目前，井下瓦斯檢測(cè)人員在使用瓦斯礦燈檢測(cè)時(shí)，無(wú)法與井上監(jiān)控中心進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，只能手工記錄，工作量大，并且井上管理人員也無(wú)法監(jiān)控到瓦斯檢測(cè)人員工作是否認(rèn)真，檢測(cè)地點(diǎn)是否全面，檢測(cè)數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確等情況。如果發(fā)生瓦斯超限的緊急事件，井上管理人員也無(wú)法及時(shí)得到消息，以至于不能有效防止危險(xiǎn)的發(fā)生。ZigBee技術(shù)在井下的應(yīng)用解決了這一系列難題。

　　摘 要：針對(duì)當(dāng)前礦井中存在的瓦斯檢測(cè)人員工作量大、瓦斯?jié)舛葯z測(cè)不標(biāo)準(zhǔn)、井下通訊不及時(shí)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)的高精度、多功能、智能化程度高的紅外無(wú)線瓦斯礦燈。筆者介紹了紅外無(wú)線瓦斯礦燈的工作原理，研究了該礦燈軟件和硬件的設(shè)計(jì)。通過(guò)無(wú)線射頻芯片CC2430，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無(wú)線傳送。該瓦斯礦燈可全程跟蹤井下人員的作業(yè)情況，確保瓦斯檢測(cè)工作的順利進(jìn)行。

　　關(guān)鍵字：地質(zhì)職稱論文網(wǎng),紅外無(wú)線瓦斯礦燈,ZigBee,CC2430

　　ZigBee是以一個(gè)個(gè)獨(dú)立的工作節(jié)點(diǎn)為依托，以無(wú)線通信方式組成星狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊都擁有一個(gè)獨(dú)立的ID號(hào)(身份識(shí)別標(biāo)志)，在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)可以相互通信，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離可以擴(kuò)展到幾百米,甚至幾千米。另外,整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的以太網(wǎng)等各種網(wǎng)絡(luò)相連接[1]�；�于上述原因，筆者設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)的紅外無(wú)線瓦斯礦燈。當(dāng)井下瓦斯檢測(cè)人員配備有ZigBee技術(shù)的瓦斯檢測(cè)裝置時(shí)，便在井下組成了一個(gè)大型無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，可隨時(shí)與井上管理人員聯(lián)系，最大限度地避免了災(zāi)害發(fā)生。

　　一、紅外無(wú)線瓦斯礦燈的工作原理

　　MH-440D紅外瓦斯傳感器利用非色散紅外(NDIR)原理對(duì)空氣中存在的瓦斯進(jìn)行探測(cè)，具有很好的選擇性，無(wú)氧氣依賴性。紅外瓦斯傳感器內(nèi)部集成了一個(gè)線性溫度傳感器，可進(jìn)行溫度補(bǔ)償。檢測(cè)原理為甲烷氣體對(duì)特定波長(zhǎng)的紅外光具有一定的吸收作用，甲烷濃度越大,吸收越強(qiáng)烈[2]。當(dāng)紅外瓦斯傳感器探測(cè)到瓦斯時(shí)，紅外探測(cè)器接收的光信號(hào)減弱，由光信號(hào)的改變得到輸出電壓的改變，輸出信號(hào)隨瓦斯?jié)舛茸兓�的曲線如圖1所示。

　　圖1 MH-440D紅外瓦斯傳感器0.4-2.0V輸出特性曲線圖

　　單片機(jī)接收到瓦斯?jié)舛戎岛螅瑢?duì)其進(jìn)行判斷，如果瓦斯超限，瓦斯礦燈將自動(dòng)進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)，將瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊(CC2430)進(jìn)行發(fā)射，無(wú)線信號(hào)均由設(shè)置在檢測(cè)點(diǎn)一定范圍內(nèi)的無(wú)線路由基站接收，并通過(guò)布置于井下的由無(wú)線路由基站構(gòu)成的微功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。

　　二、紅外無(wú)線瓦斯礦燈硬件設(shè)計(jì)

　　紅外無(wú)線瓦斯礦燈硬件部分由紅外瓦斯傳感器MH-440D、控制單元、LCD、聲光報(bào)警電路、調(diào)校電路、存儲(chǔ)電路、無(wú)線發(fā)射模塊(CC2430)和電源等組成[3]，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　圖2 無(wú)線瓦斯傳感器硬件結(jié)構(gòu)圖

　　1.瓦斯檢測(cè)電路

　　瓦斯檢測(cè)電路由紅外瓦斯傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器組成。當(dāng)一束特定波長(zhǎng)的紅外光穿過(guò)含有甲烷的氣體后，甲烷氣體對(duì)紅外光進(jìn)行吸收，紅外探測(cè)器接收的光信號(hào)減弱。減弱的光信號(hào)經(jīng)A /D接口轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理，通過(guò)LCD顯示甲烷的濃度。該瓦斯檢測(cè)電路的A/D轉(zhuǎn)換由單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換口完成，省去了A/D轉(zhuǎn)換模塊，減少了外圍電路，提高了系統(tǒng)集成度。瓦斯檢測(cè)電路原理如圖3所示。

　　圖3 瓦斯檢測(cè)電路原理圖

　　2.單片機(jī)控制系統(tǒng)

