煤礦瓦斯無線監測技術及系統的構建

謝瀟　魯璐

摘 要：瓦斯濃度是影響煤礦安全生產及運行的重要參數之一，因此瓦斯濃度同樣是煤礦生產過程中需要重點監控的數據。為了解決當前煤礦井下瓦斯監測存在的監控盲點較多、布線與架設難度較大的問題，文章設計了一種基于ZigBee通信技術的無線瓦斯監測系統網絡，希望能夠為煤礦井下瓦斯監控網絡架設工作提供相應的參考。

關鍵詞：瓦斯濃度；瓦斯監控；無線監測

中圖分類號：TD712 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）18-0076-01

隨著大型煤礦的采掘深度以及開采規模的不斷擴大，需要對有線瓦斯監測系統網絡進行拓展，而有線監測系統具有架設成本高、施工周期長、壽命受外界因素影響大的缺點，不適于在規模大、掘進深的大型煤礦中使用。同時，有線瓦斯監控系統需要長時間在惡劣的井下環境中使用，導致部分監控網絡功能失效，造成不能對井下瓦斯濃度進行全面、真實、準確監測的問題，給煤礦的安全生產帶來了隱患。因此，構建一個能夠為煤礦管理人員提供全天候、全方位的煤礦井下瓦斯監控系統就顯得尤為重要。

1 瓦斯無線檢測的主要技術及其應用現狀

當前，基于無線傳感器網絡的煤礦瓦斯監控成為了煤礦瓦斯監控系統架設的一個有效方式，對保證煤礦的安全生產具有重要作用。國內外在無線傳感器網絡技術以及礦井瓦斯監測應用方面開展了一定的工作，并取得了對應的成果。例如，徐振峰和尹晶晶[1]提出將ZigBee無線傳感器網絡技術應用到煤礦瓦斯監測工作中，在硬件電路設計過程中通過選擇對應的無線收發芯片與載體催化元件為監測網絡提供信息傳遞與傳感器設備，并在低壓穩流電源的支持下，通過構建基于分簇的路由算法網絡，不但可以實現瓦斯的無線網絡監測，還可以降低監測網絡的功耗。楊波[2]為了解決傳統煤礦瓦斯濃度監測過程中使用有線網絡存在的成本高、架設難度大等問題，提出了基于ZigBee無線網絡技術的瓦斯濃度監控站系統及其構建方案，設計了一種采用無線射頻模塊及節點硬件結構的監控網絡。在該網絡中，充分應用節點和上位機的工作原理優勢，通過發揮無線監控網絡的技術優勢與特點，降低了瓦斯監控的成本，解決了有線監控系統架設難度大的問題。袁志強[3]通過使用低功耗微處理器、無線收發芯片與礦用瓦斯傳感設備，設計一種由傳感器節點、路由設備與協調設備構成的煤礦用瓦斯無線監控系統，在實際的煤礦瓦斯管理和監測工作中得到了良好的應用。另外，Hayes J等為了滿足深井、大規模煤礦井下瓦斯濃度監測的需要，設計了一種無線傳感器網絡，其網絡的傳感器節點主要是使用了金屬氧化物的半導體氣敏設備，通過將之設置在需要監控的重點設備當中，獲得相應的瓦斯濃度信息。在設計之初，這種監控系統的主要目的是為了對人工手持式檢測設備進行補充，但是隨著無線技術的快速發展，卻逐步替代了傳統的瓦斯濃度監測方法，而且其功耗消耗更少。

從當前的煤礦瓦斯無線檢測的主要技術及其應用現狀分析結果來看，煤礦瓦斯濃度的無線監控技術發展相對完善，在傳感器、路由設備和協調器等監測設備的使用、研發等方面都開展了一定的工作，但是結合煤礦瓦斯監控系統需求的具體網絡設計的研究相對較少，還有待進一步完善。

2 ZigBee技術的主要特點

ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標準而制定的一種低功耗局域網標準。按照當前國際標準的相關規定，ZigBee技術屬于一種典型的短距離、低功耗無線通信技術，在當前的小型無線網絡構建當中得到了相當廣泛的應用。該無線網絡技術的名稱是基于蜜蜂的八字舞而命名的，因為蜜蜂（bee）在飛翔的過程中主要依靠高速抖動的翅膀，而且在抖動過程中會發出“嗡嗡”（zig）的聲音，并利用該聲音向同伴來傳遞相關的信息，例如花粉的具體位置，即蜂蜜就是依靠這種方式實現與整個群體中的個體進行實時通信的。該種技術的主要特點是復雜程度較低、通信距離較近，能夠實現自組織、功耗的數據傳輸。因此，ZigBee技術主要用于自動控制以及遠程無線控制當中，同時還可以嵌入各種需要的應用設備。即ZigBee屬于一種成本較低、功耗較低而且通信距離較近的無線網絡通信技術。

