目前，井下瓦斯檢測人員在使用瓦斯礦燈檢測時，無法與井上監(jiān)控中心進行實時通信，只能手工記錄，工作量大，并且井上管理人員也無法監(jiān)控到瓦斯檢測人員工作是否認真，檢測地點是否全面，檢測數(shù)據(jù)是否準確等情況。如果發(fā)生瓦斯超限的緊急事件，井上管理人員也無法及時得到消息，以至于不能有效防止危險的發(fā)生。ZigBee技術在井下的應用解決了這一系列難題。

　　摘 要：針對當前礦井中存在的瓦斯檢測人員工作量大、瓦斯?jié)舛葯z測不標準、井下通訊不及時等問題，設計了一種基于ZigBee技術的高精度、多功能、智能化程度高的紅外無線瓦斯礦燈。筆者介紹了紅外無線瓦斯礦燈的工作原理，研究了該礦燈軟件和硬件的設計。通過無線射頻芯片CC2430，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線傳送。該瓦斯礦燈可全程跟蹤井下人員的作業(yè)情況，確保瓦斯檢測工作的順利進行。

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

　　ZigBee是以一個個獨立的工作節(jié)點為依托，以無線通信方式組成星狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。每一個ZigBee網(wǎng)絡傳輸模塊都擁有一個獨立的ID號(身份識別標志)，在網(wǎng)絡范圍內(nèi)可以相互通信，整個網(wǎng)絡的傳輸距離可以擴展到幾百米,甚至幾千米。另外,整個ZigBee網(wǎng)絡還可以與現(xiàn)有的以太網(wǎng)等各種網(wǎng)絡相連接[1]�；�于上述原因，筆者設計了一種基于ZigBee技術的紅外無線瓦斯礦燈。當井下瓦斯檢測人員配備有ZigBee技術的瓦斯檢測裝置時，便在井下組成了一個大型無線通信網(wǎng)絡，可隨時與井上管理人員聯(lián)系，最大限度地避免了災害發(fā)生。

　　一、紅外無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)原理對空氣中存在的瓦斯進行探測，具有很好的選擇性，無氧氣依賴性。紅外瓦斯傳感器內(nèi)部集成了一個線性溫度傳感器，可進行溫度補償。檢測原理為甲烷氣體對特定波長的紅外光具有一定的吸收作用，甲烷濃度越大,吸收越強烈[2]。當紅外瓦斯傳感器探測到瓦斯時，紅外探測器接收的光信號減弱，由光信號的改變得到輸出電壓的改變，輸出信號隨瓦斯?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

　　單片機接收到瓦斯?jié)舛戎岛�，對其進行判斷，如果瓦斯超限，瓦斯礦燈將自動進行聲光報警，同時，將瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)通過無線發(fā)射模塊(CC2430)進行發(fā)射，無線信號均由設置在檢測點一定范圍內(nèi)的無線路由基站接收，并通過布置于井下的由無線路由基站構(gòu)成的微功耗無線網(wǎng)絡傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。

　　二、紅外無線瓦斯礦燈硬件設計

　　紅外無線瓦斯礦燈硬件部分由紅外瓦斯傳感器MH-440D、控制單元、LCD、聲光報警電路、調(diào)校電路、存儲電路、無線發(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 無線瓦斯傳感器硬件結(jié)構(gòu)圖

　　1.瓦斯檢測電路

　　瓦斯檢測電路由紅外瓦斯傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器組成。當一束特定波長的紅外光穿過含有甲烷的氣體后，甲烷氣體對紅外光進行吸收，紅外探測器接收的光信號減弱。減弱的光信號經(jīng)A /D接口轉(zhuǎn)換成電信號，由單片機進行運算處理，通過LCD顯示甲烷的濃度。該瓦斯檢測電路的A/D轉(zhuǎn)換由單片機自帶的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。瓦斯檢測電路原理如圖3所示。

　　圖3 瓦斯檢測電路原理圖

　　2.單片機控制系統(tǒng)

