基于無線傳輸的瓦斯監控系統設計與應用

焦婉瑩，史佳豪

(西安航空職業技術學院，陜西 西安 710089)

隨著經濟的快速發展，人類對能源的需求急劇增加。作為重要能源之一，煤炭需求不斷增長。但近年來，煤礦事故的頻繁發生，給人類帶來了巨大的經濟損失，煤礦的安全問題尤為突出。在煤礦事故中，瓦斯(主要成分為甲烷，分子式為CH4)爆炸已成為人類的第一個殺手[1]。因此，為了有效地預防和減少瓦斯爆炸事故，研究和設計一個煤礦瓦斯監控系統是非常必要的。傳統的氣體監控方法是利用電信線路從傳感器向控制器收集氣體信號，控制器根據情況發送控制信號，即稱為有線數據傳輸方式。在這種控制模式下，當傳輸線路長時，硬件成本昂貴，經常出現干擾，其可靠性和精度較低[2]。隨著傳感器技術、網絡技術和電子技術的快速發展，無線通信模式已經在許多領域得到了廣泛的應用。與傳統的有線數據傳輸模式相比，無線系統省略了連接線，其更簡單、便宜、快捷。該系統以射頻收發芯片nRF2401為核心，利用傳感器技術、無線收發技術和計算機技術，實現多點氣體的數據采集和短程無線傳輸。實際應用結果表明，監測系統穩定、可靠、準確，具有較大的應用價值。

1 預警系統的邏輯結構設計

預警的邏輯結構是預警控制過程中包含的邏輯單元之間的關系。一個完整的預警系統包括6個部分：危險監測、危險識別、預警標識識別、預警情況分析、預警信息問題、對策建議、實施評估等(圖1)。

圖1 預警系統的邏輯結構設計Fig.1 Logical structure design of early warning system

預警要素是指預警對象的各種相關因素，如特定災害或事故、排除影響因素和反映因素。危害監測是一個全面、完整的過程，旨在建立可靠的安全信息源，盡可能全面、完整、及時地獲取各種與災害有關的動態安全信息[3]。同時，還具有安全信息的分類、存儲、傳輸、歸檔等功能。危險被稱為警告源，它是事故和災難的根源。根據預警要素的監控結果，預警源識別是為了確定與預警對象相關的危險的存在、狀態和發展趨勢。警告源標識是基于警告元素與警告源之間的客觀關系[4]。事故和災難的發生是一個從定量到定性的過程。一系列標志稱為在過程中出現的警告標志。它們提供警告事故或事故的關鍵信息。一些警示標志反映了警示源的構成，一些反映了災害的發生和發展過程。警示標識標識是過濾和分析監控信息，提取警示源和警示元件的標識，提供關鍵信息[5]。

預警情況分析是基于監測信息和預警標識的重新識別，根據預警情況的分析模型、災害的合理性和發展趨勢，確定危害程度。預警情況分析的目的是及時對災害進行可靠的預測和評價。不準確和不充分的結果可能會影響預警效果。預警情況分析是整個預警成敗的關鍵，也是預警過程中最困難的部分。預警級別表示災害發生的危險程度。根據預警級別的不同，通過一定的方式發布預警結果，以便讓相關人員及時了解災害的危險程度和發展趨勢。在生產過程中，警告結果的發布內容應因人員質量、需求和責任而不同。通常，電視、廣播、互聯網、移動電話短信和電話號碼等都會遇到警告結果問題。發布內容通常包含警告級別和建議。發布方式包括聲音、圖像、文本等。根據預警措施可以分析結果，利用對策提出災害預防建議，指導人員采取措施和決策。通常可以根據專家的需要，建立規則數據庫。預警響應是及時、有效、完整地實施相應的回復措施，消除導致危險事件的各種因素，及時采取預防和預防措施，避免事故或減少事故造成的損害。

