基于Zigbee信號傳輸與RS-485總線的瓦斯傳感器調整技術

張聰慧

（天地（常州）自動化股份有限公司 ，江蘇 常州 213000）

0 引 言

煤礦安全是工業生產中的首要要務，目前我國煤礦生產中引發的安全事件主要是由于井內瓦斯含量所引起，導致有眾多煤礦工人安全得不到保障。為了能夠提高煤礦工人安全生產的目的，提升井內瓦斯監測技術勢在必行，因此監測瓦斯濃度的變化是保證煤礦安全生產的重要方式。目前催化劑燃燒的熱敏感元件監測方式是一種主流的煤礦瓦斯監測技術，但是該類型監測方式往往在信號傳輸中存在很大的不穩定性，另外還存在難以維護與安裝，對干擾作用難以抵抗等缺點[1-2]。而針對無線傳感器所構建出的網絡因其擁有較強擴展性能，因此文中采用將無線傳感器網絡與礦井環境相結合的方式完成瓦斯監測系統的構建，通過礦井內實驗表明該監測系統在對瓦斯濃度的監測中具有準確監測，可擴展性強的優勢，從而有效提升了礦井安全保障。

1 Zigbee和RS-485通信技術結合下的瓦斯監測系統

Zigbee無線傳感器網絡是基于IEEE8.0的一種組網簡單便捷的通信網絡，目前主要應用于家居和工業設計場合中，因此文中將該技術引入到煤礦開采過程中對瓦斯濃度的監測功能中。對于井下所部署的無線傳感器節點，其可通過通信相互交互的方式完成對數據的交換，然后在中轉節點將所有監控數據上傳到中心站，從而實現遠程對礦井內部瓦斯濃度的監測；站點工作人員可通過觀測瓦斯濃度的采集數據的變化，通過信息反向傳輸的方式完成對傳感器節點的參數設定進行遠程調整及校驗。

1.1 監測分站設計

礦井內部無線傳感器瓦斯監測系統中，其核心是對底層監測中的具有信息收集功能的監測分站的設計。該系統的組成包含有中心控制模塊，對輸入/輸出功能進行設定的控制模塊和模擬量的輸入驅動結構。

開關量輸入/輸出驅動模塊。

文中對采集到的輸入信號的整理與過濾分別選取的芯片為40106和4007。其中首先通過40106實現對輸出通道的整理，繼而使用2003完成對輸入信號功率的放大。其結構如圖1所示。

1.2 無線傳感器節點設計

Zigbee無線傳感器網絡中的各節點之間的通信組成了一個有多跳功能的網絡結構，該多跳網絡結構呈現出較強的自組織性能和擴展性能，運行可靠且易部署的優勢，因此非常適用于煤礦工業生產環境，進而形成針對礦井工作環境下的瓦斯監測系統。

圖1 開關量輸入/輸出驅動模塊電路

瓦斯監測節點中的結構主要包含有特定傳感器，電源單元，控制及網絡通信模塊。對瓦斯濃度的監測通常選取1R14BD傳感器，該傳感器因采用非發散性紅外技術從而具有功耗低特點，可監測的距離為[0,100%]LEL，此外紅外散發等所需的電流及電壓值分別為50mA和3V，熱電單元可同時對瓦斯濃度和氣體進行檢測，通過控制單元可完成對其內部動態參數的校驗；電源的供電方式可選取電池供電或外接源兩種方式。在工程設置中外接電源供電方式為第一選取方法；通信及控制模塊是基于JENNIC-5149進行設計的，該模塊所需電流及電壓值分別為37mA和3V，在傳感器不工作的狀態下所需電流僅為26mA；模塊內部的無線通信網絡是基于32位RISC-CPU協議，同時集成了192Kb的ROM，96kB的RAM和4個12位的ADC單元，從而在一定程度上提升了對瓦斯濃度監測的能力與準確率，采用RS-485作為系統的總線接口,另外考慮到距離參數對系統性能的影響因此采用了2個UART，其具體的結構如下圖2所示。