　　無(wú)線瓦斯礦燈的控制系統(tǒng)由單片機(jī)、聲光報(bào)警器、LCD顯示器、標(biāo)校電路和存儲(chǔ)電路組成。無(wú)線瓦斯礦燈的標(biāo)校由標(biāo)校系統(tǒng)完成，超限閥值和定位信號(hào)間隔時(shí)間通過(guò)仿真器進(jìn)行設(shè)定。單片機(jī)接收到瓦斯?jié)舛戎岛螅��?jīng)運(yùn)算處理，通過(guò)LCD顯示器顯示數(shù)據(jù)，同時(shí)判斷瓦斯?jié)舛仁欠癯�過(guò)預(yù)設(shè)值。如果瓦斯超限，瓦斯礦燈將自動(dòng)進(jìn)行聲光報(bào)警。單片機(jī)通過(guò)SPI接口將瓦斯礦燈ID數(shù)據(jù)和檢測(cè)到的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)等傳輸給無(wú)線發(fā)射模塊，由無(wú)線發(fā)射模塊完成數(shù)據(jù)發(fā)射，該數(shù)據(jù)能被路由基站接收，并傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。無(wú)線瓦斯礦燈的主控制芯片選用STC12LE5412AD，該單片機(jī)采用單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)，比普通8051單片機(jī)快12倍;具有高速SPI端口，能滿足同無(wú)線通信芯片的高速數(shù)據(jù)傳輸要求;超低功耗設(shè)計(jì)、ESD保護(hù)、抗4KV快速脈沖干擾和寬電壓防電源抖動(dòng)等特性，使其能較好地應(yīng)用于煤礦井下環(huán)境[4]。

　　3.無(wú)線通信模塊

　　Zigbee技術(shù)是最近幾年提出的一種近距離、低功耗、低復(fù)雜度、低成本的無(wú)線通信技術(shù)，通過(guò)自組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行信息傳遞[5]。完整的ZigBee體系結(jié)構(gòu)是由應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用支持層、介質(zhì)訪問(wèn)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。ZigBee聯(lián)盟對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化;物理層、介質(zhì)訪問(wèn)層和數(shù)據(jù)鏈路層則采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)[6]。

　　CC2430是可以實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee 應(yīng)用的片上系統(tǒng)，支持2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee 協(xié)議。CC2430芯片只需很少的外圍元件即可完成硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，外圍電路使用一個(gè)非平衡天線，連接非平衡變壓器，可優(yōu)化天線性能[7]。圖4為無(wú)線通信模塊部分電路原理圖。

　　圖4 無(wú)線通信模塊部分電路原理圖

　　CC2430有21個(gè)可編程的I/O口引腳，P0、P1口是完全的8位口，P2口只有5個(gè)可使用的位。通過(guò)軟件設(shè)定一組SFR 寄存器的位和字節(jié)，可使這些引腳作為通常的I/O 口或作為連接ADC、計(jì)時(shí)器或USART部件的外圍設(shè)備I/O口。此處將芯片CC2430的P1.0-P1.7端口作為與芯片STC12LE5412AD的通信端口。

　　三、無(wú)線瓦斯礦燈軟件設(shè)計(jì)

　　無(wú)線瓦斯礦燈軟件部分主要負(fù)責(zé)對(duì)檢測(cè)到的瓦斯數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括濃度顯示、濃度判斷、數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。為了提高檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，對(duì)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)采用中值濾波法，每次讀取10個(gè)值，去除其中的最大值和最小值，取剩余8個(gè)轉(zhuǎn)換值的平均值[4]。當(dāng)瓦斯檢測(cè)人員在固定位置記錄瓦斯?jié)舛葧r(shí)，需按下存儲(chǔ)鍵來(lái)確認(rèn)檢測(cè)完成，將檢測(cè)到的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線發(fā)射模塊進(jìn)行無(wú)線發(fā)射;當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸�限時(shí)，除在LCD顯示屏上顯示外，同時(shí)啟動(dòng)聲光報(bào)警和觸發(fā)CC2430發(fā)送超限信號(hào)。同時(shí)，無(wú)線發(fā)射模塊每隔10-20S主動(dòng)發(fā)射一次定位數(shù)據(jù)，確定瓦斯檢測(cè)人員位置。軟件流程如圖5所示。

　　圖5 瓦斯礦燈軟件流程圖

　　瓦斯礦燈工作流程部分核心程序代碼如下：

　　AAA1： 中值濾波程序

　　JNB P1.1 AAA2

　　MOV DPTR 3AH

　　MOVX A @DPTR

　　SUBB A direct

　　JC AAA1 ;判斷超限，不超限返回AAA1

　　CLR P1.0 ;聲光報(bào)警

　　AAA2: MOV A 3AH

　　MOV SBNF A

　　四、結(jié)論

　　設(shè)計(jì)中將紅外瓦斯傳感器、高速低功耗單片機(jī)STC12LE5412AD和單片射頻收發(fā)芯片CC2430結(jié)合起來(lái)，具有低功耗、數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)、高抗干擾性和移動(dòng)靈活等特點(diǎn)�；�于zigbee技術(shù)的紅外無(wú)線瓦斯礦燈從設(shè)計(jì)上將瓦斯檢測(cè)和井下無(wú)線通信進(jìn)行了融合，把井下瓦斯檢測(cè)從原來(lái)固定點(diǎn)的檢測(cè)提升到了區(qū)域面的檢測(cè)，有利于減少礦井瓦斯檢測(cè)的“死區(qū)”，提高信號(hào)傳輸效率和瓦斯檢測(cè)的可靠性，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

　　參考文獻(xiàn)：

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