的變化，同時不同位置空間差距變化較大，對有線通信網(wǎng)絡的敷設及維護帶來了一定的困難。因此，設計無線礦井瓦斯實時監(jiān)控、預警系統(tǒng)已成為當務之急，是預防煤礦安全事故的有效手段。

無線傳感網(wǎng)絡的出現(xiàn)，對物聯(lián)網(wǎng)技術起到了很大的促進作用。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡也隨之出現(xiàn)，其特有的低功耗、自組網(wǎng)的功能相比以往的有線傳輸通信系統(tǒng)具有了很大的優(yōu)勢[1]。把瓦斯傳感器技術、嵌入式單片機技術以及無線傳感網(wǎng)絡技術結合在一起，可以克服目前礦井瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)存在的缺點，實現(xiàn)高性能的礦井瓦斯預警系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)構建

瓦斯災害預警系統(tǒng)由瓦斯傳感器檢測模塊、無線射頻模塊、監(jiān)控中心上位機等組成[2]。系統(tǒng)框圖如圖1所示，沿礦井巷道每隔30-50m，在巷道頂部安裝一個無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡匯聚節(jié)點，在網(wǎng)絡匯聚節(jié)點周圍安裝一些瓦斯傳感器構成的流量傳感器節(jié)點，另外，瓦斯安全檢查人員可以攜帶一些動態(tài)的瓦斯傳感器網(wǎng)絡流量節(jié)點。整個系統(tǒng)由地面監(jiān)控中心、固定及移動傳感器節(jié)點組成。

2 系統(tǒng)硬件設計

基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井瓦斯災害預警系統(tǒng)網(wǎng)絡節(jié)點由瓦斯傳感器流量傳感器節(jié)點和無線傳感網(wǎng)絡Zigbee匯聚節(jié)點構成[3]。瓦斯傳感器節(jié)點采集巷道周圍的瓦斯?jié)舛炔⑥D換成數(shù)字量，通過無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送到巷道匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點接收瓦斯傳感器節(jié)點的信息，同時將各個節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送到上級嵌入式系統(tǒng)上位機，以供應用層處理和顯示數(shù)據(jù)。系統(tǒng)包括以下各部分電路。

電源模塊：礦井工作面提供24V直流電源，電源模塊采用開關電源芯片，在電壓波動情況下，穩(wěn)定輸出流量傳感器節(jié)點所需電源電壓；微處理器模塊采用高性能能低功耗51單片機，具備無線傳感網(wǎng)絡應用所需的主要功能；傳感器模塊采用電化學型催化元件傳感器，元件工作穩(wěn)定、測量精度較高；無線收發(fā)模塊使用TI公司CC2430芯片，實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡多點數(shù)據(jù)的采集、傳輸和組網(wǎng)功能。

2.1 瓦斯?jié)舛葯z測電路

瓦斯?jié)舛葯z測采用MQ-2可燃氣體傳感器，可將瓦斯的濃度變換轉換為電壓的變換，對所得電壓信號進行放大送入單片機，經(jīng)過CC2430自帶的A/D轉換，轉換為數(shù)字信號等待單片機的進一步處理。瓦斯?jié)舛葯z測電路的原理圖如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)電源模塊

系統(tǒng)供電由分站輸出的24V本安直流電源提供。系統(tǒng)電源電路如圖3所示。24V本安直流電源接到DC-DC芯片MC33063的輸入端，輸出Vout端輸出穩(wěn)定的8V電壓。Vout經(jīng)TL317CLP穩(wěn)壓后輸出+3V，作為系統(tǒng)的電源。

2.3 CC2430核心板電路

本系統(tǒng)考慮到低功耗、低成本、便攜等因素，以短距離無線通訊單片機CC2430為核心，設計了CC2430核心板，通過組網(wǎng)核心板之間可完成信息的無線傳輸。核心電路如圖4所示。

2.4 液晶顯示模塊電路

本系統(tǒng)的顯示模塊選用OCM12864-9，因為電源系統(tǒng)的續(xù)航能力，所以在顯示模塊中選擇小尺寸液晶屏來降低能耗，另外OCM12864-9的正常工作電壓為3.3V，正好可以和CC2430核心板公用一個供電系統(tǒng)，另外128×64點陣顯示效果良好，足以很好的實現(xiàn)本系統(tǒng)的信息顯示。

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)軟件設計采用模塊化的設計方法，整個程序包括主程序（匯聚節(jié)點、檢測節(jié)點）、系統(tǒng)自檢及初始化程序、A/D轉換子程序、顯示子程序等。所有的程序均采用C語言編寫。該文只介紹匯聚節(jié)點以及檢測節(jié)點程序設計思路。

3.1 匯聚節(jié)點程序設計

系統(tǒng)上電后，首先進行系統(tǒng)自檢，對系統(tǒng)的硬件進行檢測，如有問題，發(fā)出警報提示硬件出錯；自檢通過后，單片機系統(tǒng)首先重新設置堆棧指針SP，設置定時器、外部中斷以及串行口的中端優(yōu)先級，對定時器以及串行口的工作方式進行設置等；然后，CC2430芯片進行能量掃描，建立網(wǎng)絡，允許其他節(jié)點加入無線互聯(lián)網(wǎng)絡；建立網(wǎng)絡后，開始喚醒檢測節(jié)點，接收瓦斯節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)，并進行處理，同時把各節(jié)點數(shù)據(jù)上傳到應用層計算機。程序框圖如圖5所示。

3.2 檢測節(jié)點程序設計

瓦斯檢測節(jié)點程序流程圖如圖6所示。瓦斯檢測節(jié)點初始化完成后，節(jié)點處于休眠狀態(tài)，以節(jié)省電能，微處理器停止工作，無線模塊處在低電流的待接收狀態(tài)。匯聚節(jié)點或相鄰節(jié)點發(fā)出命令后，節(jié)點自動喚醒休眠狀態(tài)，進入工作狀態(tài)，開始采集瓦斯?jié)舛?，同時判斷瓦斯?jié)舛仁欠癯蓿绯?，則發(fā)出報警信號并上傳瓦斯?jié)舛刃畔?，然后再進入休眠狀態(tài)。

4 結束語

新型低功耗基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井瓦斯災害預警系統(tǒng)以CC2430為微處理器，硬件設計上采用低功耗器件和低功耗設計方法，解決了傳統(tǒng)有線礦井瓦斯災害預警系統(tǒng)的不足之處，本設計兼顧低功耗、低成本、便攜帶等優(yōu)點，致力于保障國家及個人財產(chǎn)生命安全。對該瓦斯檢測系統(tǒng)進行測試，各項技術指標均滿足或優(yōu)于該標準要求。

參考文獻：

[1] 李文.物聯(lián)網(wǎng)技術及其應用[J].福建電腦，2010（9）：48.

[2] 解海東，李松林，王春雷，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能礦山體系研究[J].工礦自動化，2011（3）：64-65.

[3] 魏寧，尹洪勝，劉秀榮，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡的煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的設計[J].工礦自動化，2010（1）：71-72.endprint