2 瓦斯監控系統的整體設計

整個系統包括前端和終端2個子系統。前端系統主要包括甲烷傳感器、微機單元和無線通信模塊，負責多點甲烷信號的收集，并通過無線通信模塊向終端系統發送信號。終端系統首先接收甲烷信號，然后將信號發送到微機單元處理、顯示，并可實現參數設置、中繼控制、模擬信號輸出、數據傳輸到PC等功能。整體設計如圖2所示。

2.1 傳感器的選擇

在瓦斯監測過程中，甲烷傳感器是煤礦監測系統的“眼睛”，是關鍵的瓦斯報警技術設備，其可靠性和靈敏度直接關系到整個監測系統的安全。目前監測甲烷的方法多，選擇GJG10H紅外甲烷傳感器，GJG10H傳感器利用甲烷可以對3.33 μm波長紅外光產生強吸收峰、但水蒸氣和二氧化碳等氣體中的雜質不能明顯吸收紅外光的特性，實現甲烷氣體的檢測。傳感器采用自行開發的紅外敏感元件和差分補償信號處理器，實現0～100%甲烷濃度監測，采用微孔通風濾膜作為防塵防潮防腐劑，解決紅外甲烷傳感器的防塵防水問題，采用程序增強方法減少啟動電流，采用自吸氣體交換法實現快速氣體交換，提高響應速度，利用溫度補償法擴大溫度傳感器的應用范圍，提高測量精度等。2007年2月9日，GJG10H紅外甲烷傳感器通過國家安全生產總管理局組織的科技成果鑒定。現場應用表明，GJG10H紅外甲烷傳感器穩定、可靠、先進，已達到國際先進水平[6]。GJG10H紅外甲烷傳感器是數字甲烷濃度測量儀器，數字信號輸出格式為異步通信，標準波特率分別為9 600、19 200、38 400 b/s，易于與單片機89S52P1端口連接。

2.2 nRF2401芯片選型設計

nRF2401芯片是集成的射頻、收發芯片，工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段，適用于無線數據傳輸系統、無線鼠標、遙控鎖、遙控玩具等多種無線通信場合。nRF2401采用全球開放2.4 GHz頻帶，有125通道，可滿足多頻和跳頻需要，其速度(1 Mbps)高于藍牙，數據吞吐量高，外圍組件少，只有晶體和電阻可設計射頻電路，包括發射功率、工作頻率等所有操作參數可通過軟件設置[7]。其電源電壓為1.9～3.6 V，功率損耗很低。該芯片具有特殊的穩壓器電路，能很好地適用于多數電源(包括直流/直流開關電源)。每個芯片按軟件設置40位地址，可接收本地地址，輸出數據(提供中斷指令)，編程非常方便。有內置的CRC校驗驗證硬件電路和協議，采用的TM技術可同時接收2個nRF2401數據。nRF2401具有4種工作模式：收發模式、配置模式、空閑模式、停機模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP、CE、TX_EN和CS四針腳設置。其工作模式見表1[8]。

表1 nRF2401的工作模式Tab.1 Working mode of nRF2401

2.3 nRF2401連接設計

nRF2401在收發器模式下工作，使用信道1。在系統電源接通后，微控制器首先啟動nRF2401，然后系統處于接收狀態。當需要發送信息時，MCU設置CE1，激活nRF2401數據處理模式，由接收機的硬件地址和傳輸數據組成的數據包由DATA和CLK1接口串行寫入nRF2401，然后設置CE0，激活nRF2401無線傳輸處理。發送數據后，系統會改變返回接收狀態。MCU外部中斷INT2配置上升邊緣觸發，如果nRF2401檢測數據幀與機器硬件地址一致，數據幀解包，DR1信號設置1，導致MCU外部中斷，應用MCU讀取數據。MCU進入中斷服務過程后，通過DATA和CLK1接口讀取數據，并進行處理。前系統和終端系統中的nRF2401電路相同。nRF2401電路如圖3所示[9]。

