一種精確節能型無線瓦斯傳感系統的研究

袁　斌　朱正偉　周謝益

(常州大學信息科學與工程學院，江蘇 常州　213164)

一種精確節能型無線瓦斯傳感系統的研究

袁斌朱正偉周謝益

(常州大學信息科學與工程學院，江蘇 常州213164)

摘要：為了準確、實時地監測煤礦采煤點瓦斯含量，采用鋰電池供電的瓦斯傳感器對采煤點進行多點監測。一方面考慮到監測點環境惡劣，容易引起監測數據失真，從硬件上進行了溫度補償，從軟件上通過肖維涅準則對粗大誤差進行處理，保證了測量精度；另一方面為了延長瓦斯無線測控網絡的有效生命周期，采用低功耗自適應分層路由協議(LEACH)，依據瓦斯含量的變化規律，利用非均勻分簇，由距離基站遠的簇首通過雙跳通信傳送數據。通過試驗可知：網絡生命有效周期提高了33.3%。

關鍵詞：瓦斯傳感無線通信節能型誤差處理分層路由實時監測溫度補償生命周期低功耗自適應

0引言

我國是煤炭生產大國，在相當長的時期內，仍將保持以煤炭為主的能源格局。瓦斯爆炸作為最嚴重的礦井事故之一[1]，給國家和煤礦工人帶來了無法彌補的損失。《煤礦安全規程》規定，只要有一個煤(巖)層出現瓦斯，即定為瓦斯礦井，我國95%以上的煤礦是瓦斯礦井，其中將近一半是高瓦斯礦井。由于瓦斯含量達到5%～16%時就有爆炸危險，因此對礦井采煤點瓦斯含量的實時監測顯得尤為重要。一般情況下，監控范圍為0～4%[2]。

1系統結構

本文設計的一種精確節能型無線瓦斯傳感系統結構如圖1所示。在礦井采煤現場布置了多個測量節點，如在每個測量節點采用固定電源供電，會大幅增加布線成本、干擾采煤現場工作，因此除了基站以外的其他節點采用鋰電池供電，底層通信采用無線通信[3]。

圖1　系統結構圖

測量節點結構如圖2所示。

圖2　瓦斯測量節點結構圖

節點處理測量數據后發送給簇首，簇首再匯總發送給基站。基站與網關相連接，通過以太網把數據傳送到控制中心服務器，進行遠程監控。如果經常單個或少數地更換測量節點供電電池，會大幅增加人力成本。因此，提高無線測控網絡的有效生命周期和均衡各節點的能量消耗成為研究的重點[4]。

2信號測量和誤差處理

2.1瓦斯信號的測量及溫度補償

當前瓦斯含量測量一般采用催化燃燒法、氣敏半導體法和光干涉法等，其中催化燃燒法傳感器具有價格低廉和測量精度高的特點，應用普遍。催化燃燒一般采用惠斯頓單臂電橋電路[5]。

溫度補償電路如圖3所示。

圖3　溫度補償電路

圖3所示的電路中，R1、R3的電阻值相同，R2為阻值較小的可調電阻，主要用于手工微調零。在新鮮空氣條件下(瓦斯含量為0)，黑白元件的電阻值相同，則U0兩端電壓值均為U1/2，所以U0值為0。黑元件最里層為鉑絲線圈，外層為催化外殼。鉑絲線圈通電發熱維持催化燃燒反應需要的溫度，使瓦斯在元件表面發生無焰燃燒，釋放出熱量使元件溫度升高、阻值上升；而白元件R4的電阻值不變，U0左端電壓上升， 則U0大于0。在一定條件下，U0值的大小與外界瓦斯含量成正比[6]。

傳感器工作環境溫度變化大，當溫度升高時，R4的電阻值也隨著溫度的上升而上升。在瓦斯含量一定的情況下，黑元件的電阻值不變，而R4的增加降低了黑元件上的壓降，使U0值下降，影響了測量精度。R6、R7、V1構成了溫度補償電路：通過選定R6、R7的電阻值，使流過晶體管V1基極的電流遠小于流過R6、R7的電流值。

(1)

惠斯頓電橋端的電壓U1為：

(2)

Ube隨溫度的升高而減小，U1值增大，促使U0值微增，實現了溫度補償。

2.2粗大誤差處理

在測量過程中，由于外部環境的突變或測量儀器電路間歇性振蕩、接觸不良、工作不穩定等原因影響了測量結果，而產生粗大誤差時，該測量值應予以刪除[7]。

例如：瓦斯含量測量10次，測量結果分別為：x1=0.85%,x2=0.81%,x3=0.87%,x4=0.35%,x5=0.91%,x6=0.77%,x7=0.75%,x8=0.93%,x9=0.76%,x10=0.75%。其中的x4極有可能是粗大誤差。

由于測量次數較少，根據肖維涅準則刪除粗大誤差。系統按以下步驟處理。

v=σ×p(10)=0.163%×1.93=0.319%

(3)

0.425%>0.319%

(4)

v=σ×p(10)=0.07%×1.92=0.134%

(5)

