基于ZigBee的瓦斯監測系統研究*

顧 強，仉 毅，劉斌斌，趙 麗，殷凡姣

（1.山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 青島266590；2.山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島266590）

基于ZigBee的瓦斯監測系統研究*

顧 強1，仉 毅2，劉斌斌1，趙 麗1，殷凡姣1

（1.山東科技大學 電氣與自動化工程學院，山東 青島266590；2.山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島266590）

針對傳統的瓦斯監測方法的不足，提出了一種采用 ZigBee技術的瓦斯監測系統。分析了瓦斯濃度恒溫檢測方法的原理，根據檢測原理設計了瓦斯信號采集終端裝置，采用ZigBee模塊組建了無線通信網絡，實現了對井下瓦斯含量的實時監測，當瓦斯濃度超限時會及時報警并短信通知管理人員。試驗測試發現：該系統的瓦斯檢測精度高，數據傳輸可靠，具有很強的實用性。

瓦斯；ZigBee；CC2530；催化元件

0 引言

煤礦井下瓦斯濃度突出會嚴重威脅工作人員的生命安全,對礦井瓦斯濃度進行監測可以及時了解井下的瓦斯含量，避免安全事故的發生。傳統的瓦斯監測多采用有線監測的方式，由于井下巷道復雜，布線施工難度大，不易于維修，實際應用效果并不理想[1]。本文提出了一種基于ZigBee的瓦斯監測系統，利用ZigBee強大的自組網能力[2]在井下巷道中組成一個 ZigBee無線網絡，將瓦斯檢測終端安裝在各個監測節點上，利用ZigBee網絡完成井下通信，通過以太網將數據傳送到地面監控軟件中，實現煤礦井下瓦斯的實時監控。

1 系統組成

礦井瓦斯監控系統由地面上位機監控軟件和井下數據采集系統兩部分組成，如圖1所示。礦井各巷道中分布著瓦斯信號采集終端，采集終端將采集到的數據傳輸到由ZigBee模塊構成的無線通信網絡中，ZigBee協調器節點將所有數據匯集，通過以太網發送到上位機監控軟件。上位機監控軟件可以實時顯示各個監測節點的瓦斯濃度，數據實時寫入到數據庫中，當瓦斯濃度超限時發出聲光報警，并將報警信息以短信的形式發送到管理人員的手機上。

2 瓦斯檢測原理

瓦斯檢測采用恒溫檢測方法，即通過改變催化燃燒元件供電的電流值使元件表面溫度保持恒定。當瓦斯濃度升高時，催化元件表面溫度升高，通過閉環反饋回路減小電流值以保持元件溫度恒定，通過測量電流變化量來實現瓦斯濃度的檢測。催化燃燒元件的靜態熱平衡方程[3]：

圖1 瓦斯監控系統結構圖

式中I為元件工作電流，r為元件阻值，μ為瓦斯氧化燃熱系數，為瓦斯體積分數，α為熱傳導系數，S為元件面積，t1為元件溫度，t0為環境溫度，A為輻射系數，σ為角系數。

在恒溫檢測中，由于采取閉環系統，催化元件溫度t1不變，環境溫度 t0不變，式(1)右邊不變，記為 Q。當空氣中瓦斯濃度為0時，催化元件的工作電流記為I0，?？諝庵杏型咚箷r，催化元件的工作電流記為I：

由式(2)可知：

催化元件的供電電源選擇脈沖寬度可調的直流電流源，脈沖電流的有效值為：

式中Im為脈沖電流的幅值，T為脈沖電流的周期。由式(3)、(4)可知瓦斯的濃度與電流的大小成線性關系。脈沖電流的大小與占空比成比例關系，故瓦斯濃度與占空比成線性關系。所以可以通過測量占空比來獲得瓦斯濃度的大小。

