谈煤矿瓦斯体积分数无线监测系统设计

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摘要：针对目前煤矿瓦斯防治的需要，结合生产实际情况，设计了一套煤矿瓦斯体积分数无线监测系统。该系统基于ZigBee技术开发，主要由瓦斯传感器、微处理器、通讯网络及软件程序共同构成，可实现对煤矿井下瓦斯体积分数的实时检测、无线传输及超限预警等功能。实践表明，该系统可较好完成智能传感模块的自动组网、瓦斯体积分数在线监测及预警等目标，且具有工作稳定性好、灵活性高等优势，能有效保障煤矿井下生产的安全高效运行。

关键词：煤矿；瓦斯体积分数；ZigBee；无线监测

煤矿瓦斯防治是保障煤矿生产安全的重点工作。瓦斯作为煤的伴生物，其主要成分为CH4，具有无色、无味、容易燃烧、容易爆炸等特点，必须对其进行严格监控，而人为排查较为困难，需要借助相关传感设备进行监测。目前煤矿中主要通过布置瓦斯浓度传感器结合人工巡检的方式及布置有线的瓦斯监测系统进行瓦斯体积分数监测。前者自动化水平较低、效率差，后者布线复杂、灵活性差且成本较高，都难以满足煤矿生产的要求[1]。而目前已经比较成熟的无线传感器网络技术，恰好可以解决这个难题。ZigBee（紫蜂协议）作为其中一种短距离的无线传输技术，具有简便高效、低成本、低功耗等优势，在工业自动化及采矿领域得到了广泛应用。为此，本文针对目前生产中存在的不足，结合相关资料及生产规定对井下瓦斯监测的工作原理及过程进行了研究，基于ZigBee技术进行了瓦斯监测的无线传感器网络的构建，并结合总线技术及编程知识设计了一套针对煤矿井下瓦斯防治的无线监测系统。系统可实现对瓦斯体积分数的实时监测及自动报警，无需人工干预，可提高煤矿生产的自动化程度，减少工人工作量，同时保障煤矿企业生产安全[2]。

1总体方案介绍

中国煤矿开采多在矿井深处进行，工作环境相对复杂，设备也较多。根据煤矿生产规定，瓦斯防治是“一通三防”的主要内容，必须对作业区域的瓦斯体积分数进行实时监测，以保障生产安全[3]。ZigBee技术基于IEEE802.15.4标准开发，是目前工业自动化领域中广泛应用的一种短距离、低功耗、低成本、高可靠性的双向低速率无线通讯技术，能满足煤矿瓦斯监测的传输速率、可靠性及安全性要求。系统基于ZigBee无线通讯协议开发，总体结构主要分为传感器节点、通讯网络及上位机，通过瓦斯浓度传感器监测工作环境中的瓦斯体积分数，在微处理器中进行信息处理。通过无线收发模块进行信息的接收、发射传输，最后将信息汇集到上位机进行统计、存储、显示。

2系统设计

2.1硬件选型

系统的硬件组成主要包括瓦斯传感器、微处理器、无线收发模块、电源及上位机等。其中，微处理器作为控制核心，选择TI（德州仪器）公司设计生产的16位MSP430混合信号单片机，该微处理器具有60kB+256字节FLASH（闪存）、2kBRAM（内存），功耗低、运算快、性能出色且稳定、集成了A/D（模拟量/数字量）转换等功能，工作温度范围为-40～+85℃，广泛应用于工业控制领域。无线收发模块同样选择TI公司的CC2430模块，它在单个芯片上整合了ZigBeeRF（射频）、前端、内存和微控制器，能满足2.4GHz的射频收发，且具有功耗低、性能好、抗干扰能力强的特点。鉴于瓦斯的主要成分为CH4，瓦斯传感器选用MJC4(A)催化燃烧式气敏元件。该元件可对工作环境中的CH4等可燃气体体积分数进行检测并将其转化为电信号，测量范围为0%~4%CH4，工作温度为-40~+70℃，工作电压3.0V。

