基于ZigBee的煤礦井下甲烷濃度檢測系統設計

,

(1.湖北大學 資源環境學院，武漢 430062；2.區域開發與環境響應湖北省重點實驗室，武漢 430062；3.湖北省生物資源綠色轉化協同創新中心，武漢 430062； 4.湖北省測繪成果檔案館，武漢 430071)

0 引言

煤礦是我國工業生產的主要能源之一，對促進社會經濟發展也起著十分重大的作用。然而煤礦生產過程中存在較高的瓦斯事故發生率，礦井下的瓦斯爆炸事故等災害頻繁發生，嚴重影響了礦井工作人員的人生安全，也給煤礦企業乃至國家造成了巨大的經濟損失[1-2]。其中，瓦斯甲烷的濃度則是影響礦井安全生產的重大因素之一，甲烷的濃度一旦過高會帶來一定的危險，如果甲烷濃度不進行排除進行降低的話，會對礦井下面工作人員的人命安全帶來威脅[3-4]。為避免此類事故發生，其中最為有效的一個辦法就是檢測甲烷的濃度，能否準確有效的檢測和監控甲烷的濃度，直接影響到煤礦企業的安全生產。

煤礦井下甲烷濃度的常用檢測方法主要有人工巡檢以及工業總線的方法[5-6]。其中人工巡檢是專業人員手持瓦斯檢測儀定時定點的在礦井下巡回檢測，該方法難以確保檢測人員的自身安全，且不能做到實時檢測和查詢；工業總線的甲烷監控系統采用的是有線通訊傳輸，結構繁瑣且不易維護。

針對上述問題，本文提出一種基于ZigBee的煤礦井下甲烷濃度檢測系統。該系統采用ZigBee協議棧構建無線傳感器通訊網絡，在礦井的檢測區域放置無線傳感器，傳感器實時的感知、檢測和采集甲烷的濃度，并通過無線傳輸機制將甲烷濃度數據傳輸至協調器，最終傳輸至監控中心。在所述方案的基礎上進行了硬件軟件的設計，并完成了系統的測試驗證。

1 基于ZigBee的無線傳感器網絡

無線傳感器網絡是一種分布式的傳感網絡，主要處于網絡的末端，其所占區域大、自組織能力強、可靠性高以及節點布置密集等優勢，在礦井甲烷濃度檢測系統中的應用是一種發展趨勢[7-8]。傳感器主要用于對甲烷濃度的感知和采集，并且采用無線的方式對數據信息進行輸送。其結構體系如圖1所示，在需要檢測的區域放置一定量的無線功能的傳感器，該類傳感器首先對甲烷濃度進行采集，并將這些數據信息發送給協調器。協調器節點收到數據的信息之后開始和礦井的管理中心進行通訊，用戶對收到的甲烷濃度數據進行分析，最后做出決策。

圖1 無線傳感器網絡結構

ZigBee具有低功耗、低成本、時延短以及網絡容量等優勢而得到了廣泛的應用[9-10]。為提高無線傳感器網絡的通訊效能，文中采用ZigBee協議棧構建無線傳感器通訊網絡，ZigBee包含協調器、路由器以及終端節點三樣配置。文中選用的網絡是網狀拓撲結構，其網絡拓撲結構如圖2所示，包含了1個協調器，多個路由器和終端設備，該拓撲結構十分靈活，路由器節點直接能夠進行直接的通訊，從而提高了傳輸效率。而當一個路由器發生狀況時，網絡能夠繼續保持工作，從而具有更高的可靠性。

