井下無線瓦斯?jié)舛葌鞲衅鞯脑O(shè)計(jì)

劉宏宇 張 冰 趙 京 王振 ?

(中國礦業(yè)大學(xué) (北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院, 北京 100083)

1 引言

我國是原煤生產(chǎn)大國, 隨著我國煤礦開采深度的不斷增加, 瓦斯災(zāi)害日趨嚴(yán)重。礦井瓦斯災(zāi)害主要包括瓦斯窒息、瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出及瓦斯燃燒, 尤其以瓦斯突出和瓦斯爆炸造成的危害最為嚴(yán)重, 成為制約煤礦安全生產(chǎn)的瓶頸。現(xiàn)有的瓦斯防治方法主要包括： 對(duì)高瓦斯礦井進(jìn)行預(yù)抽采; 強(qiáng)化礦井通風(fēng)以稀釋瓦斯?jié)舛? 根據(jù)地質(zhì)信息圈定高瓦斯地帶, 進(jìn)行瓦斯的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào); 從管理上嚴(yán)格井下作業(yè)規(guī)程并加強(qiáng)瓦斯監(jiān)測(cè)等。瓦斯檢測(cè)對(duì)瓦斯防治是十分重要的, 本文基于ZigBee 技術(shù), 設(shè)計(jì)了一款井下無線瓦斯傳感器。

2 系統(tǒng)功能

本文結(jié)合原有的瓦斯監(jiān)控技術(shù), 研究并設(shè)計(jì)一款井下無線瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳌Ｔ撛O(shè)備具有智能傳感器的特點(diǎn), 定時(shí)采集巷道中不同區(qū)域的瓦斯?jié)舛刃盘?hào), 通過硬件和軟件對(duì)瓦斯檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理, 由無線傳輸模塊向井上主控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。此外,傳感器在對(duì)瓦斯?jié)舛鹊倪B續(xù)檢測(cè)中, 利用預(yù)測(cè)算法具有預(yù)警功能, 與原有的瓦斯防治系統(tǒng)相結(jié)合, 實(shí)現(xiàn)監(jiān)控瓦斯?jié)舛群皖A(yù)防瓦斯爆炸的目的。以下分別從系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件編程兩方面進(jìn)行介紹。

3 硬件設(shè)計(jì)

3．1 硬件總體設(shè)計(jì)

如圖1 所示, 瓦斯催化傳感元件將瓦斯?jié)舛刃盘?hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)輸出, 經(jīng)差分放大器進(jìn)行信號(hào)放大處理, 經(jīng)由濾波電路作信號(hào)濾波, 經(jīng)由A/D 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào), 通過SPI 接口送入單片機(jī), 單片機(jī)根據(jù)存儲(chǔ)在片內(nèi)EEPROM 中的線性補(bǔ)償數(shù)據(jù)和零位修正系數(shù)進(jìn)行瓦斯?jié)舛刃Ｕ幚? 獲得較高精度的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)。同時(shí)通過DS1302 時(shí)鐘芯片讀取時(shí)間, 將采樣的時(shí)間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在單片機(jī)的片上Flash 存儲(chǔ)器 (20KB) 中, 并通過無線收發(fā)模塊將瓦斯?jié)舛葌鹘o井下監(jiān)控分站, 實(shí)時(shí)監(jiān)控瓦斯的濃度情況。瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時(shí), 向上位機(jī)匯報(bào)并報(bào)警。

圖1 無線瓦斯?jié)舛葌鞲性O(shè)備硬件框圖

3．2 主要元器件選型

由于煤礦井下工作條件特殊, 在硬件設(shè)計(jì)中,部件的選型有諸多限制。尤其需要注意的是, 煤礦井下電氣設(shè)備必須符合防爆要求, 應(yīng)有接地、過流、漏電保護(hù)裝置。本文設(shè)計(jì)的無線瓦斯傳感器主要有以下幾個(gè)部分：