由于各測量值均在0.822%±0.134%范圍內，則認為已不存在粗大誤差，測量值為0.822%。

3無線通信節能性研究

3.1分層路由協議的優化

無線通信路由協議從網絡組織形式上分為平面路由協議、分層路由協議和位置路由協議。

平面路由協議認為所有節點具有相同的功能或承擔相同的角色；基于位置的路由協議依靠節點的位置信息進行路由決策。分層路由協議認為不同的節點在路由過程中承擔不同的角色，它把節點分成許多簇，簇首匯總本簇內節點傳感信息，匯總后發給基站。與平面路由協議各節點獨自向基站發送數據相比，分層路由協議能夠大幅減少數據在無線媒介中的傳播，降低了能耗[8]。

低功耗自適應分層路由協議 (low-energy adaptive clustering hierarchy,LEACH)是最具啟發性的路由協議。該協議結合了時分多址 (time division multiple access,TDMA)式的無競爭接入和無線傳感網絡(wireless sensor networks,WSN)中的分簇思想，一個簇由一個簇首和若干個普通節點組成。LEACH協議由兩個階段循環運行：簇的建立階段和穩定階段。在簇的建立階段，由于簇首的能量消耗遠大于普通節點，為了使各節點的能量消耗均勻，LEACH協議采用了各節點輪換充當簇首。在穩定階段，普通節點只與簇首通信，在每一幀內，各節點按照簇首安排的時隙發送數據，其他時間除了感知測量數據和處理數據，大多處于休眠狀態。簇首除了接收各節點的發送數據外，還要把接收數據打包發送給基站。礦井采煤現場監測瓦斯含量的節點比較分散，有些節點距離基站遠，直接向基站發送數據產生的能耗很大，極易由于供電電池能量耗盡而提前死亡。

(6)

式中：Et為節點發送數據總能耗；Ee(n)為發射n比特數據發射電路功耗；Ea為發射n比特數據功率放大功耗；Ee為發射每比特數據電路功耗；ef和em為自由空間傳輸系數和多路徑衰減傳輸系數；d為無線通信距離；d0一般為75 m左右。

由式(6)可見，當通信距離大于75 m時，通信能耗衰減系數為4，能耗極大。為此，對常規LEACH協議進行優化，對通信距離大于75 m的簇采用雙跳或多跳通信。

靠近基站的簇，其簇首既要接收簇內數據并處理后發送，又要轉發遠距離簇的測量數據，能量消耗大，易提前死亡。在LEACH優化協議的基礎上，把靠近基站的簇分得小一點，距離基站遠的簇分得大一點，減少了距離基站近的簇首處理本簇數據的能耗。

3.2優化協議試驗

在150 m×200 m采煤現場區域內，分布有20個測量節點。首先，采用常規的LEACH通信協議，將測量節點均勻分為4個簇，每個簇5個節點，各個簇的簇首直接與基站通信，普通節點每30 s(實際應用中可以延長發送時間間隔)向簇首發送一次測量數據。然后，根據節點分布的實際情況優化LEACH協議，如圖4所示。圖4中，同樣分為4個簇，靠近基站的簇，每個簇具有4個節點，距離基站遠的簇，每個簇具有6個節點。

圖4　優化LEACH協議設計

遠距離簇首通過鄰近基站簇的簇首向基站轉發數據。剩余有效節點對比如圖5所示。

圖5　剩余有效節點對比圖

由圖5可知，在常規LEACH協議中，出現第一個死亡節點的時間是第15天，假定死亡節點超過3個即網絡失效，則網絡有效生命周期是30天。在優化LEACH協議中，出現第一個死亡節點的時間為第30天，比常規LEACH提高一倍；網絡有效生命周期為40天，比常規LEACH提高33.3%。這主要是因為優化后的LEACH協議針對采煤現場的分布節點，使各節點能量消耗更趨均衡。

4結束語

通過對瓦斯含量測量電路的溫度補償和測量粗大誤差的處理，提高了測量精度和穩定性；通過對無線通信網絡協議的進一步優化，延長了無線測量網絡的有

效生命周期，減少了頻繁更換鋰電池的次數。礦井瓦斯含量的實時、精確測量對保障礦工人身安全和煤礦生產具有重要意義。

參考文獻

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計與實現[J].自動化儀表，2012，33(4):27-29,34.

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ResearchonanAccurateEnergySavingWirelessGasSensingSystem

Abstract：For accurately monitoring the gas content at coal mining points in real time, the lithium battery powered gas sensors are adopted for multi-point gas monitoring.Considering the harsh environment of the coal mining points, the detected data may be distorted, the temperature compensation is conducted in hardware; and the gross error is processed through Chauvenet guideline to ensure the measurement accuracy.In addition, in order to extend the effective lifecycle of the gas sensing wireless network, the low energy adaptive clustering hierarchy (LEACH) protocol is adopted, the cluster head which is far away from the base station may transmit the data via double hop communication in accordance with the variation of gas content and using non-uniform clustering.The tests verify the effective lifecycle of network increases by 33.3%.

Keywords:Gas sensingWireless communicationsEnergy savingError handlingHierarchical routingReal-time monitoringTemperature compensationLife cycleLow power consumptionSelf adaption

中圖分類號：TH7;TP393

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201606015

國家自然科學基金資助項目(編號：51176016)；

江蘇省科技支撐計劃基金資助項目(編號：BE2013005-3)。

修改稿收到日期：2015-09-02。

第一作者袁斌(1974-)，男，1998年畢業于江蘇石油化工學院化工工藝專業，獲學士學位，工程師；主要從事工業儀表和測控系統方向的研究。