ZigBee技術在煤礦瓦斯監測系統中的研究

摘 要：瓦斯是影響煤炭行業安全生產的突出因素，為了保障礦工人員的工作環境，本文設計了以ZigBee技術為基礎的井下瓦斯監測系統，該系統具有良好的可靠性、易操作性等優點。

關鍵詞：

瓦斯濃度過高是引起煤礦事故的主要原因，因此，實時了解井下瓦斯濃度是煤礦安全生產的一個重要因素。目前，我國各大煤礦的瓦斯監測系統大多采用有線監測的方式，但這種方式布線復雜、維護成本較大，且如果監測系統的某一點發生故障，則整個網絡就會失去控制。基于這一點，利用ZigBee技術設計出一種無線網絡通信系統，通過計算機和無線網絡獲得井下各模塊的工作狀態和數據，從某種意義上來說，促進了煤炭工業現代化的管理，減少了煤炭事故的發生，具有可靠性高、成本低、靈活性強等優點。

1 系統總體結構設計

由于煤礦作業環境的特殊性，所以檢測礦井空氣中的瓦斯濃度是礦井安全的基礎，以ZigBee網絡為架構的無線監測系統，再其地面中心以下部分是由終端節點、路由器節點和協調器節點三部分組成，終端節點主要用來瓦斯數據的收集，然后傳送給路由器節點層，協調器節點層對其接收到的數據信息進行總結，再連接主干網絡控制中心接收傳輸的數據信息，實時監測到井下瓦斯濃度的狀態，系統總體結構如圖1所示。

2 系統硬件部分設計

在本設計中，硬件電路主要有傳感器模塊和無線通信模塊組成，在實際的應用中，通常把它們放到一個硬件電路上，因此，有利于提高系統的穩定性和準確性。

2.1 傳感器模塊電路

本設計采用是應用電路簡單、耗電低、體積小的KGS-20型可燃氣傳感器，瓦斯傳感器的工作原理是在瓦斯的作用下是其熱催化元件發生燃燒，導致阻值隨著元器件的溫度升高而增大，使電橋失去平衡引起橋路電壓發生變化，由于該電壓和瓦斯濃度成正比例關系，所以通過測量橋路電壓就可以檢測出瓦斯濃度值。

2.2 ZigBee無線通信模塊

設計采用基于無線SOC設計、內部集成了大量設計電路的CC2430作為系統方案的無線通信模塊，并且集成了一顆8051微控制器和符合了IEEE802.15.4標準的2.4GHz RF射頻收發器，可以實現數據信號的無線收發功能。

3 系統程序設計

程序的總體流程首先是初始化，建立網絡通訊連接，通過瓦斯傳感器采集數據，對這些數據進行處理及對比，如果超出所設范圍則報警，并執行相應的控制命令。

3.1 數據采集程序設計

數據采集部分的功能是利用傳感器來完成瓦斯數據實時可靠的瓦斯數據采集，然后再將電信號經過放大電路放大，經與8051單片機連接，后經AD轉換獲得所需要的參數。最后等待系統的無線傳輸。

3.2 無線收發的程序設計

由協調器節點、路由器節點和終端節點得到的數據傳送給無線收發模塊CC2430，然后由其傳送給控制中心，無線收發模塊CC2430的工作流程如下：首先初始化CC2430的寄存器參數并改變其參數值使其進入到待機模式的狀態，然后是發送模式或接受模式的工作模式選擇，最終完成數據信號的無線收發的功能。

4 結束語

本設計采用通信技術和無線傳感器網絡設計成的瓦斯監測系統，達到了對于煤礦瓦斯濃度的實時監測和預警的功能，減少了煤礦事故的發生，使人身安全和財產有了一定的保障，具有良好的實時性和可靠性。

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