煤礦溫度和瓦斯?jié)舛葻o線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

O 引言
    煤炭作為一種重要的能源，在工業(yè)生產(chǎn)等許多方面發(fā)揮著舉足輕重的作用，關(guān)系著國民經(jīng)濟(jì)的命脈。煤炭開采中的安全問題一直是受到極大重視的。如果一旦出現(xiàn)安全問題，不僅會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且直接威脅到煤炭工人的生命安全。近年來，我國煤炭開采的安全問題形勢不容樂觀，各地礦難時有發(fā)生，特別是一些小煤礦更存在著嚴(yán)重的安全隱患。所以，采取現(xiàn)代安全監(jiān)測措施勢在必行。
    隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，煤炭開采中安全監(jiān)測的現(xiàn)代化步伐也在不斷前進(jìn)。煤礦安全監(jiān)測的參數(shù)有很多，其中瓦斯?jié)舛仁莻€很重要的參數(shù)．如果濃度過大，容易造成爆炸危險(xiǎn)，后果不堪設(shè)想，同樣溫度也是一個很重要的參數(shù)。
    很多系統(tǒng)采用有線傳輸?shù)姆绞?，但存在著布線困難，價格昂貴的缺點(diǎn)?；谝陨?，本文設(shè)計(jì)了一種煤礦溫度和瓦斯?jié)舛?strong>無線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成及工作原理
    整個系統(tǒng)由主控室PC機(jī)、上位機(jī)、下位機(jī)組成，通信采用無線通信方式，系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

整個系統(tǒng)包括240個下位機(jī)、一個上位機(jī)和一臺PC機(jī)。本系統(tǒng)采用無線通信方式，上位機(jī)發(fā)同步信號，下位機(jī)依次在各自時隙向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，每隔15分鐘發(fā)送一次。瓦斯傳感器將瓦斯?jié)舛绒D(zhuǎn)化為電信號，輸出的電壓幅值和濃度成正比，溫度傳感器使用數(shù)字溫度傳感器。下位機(jī)由單片機(jī)和無線收發(fā)模塊組成，用于現(xiàn)場監(jiān)測，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，并通過無線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。上位機(jī)也是由單片機(jī)和無線收發(fā)模塊組成，主要作用是負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的同步和接收下位機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)給PC機(jī)。
    本系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的MSP430F135單片機(jī)，它具有以下特點(diǎn)：功耗低，工作電流是微安級；速度快，最快指令周期達(dá)到125 ns，外圍部件豐富，擁有A／D轉(zhuǎn)換器，比較器，兩個16位定時器，6個8位并行端口等。無線通信采用CHIPCON公司生產(chǎn)的CCl000無線收發(fā)芯片，它工作在300 MHz～1 000 MHz范圍內(nèi)的ISM頻段，通常應(yīng)用于低功耗無線通信。溫度傳感器使用DALLAS公司的DSl8820。瓦斯傳感器使用我國自己生產(chǎn)的MJC4／3．0L。

2 數(shù)據(jù)的采集
    DSl8820采用單總線通信方式，與單片機(jī)連接時只需要外接一個5．1 kΩ左右的上拉電阻，選用外部電源供電，外圍電路簡單明了。測溫的范圍是一55℃～+125℃。轉(zhuǎn)換結(jié)果為9～12位，當(dāng)結(jié)果為12位時，最小分辨率可以達(dá)到O．062 5℃。在本系統(tǒng)中，在初始化階段將轉(zhuǎn)換結(jié)果設(shè)置為9位，相應(yīng)的分辨率為O．5℃，并且完成一次轉(zhuǎn)換只需要93．75 ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于12位轉(zhuǎn)換時所需的750 ms。由于在數(shù)據(jù)幀中用一個字節(jié)表示溫度，所以要進(jìn)行一次右移，結(jié)果為整數(shù)。
    每次數(shù)據(jù)發(fā)送之前進(jìn)行10次溫度數(shù)據(jù)的采集，然后取平均值，以保證數(shù)據(jù)更加可靠、準(zhǔn)確。
    MJC4／3．0L型催化元件根據(jù)催化燃燒效應(yīng)的原理工作，由檢測元件和補(bǔ)償元件配對組成電橋的兩個臂，遇可燃性氣體時檢測元件電阻升高，橋路輸出電壓變化，該電壓變量隨氣體濃度增大而成正比例增大，補(bǔ)償元件起到溫濕度補(bǔ)償作用。它具有以下特點(diǎn)：橋路輸出電壓呈線性，響應(yīng)速度快，元件工作穩(wěn)定，能夠抗H2S中毒。被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的天然氣、液化氣、煤氣、烷類等可燃性氣體及汽油、醇、酮、苯等有機(jī)溶劑蒸汽的濃度檢測。
    在本系統(tǒng)中MJC4／3．OL后接放大電路，瓦斯?jié)舛仁且粋€變化的量，相應(yīng)的輸出電壓也就跟著變化，在實(shí)際中，工作人員希望得到的是比較準(zhǔn)確的峰值，所以本系統(tǒng)采用了峰值檢測電路，如圖2所示。