3 硬件電路設計

瓦斯信號采集終端結構圖如圖2所示，由主控器模塊、瓦斯檢測模塊、數據存儲模塊、聲光報警模塊、顯示模塊、ZigBee終端節點、電源模塊7部分組成。

圖2 瓦斯信號采集終端結構圖

3.1 瓦斯檢測模塊設計

瓦斯檢測電路采用恒溫檢測方法，電路結構圖如圖3所示，主要由鋸齒波發生電路、電壓比較器、惠斯登檢測電橋、信號放大電路、穩幅電路、直流脈沖電流源6部分組成。

圖3 瓦斯檢測電路結構圖

瓦斯傳感器選擇 MJC4/2.5L型催化元件，通過惠斯登電橋獲取催化燃燒元件輸出的不平衡電信號Ue，由于信號比較小，采用LM358設計了三級運算放大電路，輸出的電壓信號Ub與鋸齒波Ua相比較之后輸出脈沖信號Ud。脈沖信號Ud經由TL431設計的穩幅電路處理之后幅值穩定，直接驅動直流脈沖電流源，使電源工作在間歇狀態，為催化燃燒元件供電。將穩幅電路輸出的脈沖信號送入單片機的外部中斷口測量占空比，便可獲得瓦斯的濃度。

鋸齒波發生電路如圖4所示，采用 NE555定時器組成無穩態多諧振蕩器，依靠電容C1的充放電過程，由射極跟隨器輸出鋸齒波，同時通過電容C3正反饋到R2上端，提高了鋸齒波的線性度[4]。調節電阻 R1、R2，電容C1的值使鋸齒波的頻率為1 kHz。

圖4 鋸齒波發生電路原理圖

直流脈沖電流源采用運算放大器和三極管設計，圖5為直流脈沖電流源電路圖。穩幅電路輸出的電壓Ug與采樣電阻R12上的反饋電壓通過運算放大器比較之后驅動三極管，形成了負反饋回路。

3.2 主控器及其他模塊設計

主控器選擇TI公司生產的低功耗MSP430F5438A單片機。為防止數據掉電丟失，采用存儲器芯片 AT24C16設計了數據存儲模塊。當檢測到瓦斯濃度超過設定的瓦斯上限時，單片機驅動由三極管、蜂鳴器、高亮度 LED組成的聲光報警模塊動作。供電采用 7.2 V鋰電池，配有3.3 V、5 V穩壓電路。顯示模塊采用TFT觸摸屏，設計觸摸屏顯示界面，人機界面友好，便于操作。

圖5 直流脈沖電流源電路原理圖

4 ZigBee無線網絡設計

ZigBee無線網絡主要由終端節點、路由節點、協調器節點組成[5]。

采集終端節點分布在井下回風巷道及工作面各瓦斯監測節點上，采用TI公司生產的CC2530芯片。CC2530芯片主要包含CC2530RF收發器、8051微控制器內核、內存，集成了豐富的片上資源。ZigBee的終端節點通過TXD、RXD、GND分別與瓦斯信號采集終端的主控器的RXD、TXD、GND連接，即可將該節點組進ZigBee網絡中。由于ZigBee在井下的通信距離比較短，數據傳輸需要增加路由器子節點將數據依次轉發最終傳送到協調器節點上。路由器子節點選擇CC2530芯片。ZigBee協調器節點負責管理整個無線網絡，將各采集終端節點的數據匯集并通過工業以太網傳輸到地面監控系統中。

5 軟件設計

系統的軟件設計分為上位機監控軟件和下位機軟件兩部分。上位機軟件采用 NI公司的LabVIEW 2009[6]平臺開發，采用圖形化的編程語言，簡單方便。上位機軟件主要完成基本參數設置、不同監測點的瓦斯濃度實時顯示、瓦斯濃度超限報警、數據庫存儲、報警短信通知功能。

