井下無線瓦斯傳感器及其應用研究

張新東，李 濤，趙發諾

山東魯泰煤業有限公司鹿洼煤礦，山東濟寧 272300

現階段，有不少煤礦流量監測監控系統實際使用的是有線與固定傳感器相結合的一種網絡，該網絡要求必須在礦井內部敷設通信線路以進行檢測信息的傳遞。然而，實際生產時，由于礦井結構的變化多端以及部分坑道空間的窄小，對通信線路的延伸及其維護有了越來越高的要求。如果通信鏈路出現故障問題，那么，將直接導致整個流量監測監控系統無法正常運行，大大削弱了系統的性能可靠性。

1 無線傳感器網絡的原理及其結構

1.1 原理

無線傳感器主要是通過諸多的能和物理環境彼此間交互，同時，涵蓋數據處理功能及無線通信功能的一種全新的傳感器構成的互連系統，對于一些繁瑣的監控任務，此系統能夠及時有效完成。本文所述的傳感器并非只是單純的來收集物理信號，然后，轉化成數字信號的傳感器，其主要把傳感器模塊、數據處理模塊以及無線通信模塊全部匯集到一塊較小的物理單元上，相較于傳統的傳感器，其功能繁多，除了可以感知環境信息外，還發揮著數據處理與無線通信的功能作用。我們把此類傳感器節點全面的分散在某一特定環境里，采用無線通信的方式來有效連接，從總體上形成了一個具有特殊性質的網絡。所有節點都有自己控制的一個區域，充分利用聲學光學設備、電磁感應裝置等各種感知設備實施監督控制其附近的物理環境。

1.2 結構

無線傳感器網絡沒有固定的結構，針對應用場合實施相應的結構。不過整體而言，無線傳感器網絡有硬件層與軟件層兩種。其中，硬件層的作用是合理控制傳感器，比如，控制數據的接收、轉換以及無線通信電路。軟件層的作用是在硬件層的基礎上發揮通信協議、能耗管理、通信頻道管理等功能作用。對于部分較為繁瑣的無線傳感器網絡，可將硬件層與軟件層分成若干個層，比如，把軟件層分為路由層、鏈路層等。此外，無線傳感器網絡具有諸多的拓撲結構，實際使用較多的有星形結構和網狀結構。其中，基于星形結構的無線傳感器網絡主要通過專用中心服務節點對整個網絡的數據傳輸及其運作進行處理；基于網狀結構的無線傳感器網絡能夠使網絡各傳感器節點間進行點對點的傳輸。所以，相比之下基于網狀結構的無傳感器網絡略勝一籌，不過其結構十分的繁瑣、需要花費大量的成本。

2 煤礦井下無線瓦斯傳感器的應用

2.1 硬件設計

首先是微處理器模塊；實際中主要將A Tmegal28L 單片機當做節點的微處理器。A Tmegal28L 以精簡指令集結構為首選，具備了哈佛總線的存儲器結構、單周期指令以及兩級流水線指令結構等各項技術，使得系統運行效率得到大大提升。與此同時，還根據單片機具體應用特征，設置了功耗、驅動能力和外圍模塊等，是一種實用性較高的單片機。A Tmegal28L有以電池供電的無線傳感器網絡應用所需的核心功能，涵蓋了納瓦功耗管理、先進的模擬、控制和通信外設等內容，將A Tmegal28L 與射頻收發器CC2430 有機的融合起來，能夠獲得集成性好、價低質優的節點。

其次是無線收發模塊；其屬于一種射頻集成電路模塊，作為無線網絡的物理層射頻前端來實際收發無線數據。以CC2430 射頻芯片為主。該射頻芯片依舊采用之前的CC2420 架構，在單個芯片上對ZigBee 射頻(RF)前端、內存和微控制器進行了整合。CC2430 生產過程中，采用的是0.18μmCMOS 工藝，在接收和發射模式下所呈現出的電流損耗都沒有超過27mA 或25mA。由于CC2430 具有休眠模式、轉換到主動模式的較短時間的特征，所以，在電池使用壽命要求長的場合中應用十分理想。

2.2 系統軟件設計

首先是匯聚節點程序；屬于一個增強功能的傳感器節點，能量供給十分充足，有豐富的內存與計算資源。匯聚節點共發揮著網絡維護功能與數據傳輸功能兩種，其中，網絡維護功能擔任組建ZigBee 網絡、分配網絡地址及維護綁定表的任務。數據傳輸功能作為ZigBee 網絡與互聯網的網關，把兩個應用不同協議的網絡有機的連接，從而使兩個協議棧間能夠做到通信協議的轉換。整個流量傳感器節點會采用無線的方式把實際獲得的傳感器數據全部送至匯聚節點中，然后再由匯聚節點對收到的數據進行轉換，最后通過串口輸送至嵌入式計算機內部。

其次是流量傳感器節點程序；該節點的任務是進行傳感器數據的收集，同時，把所收集的數據送至網關節點中，并且及時接收來自網關節點中的數據，結合這些數據實踐操作。在沒有數據可接收或者發送時，應保持在休眠狀態下，確保節點功耗的最低化。

主程序在初始化有關的寄存器與變量及管腳后，步入到主循環階段。主循環的任務是基于外部傳感器信號轉換后所產生的電壓信號做合理的采樣與處理，以轉換為實際所需的值，同時，將此值傳送至相對應的緩沖區中，最后，準確判斷其有無超限的可能，如果超了，那么，應及時的將相應的報警程序全面啟動，若不啟動，那么，就必須停止本次循環。

3 結論

綜上所述可知，本文主要以A Tmegal28L 單片機的無限瓦斯傳感器為核心，通過該單片機的功能如功能高、功耗低、體積小等進行數據的傳輸，對煤礦井下瓦斯情況進行了全程跟蹤監測，是一項值得推廣的系統。

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