圖2 其瓦斯傳感器節點系統結構圖

1.3 無線傳感器布置

我國對瓦斯傳感器布置要求中已強調其應設定在回采工作面中的上隅角；另外在煤與瓦斯突出工作面中的重要位置同樣也需要外加入傳感器；在巷道內部以固定[500m,1000m]距離值處添加傳感器監測節點，同時要保證在拐彎處的外側傳感器位置距離工作面較遠。對于彎道附近的傳感器節點由于當其距離大于70m時會極可能出現大于15%的丟包率，而在水平直線的巷道內部即使距離值大于500m也會很少產生丟包現象。故對于傳感器節點在煤礦中的布置，對于彎道附近的節點要確保其可視性，水平巷道內的觀測節點距離的布置可相應的增大。

2 瓦斯濃度監測與動態補償

IR14BD瓦斯傳感器的工作時基于紅外測量技術實現的，該傳感器可根據紅外光的吸收能力從而算定瓦斯濃度值。此外環境因素中的線性補償是由滿量程線性與零點線性組合而成。在操作過程中需要首先對系統內部所設置的傳感器節點測量進行零點補償操作，其計算方法為：

式中：Act0為正常環境下的熱電檢測器檢測峰值，單位為mV；Ref0為正常環境下的參考熱電檢測器的檢測峰值，單位同樣為mV。此外JENNIC-5149中的ADC功能主要是實現對模擬量轉化為數字量。滿量程校準參數公式為：

式中：Actspa為滿量程條件下的輸出值，單位為mV；Refspa為參考輸出值，單位為mV；α、n為對傳感器的補償因子；C為氣體濃度值，單位為vol。可采用JENNIC-5149控制單元實現盡可能減少因外界因子給傳感器帶來干擾，β和γ分別為透光系數與校準補償因子。該兩部分的計算公式為：

式中：Act為代補償峰值，其運算單位為mV；Ref為代對輸出峰值的參考量，其運算單位為mV。因此在γ補償情況下的校準計算參數為：

式中：γ為系統內部的補償因子參量；T為表示檢測發生時的井內環境溫度；為校準操作下的環境溫度，其單位均為℃。

瓦斯濃度計算方式為：

3 系統程序設計

3.1 無線傳感器節點程序流程

文中基于JENNIC-5149所設計的無線傳感器單元能夠完成自檢、監測瓦斯濃度變化的實時變化、無線自組網、超閾值數據報警及校定等功能。該系統的流程結構如圖3所示。

圖3 無線瓦斯傳感器程序流程圖

3.2 地面程序主要功能

無線傳感器匯聚節點完成對各節點的信號進行收集后并將其轉發至地面監測系統，然后通過自組網及互聯網的聯通完成監測與控制，該系統所包含的功能有：

1）對煤礦井內所部署的各個傳感器節點分別進行參數設定及配置，完成在指定位置的裝設。

2）根據地面所接收到的濃度值大小對其變化進行圖形繪制，同時也可以記錄當前監測數據以供后續統計與分析。

3）以在線通信的方式對所采集的各個節點信息值進行記錄。

4）通過以太網連接方式完成傳感器節點數據到值班室的上報，同時對超出閾值的數據報警顯示。

3.3 應用結果

根據《煤礦安全生產規程》中的相關條例：當采掘工作面中0.5范圍內的瓦斯濃度監測值大于2%時需對現有工作均暫停運行。基于JENNIC-5149控制單元所設計的瓦斯檢測傳感器的檢測精度范圍為0.005～0.020。該精度類型的傳感器目前適用于煤礦生產場景。

表1 系統監測數據

4 結束語

與傳統有線傳感器不同，無線傳感器可在降低成本的前提下對所有監測區域的檢測信息進行無線監測與信號傳輸；此外由于紅外傳感器因其具有低消耗、長壽命、可調性強等特征因而可實現對瓦斯濃度的實時監測，從而滿足對礦井安全進行監測的需求。