基于ZigBee技術(shù)的礦井工作面移動(dòng)式瓦斯監(jiān)測(cè)

1 引言
      礦井瓦斯主要是在開采過程中溢出的，因此礦井工作面瓦斯含量最大，由于工作面工作條件十分惡劣，至今沒有設(shè)置瓦斯監(jiān)測(cè)裝置。

      只是在回風(fēng)巷設(shè)置了固定式瓦斯探頭。本文利用無線傳輸最新ZigBee技術(shù)研制出用于礦井人員攜帶或機(jī)載的移動(dòng)式瓦斯傳感器，將工作面的瓦斯值傳輸?shù)焦ぷ髅娑祟^的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)瓦斯源頭的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)由移動(dòng)式瓦斯傳感器與礦井瓦斯監(jiān)控分站以及地面中心組成，其設(shè)計(jì)遵循煤礦安全生產(chǎn)規(guī)程的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

      2 系統(tǒng)組成

      本系統(tǒng)設(shè)計(jì)由移動(dòng)式瓦斯傳感器、礦井瓦斯監(jiān)控分站、地面中心三部分組成。

      其中，移動(dòng)式瓦斯傳感器采集瓦斯信號(hào)，經(jīng)過微弱信號(hào)放大電路，A／D轉(zhuǎn)換后由單片機(jī)存儲(chǔ)管理其數(shù)據(jù)。傳感器采用定時(shí)輸出、無線電發(fā)送方式。其核心電路由檢測(cè)橋路、放大電路、單片機(jī)、2.4 GHz發(fā)射電路組成。該傳感器有兩種供電模式，當(dāng)裝置放置在采煤機(jī)上時(shí)由采煤機(jī)電源轉(zhuǎn)換后的直流電源供電；當(dāng)由礦井工作人員便攜時(shí)，則由礦燈電源供電。傳感器將瓦斯信息從采掘點(diǎn)傳輸?shù)降V井回風(fēng)巷的端頭。在回風(fēng)巷端頭設(shè)有瓦斯監(jiān)控分站。

      監(jiān)控分站包括電力負(fù)荷控制和電子監(jiān)控電路。監(jiān)控分站的核心是嵌入式電路，該嵌入式電路外接2.4 GHz的傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)的搜集與處理。當(dāng)瓦斯超限時(shí)能夠發(fā)出控制信號(hào)，該控制信號(hào)控制聲光報(bào)警器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，也可以控制工作面的供電系統(tǒng)，實(shí)施斷電。該電路還能實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷的監(jiān)測(cè)功能。

      遍布整個(gè)礦井的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控站的信息可以傳到地面中心。地面中心的主要任務(wù)是實(shí)時(shí)顯示各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的瓦斯信息，供礦井調(diào)度實(shí)施生產(chǎn)指揮與調(diào)度。其系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

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      2.1 MC9S08GT60簡介

      MC9S08GT60是Freescale公司生產(chǎn)的低成本、高性能HCS08八位MCU，包括可快速執(zhí)行調(diào)試和開發(fā)的新的指令．同時(shí)向下兼容M68HC08系列指令。它與M68HC08最大的不同在于內(nèi)嵌了一套板載硬件調(diào)試工具，可以通過背景調(diào)試控制器(BDC) 進(jìn)行設(shè)計(jì)。MC9S08GT60具有片內(nèi)在線編程Flash存儲(chǔ)器支持塊保護(hù)和保密設(shè)定、8通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、串行外設(shè)接口模塊、I2C總線支持100 kb／s傳輸速率等特性，這些都使其在相關(guān)電子領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

      2.2 MC13192簡介

      MC13192是Freescale公司生產(chǎn)的支持IEEE-802.15.4．協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的短距離、低功耗傳輸平臺(tái)，支持星型和網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)，僅需要2.0 V～3.4 V的電壓，16個(gè)通信通道，最大輸出功率為3.6 dBm，內(nèi)置接收、發(fā)送RAM，每個(gè)5 MHz通帶內(nèi)都采用OQPSK傳輸250 kb／s數(shù)據(jù)。支持3種工作模式，省電，最低能接收電平-92 dBm，可為MCU提供時(shí)鐘。MC13192可通過SPI接口與MC9S08GT60連接，從而組成一個(gè)低成本、高效能的監(jiān)控傳輸平臺(tái)。其傳輸功耗僅為1.0 mW，適用于在煤礦中建立一個(gè)本質(zhì)安全型的監(jiān)測(cè)平臺(tái)。

      2.3 MC9S08GT60與MC13192連接

      MC9S08GT60與MC13192連接原理圖如圖2所示。MC9S08GT60與MC13192通過SPI技術(shù)建立連接，MC13192同時(shí)為MC9S08GT60提供時(shí)鐘。MC9S08GT60的PTB口作為外部器件接口，引腳PTB6、PTB7為模擬串口，通過74164驅(qū)動(dòng)5個(gè)LED顯示，引腳PTB3作為瓦斯?jié)舛饶M輸入端，通過程序設(shè)定進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。同時(shí)將轉(zhuǎn)換后的結(jié)果分別送MC13192調(diào)制發(fā)射及LED顯示。