　　無線瓦斯礦燈的控制系統(tǒng)由單片機、聲光報警器、LCD顯示器、標校電路和存儲電路組成。無線瓦斯礦燈的標校由標校系統(tǒng)完成，超限閥值和定位信號間隔時間通過仿真器進行設定。單片機接收到瓦斯?jié)舛戎岛�，�?jīng)運算處理，通過LCD顯示器顯示數(shù)據(jù)，同時判斷瓦斯?jié)舛仁欠癯�過預設值。如果瓦斯超限，瓦斯礦燈將自動進行聲光報警。單片機通過SPI接口將瓦斯礦燈ID數(shù)據(jù)和檢測到的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)等傳輸給無線發(fā)射模塊，由無線發(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。無線瓦斯礦燈的主控制芯片選用STC12LE5412AD，該單片機采用單時鐘/機器周期(1T)，比普通8051單片機快12倍;具有高速SPI端口，能滿足同無線通信芯片的高速數(shù)據(jù)傳輸要求;超低功耗設計、ESD保護、抗4KV快速脈沖干擾和寬電壓防電源抖動等特性，使其能較好地應用于煤礦井下環(huán)境[4]。

　　3.無線通信模塊

　　Zigbee技術是最近幾年提出的一種近距離、低功耗、低復雜度、低成本的無線通信技術，通過自組網(wǎng)技術進行信息傳遞[5]。完整的ZigBee體系結(jié)構(gòu)是由應用層、網(wǎng)絡層、應用支持層、介質(zhì)訪問層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡層協(xié)議和API進行了標準化;物理層、介質(zhì)訪問層和數(shù)據(jù)鏈路層則采用IEEE 802.15.4標準[6]。

　　CC2430是可以實現(xiàn)嵌入式ZigBee 應用的片上系統(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)的設計，外圍電路使用一個非平衡天線，連接非平衡變壓器，可優(yōu)化天線性能[7]。圖4為無線通信模塊部分電路原理圖。

　　圖4 無線通信模塊部分電路原理圖

　　CC2430有21個可編程的I/O口引腳，P0、P1口是完全的8位口，P2口只有5個可使用的位。通過軟件設定一組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、計時器或USART部件的外圍設備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、無線瓦斯礦燈軟件設計

　　無線瓦斯礦燈軟件部分主要負責對檢測到的瓦斯數(shù)據(jù)進行處理，包括濃度顯示、濃度判斷、數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。為了提高檢測數(shù)據(jù)的準確度，對經(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個值，去除其中的最大值和最小值，取剩余8個轉(zhuǎn)換值的平均值[4]。當瓦斯檢測人員在固定位置記錄瓦斯?jié)舛葧r，需按下存儲鍵來確認檢測完成，將檢測到的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)通過無線發(fā)射模塊進行無線發(fā)射;當瓦斯?jié)舛瘸�限時，除在LCD顯示屏上顯示外，同時啟動聲光報警和觸發(fā)CC2430發(fā)送超限信號。同時，無線發(fā)射模塊每隔10-20S主動發(fā)射一次定位數(shù)據(jù)，確定瓦斯檢測人員位置。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 ;聲光報警

　　AAA2: MOV A 3AH

　　MOV SBNF A

　　四、結(jié)論

　　設計中將紅外瓦斯傳感器、高速低功耗單片機STC12LE5412AD和單片射頻收發(fā)芯片CC2430結(jié)合起來，具有低功耗、數(shù)據(jù)傳輸距離遠、高抗干擾性和移動靈活等特點。基于zigbee技術的紅外無線瓦斯礦燈從設計上將瓦斯檢測和井下無線通信進行了融合，把井下瓦斯檢測從原來固定點的檢測提升到了區(qū)域面的檢測，有利于減少礦井瓦斯檢測的“死區(qū)”，提高信號傳輸效率和瓦斯檢測的可靠性，具有較好的實際應用價值。

　　參考文獻：

　　[1]施邦平.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡在滅火救援中的應用[J].消防科學與技術,2009(2).

　　[2]毛曉波,陳鐵軍,羅勇.非色散性智能紅外瓦斯傳感器的研究[J].電子技術應用,2008(1).

　　[3]吳強,沈斌,秦憲禮.無線射頻瓦斯傳感器研究[J].煤礦安全,2009(5).

　　[4]秦憲禮,劉新蕾,沈斌.基于無線射頻通信的多功能瓦斯報警礦燈的研制[J].工礦自動化,2008(6).

　　[5]安葳鵬,沈志廣,潘亞鋒.基于ZigBee井下人員定位系統(tǒng)關鍵問題研究[J].煤礦安全,2009(5).

　　[6]薛毅飛,馬海波,姜薇.基于ZigBee技術的井下綜合人員管理系統(tǒng)[J].微計算機信息.2009(3).

　　[7]王瑋,樊則賓.基于CC2430的無線溫度檢測終端的設計[J].計算機與自動化技術,2007(8).

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