(1) 選擇8051 核的單片機(jī)作為核心控制器,該CPU 帶有786 字節(jié)的片內(nèi)SRAM、2K的EEPROM和16K字節(jié)的Flash 存儲(chǔ)單元, 具有低功耗、小封裝、處理速度快的特點(diǎn), 能很好的滿足無線傳感器設(shè)備的需求。無線網(wǎng)絡(luò)模塊與CPU 的通信采用串行通訊方式, 比并口占線少, 數(shù)據(jù)傳輸更加可靠安全, 很好的滿足了設(shè)備需求。無線通信方式避免了大量電纜的連接, 設(shè)備在井下的安裝更為便捷。

(2) 瓦斯檢測(cè)采用MJC4T 系列催化元件。該傳感器具有優(yōu)異的穩(wěn)定性, 極佳的線性輸出特性和響應(yīng)特性, 滿足了瓦斯檢測(cè)必須具備的測(cè)量精度高、工作可靠、工作條件能適應(yīng)惡劣環(huán)境的要求。

傳感元件的部署需要從瓦斯來源、監(jiān)控對(duì)象和風(fēng)流方向三個(gè)角度進(jìn)行考慮, 安置位置應(yīng)能及時(shí)或提前監(jiān)測(cè)到瓦斯源放出的瓦斯?jié)舛? 消除網(wǎng)絡(luò)盲點(diǎn), 并對(duì)所有在監(jiān)控范圍內(nèi)的其他的電源供電電纜及其電氣設(shè)備進(jìn)行斷電控制。

(3) 單片機(jī)內(nèi)部晶振受井下工作環(huán)境影響, 容易出現(xiàn)不穩(wěn)的情況, 故采用12MHz 的外部晶振。復(fù)位電路采用手動(dòng)復(fù)位和自動(dòng)上電復(fù)位兩種模式。

綜上所述, 設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)具有低功耗、低成本、高性能的特點(diǎn), 具有很高的性價(jià)比, 適宜大批量的生產(chǎn)。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件開發(fā)采用keilC51, 軟件設(shè)計(jì)主要包括監(jiān)控程序 (主程序) 、數(shù)據(jù)處理程序、讀寫程序、無線通信程序幾部分。

4．1 監(jiān)控程序

監(jiān)控程序是系統(tǒng)的主程序, 主要實(shí)現(xiàn)以下功能： 開機(jī)后, 首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化, 包括相關(guān)變量的初始化、單片機(jī)相關(guān)寄存器和I/O 口初始化等,初始化完成后, 從片內(nèi)SRAM 讀入數(shù)據(jù), 同時(shí)負(fù)責(zé)管理調(diào)用各個(gè)子程序, 串口處于監(jiān)聽狀態(tài), 隨時(shí)與上位機(jī)進(jìn)行通信。監(jiān)控程序流程圖如圖2 所示。

圖2 監(jiān)控程序流程圖

4．2 數(shù)據(jù)處理程序

瓦斯?jié)舛刃盘?hào)通過A/D 轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波后,依然存在誤差, 誤差原因及處理方案如下：

(1) 由于傳感元件及各種元器件, 都會(huì)存在電路結(jié)構(gòu)不對(duì)稱、電氣特性對(duì)溫度變化敏感等特點(diǎn),存在零點(diǎn)漂移等現(xiàn)象, 影響系統(tǒng)長時(shí)間工作后讀入數(shù)據(jù)的精度。本文在軟件設(shè)計(jì)中采用零點(diǎn)補(bǔ)償?shù)姆椒? 用程序控制單片機(jī)先測(cè)出無輸入時(shí)傳感器的值, 把它存儲(chǔ)在單片機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi), 工作時(shí)每一次采集的數(shù)據(jù)都減去此值, 這樣就排除了零位誤差的影響, 提高了測(cè)量精度。既不影響傳感器的工作特性, 也不附加元器件, 簡(jiǎn)單易行, 準(zhǔn)確可靠。

(2) 隨著瓦斯?jié)舛鹊纳? 元件輸出增量明顯減少, 使元件在檢測(cè)較高濃度瓦斯時(shí), 呈現(xiàn)較嚴(yán)重的非線性特征。本文在軟件設(shè)計(jì)中采用非線性補(bǔ)償?shù)姆椒? 將測(cè)量相對(duì)變化量數(shù)值及相對(duì)變化量修正系數(shù)存入單片機(jī)中, 采用程序做校正處理, 校正元件的輸出值, 實(shí)現(xiàn)傳感器輸出值與瓦斯?jié)舛戎g的非線性補(bǔ)償。