3 基于ZigBee技術的煤礦井下瓦斯無線監測系統的 構建

ZigBee網絡協議不但具有較為豐富的組網能力，而且還能夠根據不同的監控需要構建包括星型、樹型、網狀等結構形式的網絡。其中，星型網具有組網簡單的特點，但是其結構穩定性不足，一個路由器出現故障時，會使得整個網絡癱瘓；網狀形式結構雖然較為穩定，但是其整個結構體系較為復雜，而且對硬件水平要求較高，組建及維護成本也相對較高；樹型網絡可以實現任意節點之間的通信，而且成本較低。考慮到煤礦井下瓦斯監測數據點具有局部分散，且需要對獲得的數據進行集中匯總的特點，在網絡設計過程中使用了樹形的網絡拓撲結構。為了保證數據的傳輸穩定性，在路由器之間還使用了局部的網狀結構。

在整個網絡結構當中，瓦斯濃度采集傳感設備是整個系統的關鍵部分，主要負責對井下瓦斯濃度信息進行搜集，首先通過對應的A/D轉化、進行數據處理后再從各個節點配置的ZigBee模塊當中將數據轉換成為所需要的ZigBee數據包，最終將之發送到ZigBee路由器當中。其次ZigBee路由器從各個瓦斯采集傳感器節點中獲得數據，然后按照路由器表中預先設置的路徑將數據包轉發至ZigBee協調器當中。最后，ZigBee協調器搜集由路由器傳送過來的數據后，利用RS485串口將之發送到監控室的計算機中，最終實現在可視化界面下對各個節點瓦斯濃度的顯示。在整個通信網絡當中，各個ZigBee路由器都是基于標準的協議進行數據傳輸。

4 終端節點的設計

終端節點處于整個ZigBee無線網絡系統的最底層，主要工作是負責瓦斯數據的采集，并將這些數據通過路由器集中到協調器節點當中。本文設計的終端節點系統結構主要包括傳感器模塊、主控與通信模塊及電源模塊三個部分構成，可以實現數據采集、自動網絡鏈接和數據傳輸三項功能。

5 煤礦瓦斯采集傳感器節點的硬件設計方案

煤礦瓦斯傳感器節點主要包括瓦斯傳感器、ZigBee通信模塊以及電源模塊三個主要構成部分，其具體結構，如圖1所示。

煤礦瓦斯傳感器主要包括催化燃燒式與紅外吸收式兩種主要的感知原理，其中催化燃燒式傳感設備主要用于對瓦斯的主要成分，即甲烷的濃度進行監測，監測過程中使用了甲烷催化燃燒過程中的熱效應。該傳感設備具有結構簡單、生產成本較低的特點，但是其工作電流較大，在使用過程中容易受到硫化物、鹵素化合物等相關因素的影響，因此使用壽命相對較低。尤其是工作面的氧氣濃度較低時，誤差較大。紅外吸收式傳感器則是通過吸收甲烷特定波段的紅外光，利用對應的探測設備，將光信號轉換成為對應的電信號，從而實現相應的監測功能。

本文在設計過程中使用的數字輸出擴散式紅外甲烷傳感設備，具有內置A/D轉換，便于無線網絡的架設；同時，靈敏度相對較高，而且功耗較低，使用壽命較長。

系統的ZigBee通信模塊使用CC2530型芯片，在內部設置了具有代碼預取功能的CPU，功能強大，能夠支持多種串行通信協議，具有工作穩定性高、耗能較少特點，可以勝任煤礦井下瓦斯濃度的監測、數據處理、傳感器控制和數據存儲等工作。

參考文獻：

[1] 徐振峰.尹晶晶.煤礦瓦斯無線監測技術研究現狀及發展趨勢[J].科

技信息，2012，（29）.

[2] 楊波.煤礦無線瓦斯監測系統設計[J].科技創新與應用，2012，（31）.

[3] 袁志強.基于ZigBee技術井下瓦斯無線監測系統的設計[J].工業安全 與環保，2013，（6）.

[4] Hayes J， Slater C， Kiernan B. A wireless sensor network for methane monitoring[J]..Advanced Environmental， Chemical， and Biological Sensing Technologies，2007，（4）.