摘 要： 針對礦用瓦斯監(jiān)控設備采用有線方式傳輸信號存在的弊端,，將傳感器網(wǎng)絡" title="無線傳感器網(wǎng)絡">無線傳感器網(wǎng)絡技術應用于煤礦實時監(jiān)控中,，設計了一個便攜式瓦斯傳感器網(wǎng)絡節(jié)點" title="網(wǎng)絡節(jié)點">網(wǎng)絡節(jié)點,。該節(jié)點裝置能夠完成瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測及超標報警,、井下" title="井下">井下人員的實時信息采集和定位等,，既可以用于工作人員查看周圍環(huán)境，也可以實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控,。詳細介紹了節(jié)點系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn),。
關鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡 節(jié)點 瓦斯氣體傳感器 遠程監(jiān)控
瓦斯氣體濃度是煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的重要指標之一，目前絕大多數(shù)礦用瓦斯氣體傳感器設備都采用有線方式傳輸信號,，即采用光纜,、電力線纜或信號線纜等。但這種傳統(tǒng)的有線布設方式存在著本質(zhì)的缺陷[1]：部線繁瑣,、線路依賴性強,、安裝部設維護成本較大等。礦井一旦出現(xiàn)事故,，特別是發(fā)生爆炸事件時,，傳感器設備及線纜往往會受到致命的破壞，不能為搜救工作及事態(tài)檢測提供信息,。
把無線傳感器網(wǎng)絡應用到煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中,，通過各種傳感器實時采集礦井的環(huán)境信息，由嵌入式系統(tǒng)對其進行處理,，通過自組織無線網(wǎng)絡以多跳中繼方式將信息傳輸?shù)骄獾谋O(jiān)控終端,，能夠彌補有線設備的缺陷，具有價廉,、便攜,、可靠性高、易于校正等優(yōu)點,。本文設計并實現(xiàn)了煤礦瓦斯報警無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點系統(tǒng),。
1 煤礦瓦斯報警無線傳感器網(wǎng)絡
如圖1所示，整個網(wǎng)絡由瓦斯傳感器網(wǎng)絡節(jié)點群,、接收發(fā)送基站,、互聯(lián)網(wǎng)和監(jiān)控終端構成[2～3]。由多個瓦斯傳感器網(wǎng)絡節(jié)點在礦井內(nèi)形成自組網(wǎng),，某個節(jié)點的采集數(shù)據(jù)可以通過多跳中繼方式發(fā)送到井外接收發(fā)送基站,，再通過串口發(fā)送到本地或遠程PC機上，實現(xiàn)實時監(jiān)控。瓦斯傳感器網(wǎng)絡節(jié)點作為整個網(wǎng)絡的基本組成部分,，不僅能夠進行瓦斯?jié)舛?、溫濕度信號的采集處理，還能夠在節(jié)點之間組網(wǎng),，進行節(jié)點定位和無線收發(fā)" title="無線收發(fā)">無線收發(fā),。節(jié)點系統(tǒng)提供信息的本地液晶顯示。
2 瓦斯傳感器網(wǎng)絡節(jié)點硬件系統(tǒng)設計
瓦斯傳感器網(wǎng)絡節(jié)點系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示,，主要包括LXK－3瓦斯傳感器,、SHT11溫濕度傳感器、PPD4NS粉塵傳感器模塊,、 ATmega128L單片機,、CC1000無線收發(fā)芯片、液晶顯示模塊等,。
2.1 瓦斯傳感器模塊
2.1.1 瓦斯傳感器的工作原理
目前檢測瓦斯?jié)舛鹊姆绞接泄飧缮?、氣敏半導體、載體催化,、電化學和紅外吸收[4]等,，經(jīng)過幾十年的研究，載體催化元件逐步成熟并占據(jù)了礦井瓦斯和多種可燃可爆氣體檢測領域的首位,。其檢測原理為：由帶催化劑的檢測元件和不帶催化劑的補償元件及相應的匹配電阻組成電橋,，瓦斯?jié)舛茸兓瘯r檢測元件電阻值改變，影響電橋平衡,，從而可以檢測環(huán)境中瓦斯?jié)舛茸兓?BR>2.1.2 LXK－3及其信號調(diào)理
本文采用中國船舶重工集團公司第七一八研究所的LXK－3催化元件,。該系列元件是一種廣譜性的氣敏元件，適用于天然氣,、液化石油氣和城市煤氣等多種可燃氣體的檢測和報警,。圖3為LXK－3在系統(tǒng)中的應用電路，其差分輸出電壓反映了瓦斯的濃度變化,，直接作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的差分輸入通道(ADC3,、ADC2)。LXK－3的輸出電壓范圍為－50～50mV,而參考電壓選擇單片機的片內(nèi)基準電壓2.56V,，因此對差分電壓放大50倍比較合適,。ATmega128的ADC放大倍數(shù)只有三種選擇：1x、10x,、200x,，為了提高精度，采用外部放大器與模擬開關相結合的工作方式,，由單片機控制模擬開關,，采用10x,、50x、200x三個檔位,。