(3) 當(dāng)信號(hào)通過放大器等環(huán)節(jié)時(shí), 由于硬件因素的影響, 會(huì)串入一些干擾信號(hào)。本文在軟件設(shè)計(jì)中采用算數(shù)平均值濾波的方法, 濾除隨機(jī)誤差對(duì)輸出值的影響。實(shí)踐表明, 起到了很好的濾波效果。

4．3 讀寫程序

單片機(jī)內(nèi)部2K字節(jié)的EEPROM 用來存放零點(diǎn)漂移數(shù)據(jù)、非線性補(bǔ)償系數(shù)和報(bào)警點(diǎn)等數(shù)據(jù), 16K字節(jié)的FLASH 存儲(chǔ)單元用來存儲(chǔ)瓦斯?jié)舛劝l(fā)生超標(biāo)的時(shí)間及濃度值等數(shù)據(jù)。無線瓦斯?jié)舛葌鞲衅骶哂幸欢ǖ臄?shù)據(jù)存儲(chǔ)能力, 以備上位機(jī)調(diào)用。

4．4 無線通信程序

本文通過IP- LINK 無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊進(jìn)行傳感器與上位機(jī)之間的通信。通信程序主要由串口中斷子程序和命令處理子程序組成。軟件設(shè)計(jì)中, 先對(duì)單片機(jī)的特殊功能寄存器及其他參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,然后進(jìn)入通信接口程序。在收到數(shù)據(jù)幀后, 根據(jù)數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容決定進(jìn)行何種操作, 規(guī)則如下：

(1) 正常狀態(tài)下瓦斯?jié)舛炔怀^安全濃度時(shí),傳感設(shè)備定時(shí)向上位機(jī)發(fā)出傳輸命令, 這時(shí)下位機(jī)將本機(jī)編號(hào)、實(shí)時(shí)時(shí)間和濃度值傳給上位機(jī);

(2) 當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^安全濃度時(shí), 傳感設(shè)備將記錄濃度值和發(fā)生的時(shí)間, 并將本編號(hào)、濃度值和發(fā)生的時(shí)間一并傳給上位機(jī);

(3) 上位機(jī)給下位機(jī)設(shè)置時(shí)間, 下位機(jī)將接收到的準(zhǔn)確時(shí)間寫到DS1302 時(shí)鐘芯片中, 準(zhǔn)確記錄時(shí)間。

(4) 傳感器電池電量不足時(shí), 向上位機(jī)發(fā)出電池更換提示。

基于以上規(guī)則, 單個(gè)無線瓦斯?jié)舛葌鞲衅骺梢詫?shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的通信, 無線收發(fā)模塊示意圖如圖3 所示。當(dāng)設(shè)備從外接收數(shù)據(jù)時(shí), 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊 (IPLink1223) 檢測(cè)到電磁波信號(hào), 系統(tǒng)被喚醒, 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊接收完一個(gè)數(shù)據(jù)包后會(huì)在單片機(jī)的I/O 口產(chǎn)生一個(gè)脈沖, 將數(shù)據(jù)包傳送給單片機(jī)。節(jié)點(diǎn)設(shè)備向外發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí), 串口中斷, 單片機(jī)接收數(shù)據(jù)并將其打包, 轉(zhuǎn)發(fā)給IPLink1223 芯片, 進(jìn)而通過Mesh 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)。

圖3 無結(jié)收發(fā)模塊示意圖

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于煤礦井下的無線瓦斯?jié)舛葌鞲衅? 并對(duì)其硬件結(jié)構(gòu)及軟件設(shè)計(jì)做了介紹。該傳感器具有智能和無線通信的雙重優(yōu)點(diǎn)。隨著井下瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不斷提高和瓦斯治理方案的優(yōu)化進(jìn)展, 隨著無線通訊技術(shù)在井下的推廣應(yīng)用, 無線瓦斯傳感器將與井下現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)相融合, 更加有利于對(duì)瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)狀況的及時(shí)處理, 為井下安全生產(chǎn)提供更有力的保障。

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