圖2 網狀的網絡拓撲結構

2 檢測系統設計

2.1 系統方案

系統的總體結構方案圖如圖3所示，系統的主要組成部分包括傳感部分、處理部分、無線傳輸部分以及顯示存儲部分等。

圖3 甲烷濃度檢測系統方案

傳感器終端節點對甲烷濃度的感知和采集，并將甲烷濃度的數據信息以無線傳輸的形式傳至協調器，最后傳至監控中心。即可實現地面工作人員對礦井甲烷濃度的檢測。

2.2 硬件設計

甲烷濃度檢測系統的硬件部分主要包括傳感器、終端設節點以及協調器節點。終端設備的組成部分主要有傳感器以及控制器，其主要的功能是采集甲烷的濃度數據和將采集到的數據進行無線傳輸；而協調器的主要功能是構建無線網絡以及對終端節點發過來的數據進行接收，并采用有線的方式將數據傳輸到上位機。

2.2.1 傳感器

文中檢測甲烷濃度的傳感器采用的型號是MQ-2傳感器，當該傳感器感知甲烷濃度時，其電阻的取值會因甲烷濃度的增大減小，因而其電阻值的變化大小反映了甲烷濃度的變化，通過讀取電阻值即可知道甲烷的濃度值。MQ-2傳感器一共有6個管腳，其中2個管腳是加熱極，4個管腳是感知氣體的敏感材質極。加熱電壓為5 V±0.2 V，加熱電壓可計算出傳感器電阻，進而能夠求出電壓和甲烷濃度的對應關系，因此通過電壓的測量即可知道甲烷的濃度取值。

另外，傳感器的應用電路主要分為電源電路和傳感器電路兩部分，其中電源電路采用的是LM2575芯片，可將輸入的12 V電壓轉換為5 V電壓，該5 V電壓對MQ-2傳感器加熱和測試；設定甲烷濃度的極限值，并將該極限值轉換成一固定的電壓閾值，當甲烷濃度超過預警極限值時，采用型號為LM358的電壓比較器控制LED等進行報警，此時LED為亮燈狀態。

2.2.2 終端節點

終端節點的主要組成部分有傳感器模塊、微處理器模塊以及電源模塊等。終端節點的硬件結構圖如圖4所示。

圖4 協調器硬件結構圖

其中傳感器模塊主要是用于甲烷濃度信息的采集，把感知和采集的物理信號轉換成電壓的模擬信號；微處理器采用的是TI公司的CC2530微處理器，主要用于將傳感器模擬量轉換成數字量，并對整個網絡節點進行操控；電源模塊主要是沒其他每個模塊進行供電。

CC2530具有較高的集成度以及豐富的內部資源，僅僅需要極少的外圍電路就可以實現系統的控制電路。同時，CC2530內部單片機具有無線通信的模塊，內核的型號是8051，具有21個I/O引腳和2個串口通信接口，與ZigBee協議棧進行聯合，采用C語言編程，其包含的主要模塊有CPU模塊、存儲器模塊、時鐘模塊、電源模塊以及設備管理模塊等。

CC2530芯片的外部電源的電壓等級是3.3 V，由于傳感器所需要的工作電壓是5 V，因此需采用BL8555-33PRA芯片實現電壓轉換的功能，BL8555-33PRA電源轉換芯片的電壓輸出范圍是1.2 V到5.0 V，電壓精度可達0.1 V；CC2530含有14位的AD轉換接口，能夠實現外部差分信號或者單端信號的輸入，通道的獨立輸入數量有8個，文中采用單端輸入信號接收傳感器采集的數據，選擇P0.0端口和12位精度；CC2530外接2個LED電路，所連接的引腳分別是P1.0和P1.2，LED燈亮的驅動電平設置為低電平；CC2530裝有2個提供主頻的晶振電路，晶振源的頻率分別為32 MHz和32.78 Hz，分別是主振蕩頻率額睡眠模式喚醒頻率；CC2530天線配置電路的芯片為2450BM15A0002，可大大減少射頻電路的元件數量，且具有較小的體積和功耗。