下位機軟件包括瓦斯信號采集終端程序設計和ZigBee組網程序設計兩部分。圖6為瓦斯信號采集終端主程序流程圖。瓦斯信號采集終端通過采樣定時器定時采集數據，經過處理之后將瓦斯濃度顯示，若出現濃度超限則發出報警信號，通過串口將數據發送到ZigBee網絡中。圖7為ZigBee組網程序流程圖。采用ZigBee的ZStack協議棧[7]編寫程序，簡單方便。

圖6 瓦斯信號采集終端主程序流程圖

圖7 ZigBee組網流程圖

6 測試及結果

采用上述方法設計的瓦斯檢測裝置在實驗室進行了性能實驗。5個瓦斯監測終端裝置，分別放入標準濃度為 0.5%、1%、2.0%、3.0%、4.0%的密閉實驗裝置中，表1為某一時刻的瓦斯監測數據。為驗證系統的可靠性，設定瓦斯報警限度為 2.5%，試驗發現：1、2、3號裝置未發出報警信號，4、5號裝置均發出聲光報警信號。為測試ZigBee無線通信網絡的通信能力，在實驗樓道模擬井下巷道情況在多個房間內組建 ZigBee網絡進行實驗，測試結果如表2所示。

表1 某時刻瓦斯濃度測試結果表

表2 通信測試結果表

通過多次實驗測試發現，瓦斯檢測的相對誤差低于2.5%，可以準確地測量到瓦斯的濃度。實驗發現ZigBee無線通信網絡在通信距離越遠數據的丟包率越高，50 m為最佳通信距離，數據傳輸正確率高，符合煤礦井下巷道對通信的要求。

7 結語

本文采用了恒溫檢測方法實現了瓦斯信號的采集，利用ZigBee技術組建了井下瓦斯監測無線通信網絡，實現了對井下各點的瓦斯數據的監測，系統具有監測精度高、通信可靠、易于擴展、安全性高的特點，適合在礦井下使用，有很強的實用價值。

[1]王海斌，邵廣賢.基于 ZigBee的瓦斯檢測節點的設計與研究[J].煤礦機械，2014，35(5)：233-235.

[2]朱紅梅，惠曉威.基于物聯網的智能瓦斯監測系統[J].儀表技術與傳感器，2012(10)：70-72.

[3]劉志存.催化元件變流檢測礦井瓦斯[J].傳感器技術，2003，22(11)：24-26.

[4]徐偉，行鴻彥.基于 555定時器的高線性度鋸齒波發生器[J].儀表技術與傳感器，2006(7)：39-40，50.

[5]王晨輝，孟慶佳.基于 PIC32和 ZigBee的地質災害監測系統設計[J].電子技術應用，2014，40(2)：68-70.

[6]盧志燕，李如江，劉高健，等.基于ZigBee和 LabVIEW 的礦井監測系統設計[J].煤礦機械，2014，35(3)：200-202.

[7]白成林，馬珺.基于物聯網技術的智能路燈監控系統[J].電子技術應用，2014，40(3)：82-85，89.

Research of methane monitoring system based on ZigBee

Gu Qiang1，Zhang Yi2，Liu Binbin1，Zhao Li1，Yin Fanjiao1
(1.College of Electrical Engineering and Automation，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China；2.College of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China)

To overcome the shortage of traditional gas monitoring systems,a monitoring system based on ZigBee is designed. In this paper,a gas signal acquisition terminal device is presented.After the principle is introduced,the wireless communication network with ZigBee module is set up,then the real-time monitoring of mine gas concentration is realized.When the gas concentration overruns,alarm and SMS notification management can be timely notified to the personnel.Final test results show that the detection system is of high precision and reliable data transmission and has a wide application prospect.

methane；ZigBee；CC2530；catalytic sensor

TP368

：A

：0258-7998(2015)03-0065-03

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.03.016

2014-11-18)

顧強（1990-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統開發，E-mail：guqiang0537@163.com。

山東省優秀中青年科學家科研獎勵基金(BS2013NJ023)

仉毅（1975-），女，博士，講師，主要研究方向：儀器儀表、測試技術。

劉斌斌（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：機器人技術、電力電子技術。