無線傳感網絡瓦斯監控系統設計＊

柏杏麗 李 蒙 錢 旭 刁文廣

(1.中國礦業大學(北京)機電與信息工程學院,北京市海淀區,100083;2.洛陽理工學院計算機與信息工程系,河南省洛陽市,471023;3.河南工程學院計算機科學與工程系,河南省鄭州市,450053)

我國煤礦50%以上為高瓦斯或瓦斯突出的礦井,煤礦死亡百人以上礦難95%以上都是瓦斯事故。因此瓦斯檢測對于煤礦企業安全生產至關重要。目前廣泛應用的瓦斯檢測儀多采用基于載體催化燃燒原理的敏感元件。這類傳感器普遍存在穩定性差、零點漂移、調校周期短的缺點。傳統的瓦斯檢測儀需升井調校,不但效率低下,而且對生產進度會產生影響;智能型瓦斯檢測儀雖然支持自動調校,但由于自動調校程序需事先設定,往往不能靈活適應現場環境參數多變的調校要求;采用基于CAN總線部署的瓦斯檢測儀可以支持在線調校,但由于需鋪設通信線路使瓦斯檢測儀部署的靈活性和實效性較差。為此,本文設計了基于無線傳感網絡的瓦斯監控系統,無線網絡瓦斯監控節點能隨時部署在新的工作面并支持在線調校,有助于提高煤礦企業的生產效率和安全生產水平。

1 無線傳感網絡瓦斯監控系統的架構

無線傳感網絡瓦斯監控系統是由井下大量的瓦斯傳感器節點、井下中心站和井上瓦斯監控計算機組成,系統結構見圖1。井下各瓦斯傳感器節點通過無線網絡的方式交換數據及控制信息,并將信息通過無線網絡傳送到井下中心站進行匯總,井下中心站通過CAN總線將瓦斯傳感器的信息上傳到井上瓦斯監控計算機,并接受監控計算機的控制指令,下發給各瓦斯傳感器節點,實現對各瓦斯傳感器節點的調校。

圖1 無線傳感網絡瓦斯監控系統

基于Zigbee的無線傳感網絡通過無線通信方式將各個瓦斯傳感器節點連接形成了1個多跳網絡,它具有自組織、可靠性強、可快速部署和擴張性強等優點,非常適合在井下這一特殊環境中快速構建用于瓦斯傳感器檢測的信息基礎平臺。

1.1 瓦斯檢測傳感器節點設計

瓦斯檢測傳感器節點由3部分組成:瓦斯傳感器、控制與通信單元、電源模塊。瓦斯傳感器采用IR12BD非發散性紅外型低功耗的氣體傳感器,檢測范圍0%～100%LEL,內部紅外光發散燈支持3 V供電,工作電流為50 mA,IR12BD內部有兩個熱電檢測器,一個用于瓦斯濃度檢測,一個是參考熱電檢測器用于檢測氣體環境,實現瓦斯傳感器的動態調校;控制與通信單元采用J ENNIC-5139模塊,工作電壓3 V,無線通信時工作電流37 mA,休眠狀態電流為2.6μA,模塊內嵌Zigbee無線通信協議,支持無線傳感網絡通信,采用32位的RISC CPU,內部集成了96 kb RAM、192 kb ROM、4個12位的ADC,用于將瓦斯傳感器的模擬量轉換為數字量,溫度傳感器可對瓦斯傳感器進行溫度檢測,根據溫度實現對檢測參數的動態補償,提高檢測精度、2個UART可在中心站構建CAN總線接口,J ENNIC-5139功能強大,便于擴展。電源模塊采用電池供電和外部輔助供電兩套并存的供電模式,當沒有外部輔助電源時,由電池供電,有外接輔助電源時,由外部電源供電,同時為電池充電。瓦斯檢測傳感器節點的系統結構見圖2。

圖2 瓦斯檢測傳感器節點結構圖

1.2 傳感器布置方案

依據煤礦安全生產規程,在采煤工作面部署無線瓦斯傳感器時應盡量靠近工作面上隅角,其位置距巷幫和采空區側充填帶均不大于800 mm,距頂板不大于300 mm;突出煤層掘進工作面、石門揭煤回風第一交匯點處必需部署瓦斯傳感器;長距離巷道掘進,每500～1000 m巷道增設1個傳感器。瓦斯傳感器部署在拐彎處內側時要距離回采工作面適當遠一些,部署在拐彎處外側時要適當近一些。