2.2.3 協調器節點

相對于終端節點電路系統而言，系統的協調器節點不含有傳感器模塊，其他組成部分具有一致性。在應用時，采用IAR軟件，在協調器CC2530模塊里面對ZigBee協議棧的協調器程序進行下載，實現檢測系統的組網以及數據傳輸。而在下載程序時，JTAG接口采用DEBUGGER仿真器進行連接，并且供電的方式采用USB方式，采用RS-232串口完成協調器和上位機之間的通訊。協調器的硬件結構圖如圖5所示。

圖5 協調器硬件結構圖

2.3 軟件設計

系統的軟件部分主要包括系統下位機和上位機的開發環境、平臺以及基于ZigBee協議棧通訊和數據傳輸實現流程。

2.3.1 下位機軟件

該系統的軟件設計工具采用的是IAR Systems公司的 IAR Embedded Workbench For C8051，下位機的軟件部分以ZigBee為核心部分，主要包含的模塊有終端節點設備和協調器設備，采用的無線傳輸網絡是基于Z-stack協議棧。

1)Z-Stack協議棧選用的是Z-SATCK2007，其能夠為CC2530硬件提供基本所需要的底層協議代碼，十分方便開發人員的使用，協議棧層次分明，其中應用層最為關鍵，包含了用戶所需要執行任務的全部內容，項目程序在這一層進行編輯，主要包括主文件(.C文件)、頭文件(.h文件)和接口文件，只需要調用這三部分文件并根據需要實現的新功能進行適當的修改即可，而主要需要改的是ZMain主函數，包含了入口函數以及硬件的配置文件。除此之外，硬件層包含了驅動函數以及一些硬件配置的程序，基本無需大改。

2)協調器設備以自動的方式進行網絡組建，而終端節點設備也能夠自動的加入到該網絡當中，緊接著建立協調器設備和終端節點設備之間的無線通訊。整個網絡組建的流程如圖6所示，首先在網絡建立之前初始化終端節點和協調器節點，其次協調器構建網絡，判斷終端節點設備是否已經加入到此網絡，一旦成功加入網絡后，終端節點的傳感器開始對數據進行采集，并基于ZigBee協議棧以無線傳輸的形式將采集到的數據傳送到協調器設備，最后協調器設備節點將接收到的甲烷濃度的數據信息采用串口的形式發送至上位機監控中心。

ZigBee的通訊方式為廣播式的，該方式非常適合于實際礦井環境，采用周期定時的形式發送甲烷濃度數據。系統上電之后就開始初始化各類設備，并在組網成功之后觸發各項任務。開啟定時器功能，時間到后立即觸發廣播事件，且周期定時時間可自定義。分別設置終端設備數據發送函數以及協調器設備數據接收函數。

圖6 組網軟件流程圖

2.3.2 上位機軟件

上位機軟件采用的是NI公司的LABView虛擬儀器，能夠采用圖形化的語言進行編程，其程序主要包括前面板、程序框圖以及圖標/連接器等。上位機的功能程序流程圖如圖7所示，首先對系統進行基本初始化配置，配置完成后開始通過串口接收下位機傳輸過來的數據，即開始處理接收到的6位字符數據，其中第1位代表的是傳感器的編號，后5位代表的是甲烷的濃度，對甲烷濃度的數據進行定量的解析和處理，并在監控中心顯示和存儲這些數據信息。對甲烷濃度的數據進行判斷是否超過安全限定值，一旦超過的話就采取報警的措施且led指示燈燈亮。

圖7 上位機的流程圖

3 實驗結果與分析

為驗證上述所設計方案的可行性和有效性，在上述分析的基礎上搭建實驗平臺進行實驗驗證。該實驗平臺的主要硬件裝置有：1臺電腦、3組電池、1條RS-232串口線、1套甲烷制造器材、1個1 L的鋁箔采樣袋、1個密封條以及1個10 mL的針頭；主要的軟件平臺是IAR Embedded Workbench (主要用于下載各節點的程序)、National Instruments LABView 2012(主要用于人機交互界面顯示)。

