《西部探礦工程》雜志為發(fā)展祖國(guó)的探礦科學(xué)技術(shù)，為西部大開發(fā)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)，為廣大巖土鉆掘和礦業(yè)工程技術(shù)人員服務(wù)。主要讀者對(duì)象：地礦、冶金、有色、建材建設(shè)、核工業(yè)、環(huán)保建筑、水利水電、市政工程、交通、鐵路方面工程技術(shù)人員、教學(xué)、科研人員。
　　摘要：針對(duì)當(dāng)前有線礦井瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在監(jiān)測(cè)盲區(qū)及線路繁瑣、監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)位置固定等問題，該文以TI公司CC2430微處理器為核心，設(shè)計(jì)了一個(gè)低消耗、低成本、便于攜帶和易于維護(hù)的多協(xié)調(diào)器物聯(lián)網(wǎng)礦井瓦斯災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)綜合解決了傳統(tǒng)有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所不能到達(dá)的監(jiān)測(cè)盲區(qū)和人工不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的問題，實(shí)現(xiàn)了無線瓦斯?jié)舛葎?dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

　　關(guān)鍵詞：西部探礦工程,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),Zigbee,CC2430,瓦斯檢測(cè)

　　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(hào)很強(qiáng)，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(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)南到y(tǒng)，此類系統(tǒng)需要在礦井內(nèi)敷設(shè)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(gòu)造會(huì)發(fā)生很大的變化，同時(shí)不同位置空間差距變化較大，對(duì)有線通信網(wǎng)絡(luò)的敷設(shè)及維護(hù)帶來了一定的困難。因此，設(shè)計(jì)無線礦井瓦斯實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)警系統(tǒng)已成為當(dāng)務(wù)之急，是預(yù)防煤礦安全事故的有效手段。

　　無線傳感網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)起到了很大的促進(jìn)作用。

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡(luò)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(shì)[1]。把瓦斯傳感器技術(shù)、嵌入式單片機(jī)技術(shù)以及無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合在一起，可以克服目前礦井瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高性能的礦井瓦斯預(yù)警系統(tǒng)。

　　1 系統(tǒng)構(gòu)建

　　瓦斯災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)由瓦斯傳感器檢測(cè)模塊、無線射頻模塊、監(jiān)控中心上位機(jī)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(gè)無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)周圍安裝一些瓦斯傳感器構(gòu)成的流量傳感器節(jié)點(diǎn)，另外，瓦斯安全檢查人員可以攜帶一些動(dòng)態(tài)的瓦斯傳感器網(wǎng)絡(luò)流量節(jié)點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)由地面監(jiān)控中心、固定及移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)組成。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井瓦斯災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由瓦斯傳感器流量傳感器節(jié)點(diǎn)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)Zigbee 匯聚節(jié)點(diǎn)構(gòu)成[3]。瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)采集巷道周圍的瓦斯?jié)舛炔⑥D(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到巷道匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)接收瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)的信息，同時(shí)將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送到上級(jí)嵌入式系統(tǒng)上位機(jī)，以供應(yīng)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(guān)電源芯片，在電壓波動(dòng)情況下，穩(wěn)定輸出流量傳感器節(jié)點(diǎn)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(jī)，具備無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用所需的主要功能;傳感器模塊采用電化學(xué)型催化元件傳感器，元件工作穩(wěn)定、測(cè)量精度較高;無線收發(fā)模塊使用TI公司CC2430芯片，實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)多點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和組網(wǎng)功能。

　　2.1 瓦斯?jié)舛葯z測(cè)電路

　　瓦斯?jié)舛葯z測(cè)采用MQ-2可燃?xì)怏w傳感器，可將瓦斯的濃度變換轉(zhuǎn)換為電壓的變換，對(duì)所得電壓信號(hào)進(jìn)行放大送入單片機(jī)，經(jīng)過CC2430自帶的A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)等待單片機(jī)的進(jìn)一步處理。瓦斯?jié)舛葯z測(cè)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(jī)CC2430為核心，設(shè)計(jì)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?yàn)殡娫聪到y(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(gè)供電系統(tǒng)，另外128×64點(diǎn)陣顯示效果良好，足以很好的實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的信息顯示。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，整個(gè)程序包括主程序(匯聚節(jié)點(diǎn)、檢測(cè)節(jié)點(diǎn))、系統(tǒng)自檢及初始化程序、A/D轉(zhuǎn)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(diǎn)以及檢測(cè)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)思路。

　　3.1 匯聚節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢，對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行檢測(cè)，如有問題，發(fā)出警報(bào)提示硬件出錯(cuò);自檢通過后，單片機(jī)系統(tǒng)首先重新設(shè)置堆棧指針SP，設(shè)置定時(shí)器、外部中斷以及串行口的中端優(yōu)先級(jí)，對(duì)定時(shí)器以及串行口的工作方式進(jìn)行設(shè)置等;然后，CC2430芯片進(jìn)行能量掃描，建立網(wǎng)絡(luò)，允許其他節(jié)點(diǎn)加入無線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò);建立網(wǎng)絡(luò)后，開始喚醒檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，接收瓦斯節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行處理，同時(shí)把各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳到應(yīng)用層計(jì)算機(jī)。程序框圖如圖5所示。

　　3.2 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

　　瓦斯檢測(cè)節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖6所示。瓦斯檢測(cè)節(jié)點(diǎn)初始化完成后，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)或相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)出命令后，節(jié)點(diǎn)自動(dòng)喚醒休眠狀態(tài)，進(jìn)入工作狀態(tài)，開始采集瓦斯?jié)舛龋�同時(shí)判斷瓦斯?jié)舛仁欠癯�限，如超限，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)并上傳瓦斯?jié)舛刃畔�，然后再進(jìn)入休眠狀態(tài)。

　　4 結(jié)束語

　　新型低功耗基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井瓦斯災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)以CC2430為微處理器，硬件設(shè)計(jì)上采用低功耗器件和低功耗設(shè)計(jì)方法，解決了傳統(tǒng)有線礦井瓦斯災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的不足之處，本設(shè)計(jì)兼顧低功耗、低成本、便攜帶等優(yōu)點(diǎn)，致力于保障國(guó)家及個(gè)人財(cái)產(chǎn)生命安全。對(duì)該瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足或優(yōu)于該標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　參考文獻(xiàn)：

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