圖3 nRF2401電路Fig.3 Circuit diagram of nRF2401

2.4 顯示組件設計

常見的顯示模式有2種：LED顯示模式和液晶顯示模式。LED顯示屏由發光二極管構成，采用低壓掃描驅動模式，具有低功耗、壽命長、成本低、亮度高、故障小、視角廣、視野范圍遠等優點。數字顯示方便，但不適合顯示漢字。液晶顯示器具有功耗低、散熱小、尺寸小、圖像再現精確、文字顯示更清晰等優點。設計選用RT12864M(圖4)，其內置漢字庫，外接電路簡單，編程相對簡單，被廣泛用作顯示設備。采用串行顯示方式，硬件電路如圖4所示，針腳PSB與接地連接，1052針腳CS、數據端口、時鐘CLK分別與針腳P2.0、P2.1、P2.2連接[9]。

圖4 RT12864M硬件電路Fig.4 RT12864M hardware circuit

2.5 電動機控制設計

考慮到繼電器觸點在斷開過程中會產生火花，甲烷在火災時很容易爆炸，使用固態繼電器(固態繼電器，縮寫SSR)來控制通風機。SSR由微電子電路、離散電子器件和電子電源裝置組成，無觸點，采用隔離裝置實現控制和負載部件的隔離。SSR由輸入電路、隔離(耦合)和輸出電路3部分組成。根據不同的輸入電壓，輸入電路可分為直流輸入電路、交流輸入電路和交流/直流輸入電路3種。有些輸入控制電路與TTL/CMOS兼容，還具有正負邏輯控制、反對相位等功能。輸出電路還可分為直流輸出電路、交流輸出電路和交流/直流輸出電路。交流輸出通常使用2個晶閘管或一個雙向晶閘管，直流輸出可以使用雙極器件或功率場效應晶體管。交流SSR內部原理圖如圖5所示。引腳3和4是輸入電路，引腳1和2是輸出電路。

圖5 交流SSR內部原理Fig.5 Internal schematic diagram of AC SSR

輸入信號驅動發光二極管(LED)發射一定波長的光，在感光分量接收到該光后，可產生電流。從而完成了電性的轉換，使輸出中斷和停止，從而起到輸入輸出隔離的作用。由于SSR中輸入輸出部分的隔離，電信號傳輸是單向的，因此具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。這里采用SSR控制交流電機，其原理如圖6所示。

圖6 SSR控制交流電機電路Fig.6 Circuit diagram of SSR controlled AC motor

2.6 報警模塊

報警電路發音組件通常使用壓電蜂鳴器。當在蜂鳴器的2個針腳上增加3～15 V直流工作電壓時，可產生約3 kHz的蜂鳴器振蕩聲。壓電蜂鳴器結構簡單，功損耗小，更適合微機系統的應用。在工作時，它大約需要10 mA的驅動電流，可以連接1個三極管和電阻的MCU端口上的驅動。其電路如圖7所示。當P1.3輸出低電平0時，三極管突破，蜂鳴器響，當P0.3輸出高電平1時，三極管關閉，蜂鳴器停止聲音[10]。

圖7 報警模塊電路Fig.7 Circuit diagram of alarm module

2.7 MCU最小系統設計

該系統設計使用STCT89S52作為主微控制器，具有K字節閃存，指令和引腳完全兼容MCS-51，支持0～24 Hz靜態操作，采用3級加密程序存儲器，具有8×256 K位內存，雙在線(DIP)包，40針，外部電源，2針晶體振蕩器，4腳控制，MCU有4組可編程8位I/O端口。MCU最小系統設計如圖8所示。XTAL1和XTAL2與12M晶體振蕩器連接，重位電路使用手動重位模式[11]。