由于LXK－3對電源要求比較高(2.8±0.1V),，而本系統(tǒng)采用電池供電，電壓不夠穩(wěn)定,，因此采用輸出電壓可通過電阻R2調(diào)節(jié)的專用電源芯片LP3965對其供電。由LP3965的電阻－電壓公式可以確定電阻R2的值,，即R2=R1(
-1),VOUT=2.8V,， R2＝13kΩ。
2.2 微控制器ATmega128單片機
處理器模塊是無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的計算核心,。本文采用的ATmega128L單片機外形小,，集成度高，功耗低,，支持睡眠模式,，運行速度快，內(nèi)部有一個10位的逐次逼近型ADC,，有足夠的外部通用I/O端口和通信接口,，成本低且有安全性保證。
2.3 CC1000無線收發(fā)模塊
無線收發(fā)模塊完成節(jié)點數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收及轉(zhuǎn)發(fā)功能,，這里采用Chipcon公司的單片無線收發(fā)通信芯片CC1000,，其具有低電壓(2.3～3.6V)、低功耗,、高靈敏度,、小尺寸、接收信號強度" title="信號強度">信號強度指示(RSSI),、可編程輸出功率(-20～1OdBm)等特點,。其FSK數(shù)傳速度可達72.8kbps,具有250Hz步長可編程頻率能力，適用于跳頻協(xié)議,。CC1000與單片機的通信通過三線串行接口(PDATA,、PCLK和PALE)進行。圖4是CC1000在系統(tǒng)中應用的電路原理圖,，外圍元器件的參數(shù)是在發(fā)射頻率為915MHz的條件下配置的,。
2.4其他重要模塊
除檢測瓦斯?jié)舛韧猓?jié)點系統(tǒng)設計了溫濕度傳感器模塊,，不僅可以進行溫濕度檢測,，還可以根據(jù)溫濕度數(shù)據(jù)對瓦斯傳感器校零。Sensirion公司高度集成的溫濕度傳感器芯片SHT11,，采用串行時鐘輸入線SCK來與單片機保持通訊同步,，串行數(shù)據(jù)線DATA收發(fā)通信協(xié)議命令和數(shù)據(jù),，能夠直接提供溫度在－40～120℃范圍內(nèi)、濕度在0～100％RH范圍內(nèi)的數(shù)字輸出,。
粉塵傳感模塊采用SHINYEI KAISHA公司的PPD4NS粉塵傳感器,，感知微米以上的粉塵，以檢測單位體積內(nèi)粉塵粒子的絕對個數(shù),。
報警節(jié)點的數(shù)據(jù)顯示通過中文液晶顯示器模塊實現(xiàn),。
3 瓦斯傳感器網(wǎng)絡節(jié)點系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)
3.1 軟件系統(tǒng)的總體設計
軟件系統(tǒng)的主要功能包括傳感器數(shù)據(jù)采集與處理、無線收發(fā),、液晶顯示和節(jié)點定位等,采用模塊化設計,。傳感器數(shù)據(jù)采集與處理模塊主要設置瓦斯信號的采集參數(shù)并控制采集、讀取溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)輸出并計算露點,；無線收發(fā)模塊通過設置寄存器控制對命令或數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送,；液晶顯示模塊實現(xiàn)對瓦斯?jié)舛取貪穸鹊葦?shù)據(jù)的本地實時顯示,；節(jié)點定位模塊對節(jié)點進行實時定位,。
節(jié)點系統(tǒng)要支持傳感器網(wǎng)絡，需要考慮網(wǎng)絡層的支持,，方便系統(tǒng)擴展,，因此系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)是在嵌入式操作系統(tǒng)上進行的，與基于硬件的C語言直接編程相比,，這種方式對功能擴展,、功耗控制、網(wǎng)絡協(xié)議優(yōu)化等有很大幫助,。嵌入式操作系統(tǒng)選用了加州大學伯克利分校的基于事件驅(qū)動的TinyOS操作系統(tǒng),。軟件開發(fā)過程是：首先用C語言設計程序，然后在處理器上移植TinyOS操作系統(tǒng),，利用其編程語言(nesC)在TinyOS下編譯,。
3.2 軟件系統(tǒng)實現(xiàn)
3.2.1 數(shù)據(jù)采集與處理