2.2传感器节点设计

传感器节点安装在采掘工作面、回风巷道及硐室等井下环境，完成对瓦斯体积分数数据的采集、传输、运算、状态判定等一系列功能。其中，传感器节点的CH4传感元件检测工作环境中的CH4体积分数，并连续自动地将井下CH4体积分数转化为电信号，借助外围配置电路放大调理处理可以实现对CH4体积分数信息的接收。传感器节点的传感元件配置电路结构如图1所示。传感元件将检测到的数据通过外围电路传输给与之相连的微处理器A/D接口；微处理器对数据进行转化、运算，得到其中的CH4体积分数，判断是否执行超限报警，并将数据通过无线收发模块进行转化、发送。此外，传感器节点的无线收发模块还可以接收、发射其他节点的数据，在ZigBee无线网络中进行传输。在接收过程中，无线收发模块从天线获取RF信号，通过低噪声放大器进行处理后变频为中频信号，经滤波、放大、A/D转换为数字信号。在发射过程中，则对被调制后的信号进行D/A（数字量/模拟量）转换后，由单边带调制器进行滤波和变频转换为RF信号进行发送。各传感器节点接收、转化、传输本节点及外部传感器节点的CH4体积分数，形成无线传感器网络并最终将信息汇总到终端节点，终端节点通过有线传输将信息整合到上位机监测层。传感器节点的电源可选择干电池供电及外部5V电源通过电压转化为3.3V的供电方式，其中电源供电原理图如图2所示。

2.3通讯模块设计

系统通讯模块主要完成系统传感器节点内部、传感器节点之间、终端节点与上位机之间的通信。传感器节点通过瓦斯传感器配置的外围电路采集电压值并从模拟量接口导入到MSP430微处理器，微处理器通过SPI（串行外设接口）实现与无线收发模块CC2430的通信，其中MSP430作为主设备、CC2430作为从设备通过SPI实现信息交互。汇总信息的终端节点则通过Modbus协议实现将汇集的信息上传到上位机监测层，实现数据的存储、统计及可视化。无线监测系统的总体通讯结构如图3所示。

3软件程序设计

系统软件程序设计主要包括传感器节点的软件设计及上位机软件设计两部分。其中，上位机软件设计通过WinCC（视窗控制中心）完成人机界面的组态、数据储存及可视化功能设计。传感器节点的软件设计则借助软件开发工具LAREmbeddedWorkbench实现。该平台是嵌入式系统，开发中广泛应用集成开发环境，包含全面的软件模拟程序，功能强大的编辑器、连接器、调试器及丰富的源程序库。开发过程中，在工作区建立工程项目，添加程序代码并进行编译、调试，具有方便、快捷的特点。系统程序内容包括主程序和各具体功能子程序，运行过程中通过扫描主程序并调用具体的功能子程序实现监测目标。编写好的程序通过JTAG（联合测试工作组）接口下载到单片机的FLASH中，由JTAG接口控制程序运行，完成程序开发调试。传感器节点的主程序流程如图4所示。

4仿真测试

为了保障系统的可靠性，利用0%~6%的不同体积分数CH4气体及不同温湿度环境对系统进行仿真，通过分析传感器节点及终端节点获取的电压信号与测试瓦斯体积分数的比例关系，分别测试传感器节点的准确性、灵敏性及ZigBee网络的自动组网、传输性能，根据测试结果对系统进行调试，确保系统的稳定可靠。

5结语

针对煤矿生产中瓦斯监测存在的自动化水平低及灵活性差的不足，对煤矿瓦斯体积分数无线监测系统进行了研究与应用。结合生产实际情况，基于ZigBee通讯技术设计了煤矿瓦斯体积分数监测系统。该系统具有自动组网、无线传输等优势，实现了对煤矿实际生产中瓦斯体积分数的自动监测等功能，可大大提高煤矿生产的自动化水平，保障生产安全，同时减少工人的工作量，提高煤矿生产效益。

参考文献：

［1］张义伟，李孟娇，刘宝元.基于STM32和GSM的煤矿瓦斯报警系统的设计［J］.煤炭技术，2019，38(6)：130-132.

［2］陈洲.无线传感技术在煤矿瓦斯监测系统中的应用［J］.黑龙江科技信息，2016(31)：155.

［3］董晓钧.煤矿瓦斯无线传感监测系统的设计与实现［J］.煤矿机械，2014，35(11)：277-279.

作者：王磊 单位：大同煤矿集团有限责任公司云冈矿