圖8 MCU最小系統設計Fig.8 MCU minimum system design

3 軟件設計

在硬件設計完成后，可以根據硬件的結構來設計軟件。對于軟件，主要思想是按順序執行，根據nRF2401工作原理編寫軟件，軟件部分主要包括數據拼接、鍵盤、顯示、無線發送和接收等多個部分，其主要流程如圖9所示。數據曲線的展示界面如圖10 所示，此界面的主要功能是可以對瓦斯濃度數據上升或者下降趨勢進行直觀的顯示，同時可以人為干涉控制系統的通風排氣或者斷電等，與自動控制設備相結合，能夠達到更好的安全預警效果。

圖9 軟件主要流程Fig.9 Main flow chart of software

圖10 數據曲線的展示界面Fig.10 Display interface of data curve

4 組網測試結果

系統的測試分為硬件測試和軟件測試，硬件測試主要是用所設計的瓦斯監測系統樣機對一定濃度的瓦斯進行數據采集，將采集到的信息與實際的瓦斯濃度進行比較，分析其誤差；軟件測試主要是對預警系統進行測試，在硬件測試的過程中，將采集的數據在計算機上進行直觀顯示，并且觀察其隸屬度信息、報警信息等功能是否正常。本方案的測試在實驗室進行，在實驗室搭建測試平臺。

4.1 軟件測試

軟件的測試分為2個部分，第1部分是在計算機上進行模擬的調試，觀察是否一切顯示正常；打開所編寫的“瓦斯濃度監測預警系統”軟件，對監控參數進行設置，設置完畢之后，其正常工作界面如圖11所示。在軟件的界面中，當節點當前隸屬度比隸屬度1大時，則進行危險報警；比隸屬度1小，比隸屬度2大時，則進行警告報警；小于隸屬度2時，則為安全。軟件界面中的報警濃度和隸屬度1、隸屬度2值，都由專家系統給出。為了測試軟件，在模型中自行添加了其模型的數值。通過對上位機軟件的調試，其基本滿足文章設計要求。最后所采集的數據均以txt文檔格式進行保存，方便工作人員對歷史數據的查用。

圖11 軟件正常工作部分界面Fig.11 Interface of software normal working part

4.2 硬件的測試

硬件的測試主要是對氣閉室內的瓦斯進行濃度采集。在氣室內，充入實驗用的1.5%和2.0%濃度甲烷，然后通過硬件的數據采集，最終傳回到上位機，觀察其是否與瓦斯的實際濃度相同，為了安全起見，測試只對采集節點1進行測試。試驗中，采用透明玻璃瓶充當氣室，在正常開始之前，瓶子為密閉狀態，由于甲烷氣體比空氣要輕，所以瓶子采用倒置的方式。在給瓶子充入甲烷氣體的過程中，為了保證氣體的純凈，持續充入氣體1 min以上。在數據采集的過程中，先啟動瓦斯監測裝置，對其進行預加熱1 min以上，之后迅速將瓦斯濃度傳感器采集節點放入瓶中，對數據進行采集測試。其測試的結果分別為1.45%和1.96%，誤差在可接受范圍之類。

5 結論

煤瓦斯突出預警系統是保障煤礦安全的新方法和新手段，也是結合煤礦安全理論、信息技術理論、地理信息系統技術和預警理論的復雜、系統的工程。在對礦山災害的具體特征和規律進行系統研究的基礎上，采用煤礦安全監測系統和局部網絡條件，采用一系列專業分析軟件為載體。介紹了一種基于無線收發機芯片nRF2401的多點甲烷監控系統，它包括前端和終端兩個子系統。前端系統主要負責多點甲烷濃度信號的收集和發送，終端系統負責處理信號。與傳統的有線數據采集系統相比，該系統簡單、便宜、快速，實際應用結果表明，該監控系統穩定、可靠、高精度，具有廣泛的應用范圍。作為一種符合礦山生產要求的早期預警技術系統，對預測和減少煤炭和天然氣突發事故具有重要的現實意義。