瓦斯?jié)舛刃盘柕牟杉刂颇K主要完成采集參數(shù)選擇(數(shù)據(jù)放大倍數(shù)檔位轉(zhuǎn)換)與數(shù)據(jù)計算工作。A/D轉(zhuǎn)換器輸出的最大值為511,，采用450,、50作為檔位判斷上下限，分別設置10x,、50x,、200x三個信號調(diào)理檔位。瓦斯?jié)舛扔嬎銜r,，根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出,，由差分輸入轉(zhuǎn)換公式ADC=(V+-V-)·GAIN·512/VREF計算出差分電壓△V，再根據(jù)LXK－3的輸出特性曲線,，即可得到瓦斯?jié)舛戎怠?BR> 溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)通過DATA線直接讀取,，控制流程如下：用一組啟動傳輸時序進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?，然后發(fā)送一組測量命令(‘00000101’表示相對濕度，‘00000011’表示攝氏溫度)后,釋放DATA線,，等待SHT11下拉DATA至低電平,，表示測量結束，同時接收數(shù)據(jù),。
對于粉塵傳感器模塊,，計算數(shù)據(jù)端口輸出脈沖中低電平的占空比即可得到粉塵濃度。
3.2.2 無線收發(fā)程序
無線收發(fā)程序負責接收來自基站或其他節(jié)點的命令或數(shù)據(jù),，并發(fā)送本節(jié)點或轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點的數(shù)據(jù),。首先進行CC1000的寄存器初始化配置，然后通過改變寄存器的值,，進入待機、發(fā)送或接收模式,。圖5為無線收發(fā)的控制流程圖,。
3.2.3 液晶顯示驅(qū)動程序
液晶顯示器與單片機的接口協(xié)議為請求/應答(REQ/BUSY)握手方式。向模塊發(fā)出一個完整的顯示漢字的命令,，包括坐標及漢字代碼在內(nèi)共需5個字節(jié),。
3.2.4 節(jié)點定位算法
采用基于接收信號強度指示(RSSI)定位算法[5]實現(xiàn)節(jié)點的精確定位：已知發(fā)射節(jié)點的發(fā)射信號強度，接收節(jié)點根據(jù)收到信號的強度計算出信號的傳播損耗,，然后根據(jù)信號傳播模型公式(1)將傳輸損耗轉(zhuǎn)化為距離,，再利用三邊測量法計算出未知節(jié)點的位置。在實際定位中,，要保證未知節(jié)點處于三個以上發(fā)射信號強度和位置坐標已知的參考節(jié)點的通信范圍內(nèi),，未知節(jié)點根據(jù)接收信號強度計算出信號的傳播損耗，進而計算出節(jié)點位置,。
PR(d)=PT-10nlog(d)-γ (1)
其中,PR(d)為接收信號強度(dBm),；PT為發(fā)送信號強度(dBm)；n為路徑長度和傳輸損耗之間的比例因子,；d為參考節(jié)點與未知節(jié)點之間的距離,；γ為修正因子，根據(jù)經(jīng)驗進行修正,。
瓦斯傳感器網(wǎng)絡節(jié)點系統(tǒng)能夠通過無線傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)對井下溫度,、濕度、瓦斯和粉塵等參數(shù)和井下工作人員位置的實時監(jiān)測,，主要功能包括瓦斯?jié)舛燃皽貪穸葯z測,、液晶顯示、定位和無線收發(fā)等功能,，可以實現(xiàn)瓦斯?jié)舛?％以內(nèi)的檢測,，且當持續(xù)半分鐘檢測到瓦斯?jié)舛雀哂?％時,，蜂鳴器發(fā)出報警信號。此外,，根據(jù)煤礦的溫濕度參數(shù)自動對瓦斯傳感器校零,，從而提高瓦斯?jié)舛葓缶鞯臏蚀_性。節(jié)點系統(tǒng)的LCD能夠動態(tài)顯示環(huán)境的溫濕度和瓦斯?jié)舛?。無線模塊可以把測到的瓦斯?jié)舛群途氯藛T的位置信息發(fā)送到煤礦瓦斯監(jiān)控的基站,，再傳送到總控中心，以便隨時了解礦下瓦斯?jié)舛群途氯藛T所處位置,。該無線模塊在室內(nèi)環(huán)境下傳輸距離為20～30米,，可以滿足井下作業(yè)要求。節(jié)點系統(tǒng)穩(wěn)定工作狀態(tài)下的響應時間小于20秒,，可滿足實時監(jiān)控要求,。
隨著無線傳感器節(jié)點數(shù)目的增多、功能的進一步完善和監(jiān)控管理平臺的建立,，本無線網(wǎng)絡傳感器系統(tǒng)將適用于各類氣體以及人員位置監(jiān)控的現(xiàn)代化管理,，不僅能夠進行安全監(jiān)測、協(xié)助事故搶險救援,，還能夠用于人員調(diào)度,、監(jiān)控、考勤等,，從而提高礦山的管理水平與工作效率,。
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