每次瓦斯?jié)舛葴y量之前，斷開開關(guān)K，延時50 ms，以采集峰值。用50 ms進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換并且將數(shù)據(jù)存儲，定時到時合上開關(guān)K，放電。同樣。每回發(fā)送數(shù)據(jù)之前進(jìn)行10次數(shù)據(jù)采集并取平均。如果得到的結(jié)果大于設(shè)定的電壓，下位機(jī)報(bào)警，現(xiàn)場發(fā)光二極管閃爍。

3 系統(tǒng)工作流程
    本系統(tǒng)是無線監(jiān)測系統(tǒng)，下位機(jī)電路采用鋰電池供電，要求連續(xù)工作1年以上，因此在設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程時首先要考慮能耗問題。由于瓦斯和溫度的變化是一個比較緩慢的過程，只要15分鐘進(jìn)行一次數(shù)據(jù)收發(fā)即可，因此可讓傳感器電路在絕大多數(shù)時間內(nèi)處于睡眠狀態(tài)，以節(jié)約能耗。無線收發(fā)芯片CCl000的工作電流約為10 mA，而在睡眠狀態(tài)下僅有1μA；射頻功放在發(fā)送數(shù)據(jù)時耗電約為70 mA。
    MSP430F135單片機(jī)的工作電流為300μA，在睡眠狀態(tài)下不到2μA。
    為了節(jié)約能耗，將15分鐘分成90個時隙。上位機(jī)每隔lO s發(fā)一次時隙代碼Tc，Tc=0x00～0x59，每次發(fā)完后轉(zhuǎn)到接收狀態(tài)。上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀包括4個字節(jié)的前導(dǎo)碼，1個字節(jié)的開始界定符0xF3，1個字節(jié)時隙代碼TC，并加上一個字節(jié)的CRC校驗(yàn)碼提高無線傳輸?shù)目煽啃?，因此一個數(shù)據(jù)幀共有7個字節(jié)，約需要12 ms。(CCl000的傳信率設(shè)置為4．8 kbps)
    下位機(jī)要發(fā)送的數(shù)據(jù)包括4個字節(jié)的前導(dǎo)碼，1個字節(jié)的開始界定符0xF2，1個字節(jié)的地址碼，1個字節(jié)的溫度值數(shù)據(jù)。1個字節(jié)的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，加上1個字節(jié)的CRC校驗(yàn)碼。因此一個數(shù)據(jù)幀共有9個字節(jié)。這樣發(fā)送數(shù)據(jù)需要15 ms。
    在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了無線監(jiān)測系統(tǒng)流程，給每臺下位機(jī)分配20 ms的發(fā)送時間，240臺下位機(jī)(序號從0x01到0xF0)完成一次通信共需要4．8 s。
    下位機(jī)流程如下：
    (1)下位機(jī)初始化后轉(zhuǎn)到接收狀態(tài)；收到時隙代碼Tc后計(jì)算睡眠時間t，進(jìn)入睡眠。t=lO×(90一Tc)一1．5 s．
    同時將定時器t2清零并開始定時。
    (2)定時器t2結(jié)束時，t2清零，開始執(zhí)行信號采集子程序。
    (3)當(dāng)t2=1 s時，斷開信號采集電路，并轉(zhuǎn)到接收狀態(tài)。
    (4)當(dāng)t2=1．5 s時，接收同步信號0x00，并根據(jù)本機(jī)地址碼n計(jì)算發(fā)送數(shù)據(jù)的時刻
    t1=(n一1)×20 ms．
    同時將定時器t1、t2清零，開始定時，下位機(jī)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。
    (5)第n個下位機(jī)在tl=(n一1)×20 ms時被喚醒并發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送完后再次進(jìn)入睡眠狀態(tài)，轉(zhuǎn)到步驟(2)。上位機(jī)的流程較為簡單，下面只給出下位機(jī)工作的流程圖，如圖3所示。

4 結(jié)束語
    本系統(tǒng)有效地采集了煤礦井下多個測點(diǎn)的溫度和瓦斯?jié)舛龋坏凸墓ぷ餮娱L了系統(tǒng)的工作壽命；無線傳輸降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度和布線費(fèi)用。系統(tǒng)具有很高的可靠性和性價比。