根據北京博控公司對J ENNIC-5139M02天線增益為3.5 dB的井下測試數據可知,在彎曲巷道通信時,如果在兩個節點不直接可視的情況下,兩節點通信距離在70 m以上時的數據丟包率為1.4%以上,在直巷道測試時500 m以內的可視節點通信數據丟包率為0%,參照以上測試數據確定基于J ENNIC5139瓦斯傳感器的部署間距。因此在彎曲巷道部署時為了確保無線數據可靠傳輸,必須使兩個無線節點互相可視,直巷道可間距500 m在巷道頂板部署1個無線瓦斯傳感器節點。

2 瓦斯濃度計算及動態補償

IR12BD瓦斯傳感器是基于比爾-朗伯定律,根據對紅外光吸收強度測定瓦斯濃度,并通過參考熱電檢測器進行環境因數線性補償。環境因數線性補償分零點補償和滿量程補償,先在無瓦斯氣體的情況下對傳感器進行零點補償參數的計算,方法如下:

零點校準參數:

式中:Zero——零點校準參數;

Act0——瓦斯熱電檢測器在無瓦斯時的輸出的峰值,mV;

Ref0——參考熱電檢測器在無瓦斯時的輸出的峰值,mV;

由J ENNIC5139內部的ADC實現模數轉換。滿量程校準參數:

式中:Span——滿量程校準參數;

ActSpan——瓦斯熱電檢測器在檢測氣體滿量程時的輸出,mV;

RefSpan——參考熱電檢測器在檢測氣體滿量程時的輸出,mV;

α,n——線性補償因數;

C——目標氣體濃度,vol。

為了減少環境溫度變化對傳感器的影響,使用JENNIC-5139內置的環境溫度傳感器進行溫度補償。分別為透光系數α補償、滿量程校準參數β補償。

透光系數α補償:

式中:N T——α補償下的透光系數;

N Tcomp——為透光系數的補償值;

Act——透光系數α補償進行瓦斯檢測時瓦斯熱電檢測器的峰值,mV;

Ref——參考熱電檢測器輸出的峰值,mV;

β補償下的滿量程校準參數:

式中:Spancomp——β補償下的滿量程校準參數;

β——滿量程校準補償因數;

T——瓦斯傳感器檢測時的環境溫度,℃;

Tca1——進行校準時環境溫度,℃。

根據比爾-朗伯定律計算瓦斯的濃度:

式中:C——瓦斯濃度,vol。

3 系統程序設計

3.1 無線瓦斯傳感器節點程序設計

無線瓦斯傳感器節點程序基于J ENNIC Code-Blocks開發,軟件具有系統自檢、校準值設定、現場瓦斯濃度檢測、根據設定的上限值進行報警提示、無線網絡組網、瓦斯檢測數據上傳等功能。程序流程圖見圖3。

圖3 無線瓦斯檢測節點主流程圖

3.2 地面計算機程序主要功能

井下中心站接收到各節點上傳的數據后,將數據匯總上傳到井上瓦斯監控計算機。井上瓦斯監控系統用組態王軟件開發,便于實現友好的交互界面和實時控制。主要功能有如下5點。

(1)對井下分站、無線節點瓦斯傳感器的配置、參數設定、安裝位置進行指示。

(2)繪制各個瓦斯節點監測數據的動態圖形、實時曲線。

(3)對檢測的瓦斯數據進行分析、匯總、統計。

(4)傳感器的節點在線標定及標定信息記錄。

(5)可進行實時報警顯示,并通過短信模塊將報警信息發送給值班領導。

4 結語

無線傳感網絡瓦斯監控系統與傳統的瓦斯監控相比,大幅減少了井下通信線路鋪設的成本和時間,不會因通信線路的鋪設制約煤礦開采的進度;采用紅外瓦斯傳感器降低系統功耗,延長了無線網絡節點的工作時間,同時能夠顯著延長瓦斯傳感器節點的調校周期,并可支持零點標準的在線調校。同時,煤礦井下無線網絡的架設可為井下人員定位系統提供硬件平臺。

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