      3 各部分工作原理

      3.1 移動(dòng)式瓦斯傳感器平臺(tái)的建立

      測(cè)定移動(dòng)式瓦斯?jié)舛龋紫刃枰獧z測(cè)空氣中的瓦斯?jié)舛?，將檢測(cè)所得的模擬量通過A／D轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)字量編碼，最后通過ZigBee技術(shù)發(fā)送。各個(gè)不同的移動(dòng)式瓦斯傳感器平臺(tái)可以由井下工作人員隨身攜帶或置于環(huán)境較惡劣的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛取?/p>

      本方案采用MC9S08GT60單片機(jī)對(duì)瓦斯傳感器檢測(cè)的濃度進(jìn)行采集和發(fā)送。MCU中內(nèi)置了10位A／D轉(zhuǎn)換器，對(duì)3 V電壓的檢測(cè)精度可以達(dá)到3／210=0.003 V，完全可以滿足檢測(cè)需要。同時(shí)，將檢測(cè)所得數(shù)值變?yōu)?0位數(shù)據(jù)并加入地址碼，通過ZigBee平臺(tái)以2.4 GHz OQPSK方式進(jìn)行發(fā)射。同時(shí)，單片機(jī)還可將所監(jiān)測(cè)到的瓦斯?jié)舛妊杆亠@示在移動(dòng)傳感器平臺(tái)本身的LED顯示屏上，從而可以使井下工作人員確認(rèn)當(dāng)前環(huán)境的瓦斯?jié)舛仁欠窨梢园踩_采。其流程圖如圖3所示。

      3.2 監(jiān)控分站平臺(tái)的建立

      本解決方案根據(jù)硬件及組網(wǎng)要求搭建星型網(wǎng)絡(luò)，MC13192最多可以產(chǎn)生16組傳輸頻點(diǎn)，因此可根據(jù)要求以時(shí)分方式對(duì)16個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并得到相應(yīng)瓦斯?jié)舛?，確定井下工作的安全性。

      3.3 監(jiān)控分站接收平臺(tái)

      監(jiān)控分站需要首先根據(jù)傳輸頻率不同對(duì)各個(gè)移動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)分時(shí)接收。再根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)判斷，同時(shí)將瓦斯?jié)舛戎碉@示在LED屏幕上。如果發(fā)現(xiàn)瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)，則可通過觸發(fā)控制電路切斷空氣開關(guān)，從而切斷工作交流電源，避免引起礦井事故。[!--empirenews.page--]

      同時(shí)，根據(jù)所接收到的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)通過MCU打包，再通過MCU RS232串行接口傳輸數(shù)據(jù)．并通過RS232-TCP／IP轉(zhuǎn)換器經(jīng)以太網(wǎng)絡(luò)傳輸至中央監(jiān)控主機(jī)。具體MCU程序執(zhí)行流程如圖4所示。

      3.4 地面監(jiān)控中心

      地面監(jiān)控中心通過井下的以太網(wǎng)，將分布于礦井不同工作面的監(jiān)控分站的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，同時(shí)根據(jù)各個(gè)監(jiān)控分站的瓦斯?jié)舛葼顩r作出相應(yīng)的處理。同時(shí)，將所有瓦斯?jié)舛茸詣?dòng)匯總記錄在數(shù)據(jù)庫中，便于監(jiān)測(cè)分析。根據(jù)不同的瓦斯?jié)舛劝l(fā)出告警提示，從而最大限度地保障礦井工作面的作業(yè)安全。

      4 結(jié)束語

      本文采用MC9S08GT60單片機(jī)和MC13192射頻器件，組合搭建基于ZigBee技術(shù)的礦井工作面移動(dòng)瓦斯監(jiān)控平臺(tái)，解決了原有井下固定瓦斯監(jiān)測(cè)帶來的安全隱患，提高煤礦開采作業(yè)的安全等級(jí)。該平臺(tái)組網(wǎng)簡單、維護(hù)方便、成本低廉且移動(dòng)平臺(tái)功率控制好，屬于本質(zhì)安全型的監(jiān)測(cè)平臺(tái)，適合于中小煤礦安裝。通過監(jiān)測(cè)分站的內(nèi)建UART，還可將數(shù)據(jù)傳輸至地面監(jiān)控中心存儲(chǔ)管理，提高了煤礦安全生產(chǎn)水平。實(shí)驗(yàn)證明，該平臺(tái)完成了對(duì)于煤礦防暴開關(guān)的準(zhǔn)確控制，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)效果。