該實驗平臺的執行步驟如下：(1)標號終端節點，并在終端節點和協調器植入程序；(2)給各節點供電并組網；(3)將終端節點傳感器放置于瓦斯濃度采樣袋之中；(4)人工制取甲烷；(5)抽取甲烷至采集袋；(6)將傳感器采集結果無線傳輸至上位機。

對所設計的系統進行整體性能效果的測試，該系統操作簡單方便，能夠快速的將下位機的不同節點組成，精確的發送檢測的數據，上位機則可以友好的實現人機交互。在本次測試中，集氣袋中不斷的注入甲烷，并使甲烷在集氣袋中逐漸的擴散，傳感器數據每秒鐘傳輸一次，一共取5組測試數據，測試的數據結果如表1所示。表1中的相對誤差是指檢測到的甲烷濃度的相對誤差取值，定義的計算公式如式(1)所示：

(1)

式中,Cr是甲烷濃度實際值的大小，Cc是甲烷濃度檢測值的大小。

表1 系統測試結果

通過甲烷濃度實際值與檢測值的對比結果可知，本系統甲烷濃度的5次檢測相對誤差分別是1.31%、1.74%、1.69%、1.65%和1.25%，均未超過2%，經過計算可知平均誤差也只有1.528%，因此該系統具有較高的檢測精度，在煤礦企業的應用具有一定的適用性。

4 結論

本文針對煤礦企業安全生產的實際需求，提出了一種基于ZigBee的煤礦井下甲烷濃度檢測系統。首先介紹了應用于礦井的無線傳感器網絡技術和ZigBee技術。其次提出了煤礦井下甲烷濃度檢測系統的整體設計方案，給出了煤礦井下甲烷濃度檢測系統的硬件設計部分和軟件設計部分，包括終端節點的硬件電路、外圍電路硬件部分、協議棧無線組流程網等。最后搭建實驗平臺對所設計系統的可行性和有效性進行驗證。仿真結果表明：設計的煤礦井下甲烷濃度檢測系統能夠實時靈活的檢測甲烷濃度，且檢測精度較高，能夠滿足現代煤礦企業的實際需求。

[1] 楊萌萌, 袁 梅, 許石青. 基于Petri網的煤礦瓦斯爆炸危險源分析[J]. 工礦自動化, 2015, 41(9):67-70.

[2] 陳曉坤, 蔡燦凡, 肖 旸. 2005-2014年我國煤礦瓦斯事故統計分析[J]. 煤礦安全, 2016, 47(2):224-226.

[3] 劉小敏, 原學政, 趙愛娟. 微生物降解煤礦風流瓦斯實驗研究[J]. 煤炭技術, 2016, 35(12):209-211.

[4] 孫繼平. 基于物聯網的煤礦瓦斯爆炸事故防范措施及典型事故分析[J]. 煤炭學報, 2011, 36(7):1172-1176.

[5] 李長松. 基于現場總線的智能甲烷傳感器的研究[D]. 西安科技大學, 2008.

[6] 黃 煌, 許翠華, 蘭 菲. 基于工業現場總線的煤礦瓦斯環境監測系統設計[J]. 煤礦機電, 2013(4):28-30.

[7] 鄒 楠, 謝 堅, 盧選民. 無線傳感器網絡煤礦監測系統的設計與實現[J]. 計算機測量與控制, 2011, 19(3):546-548.

[8] 阿南薩拉姆·斯瓦米. 無線傳感器網絡[M]. 西安：西安交通大學出版社, 2015.

[9] 戴繼泳. 基于ZigBee無線傳感網絡的智能家居系統關鍵技術研究[D]. 鄭州：華北水利水電大學, 2016.

[10] 施賽杰, 俞阿龍, 韓 浩,等. 基于ZigBee的煤礦井下預警防爆監測系統設計[J]. 計算機測量與控制, 2015, 23(8):2669-2672.