基于ZigBee技術的礦井工作面移動式瓦斯監(jiān)測

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，至今沒有設置瓦斯監(jiān)測裝置。

      只是在回風巷設置了固定式瓦斯探頭。本文利用無線傳輸最新ZigBee技術研制出用于礦井人員攜帶或機載的移動式瓦斯傳感器，將工作面的瓦斯值傳輸到工作面端頭的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)中，從而實現瓦斯源頭的實時監(jiān)測。本系統(tǒng)由移動式瓦斯傳感器與礦井瓦斯監(jiān)控分站以及地面中心組成，其設計遵循煤礦安全生產規(guī)程的有關規(guī)定執(zhí)行。

      2 系統(tǒng)組成

      本系統(tǒng)設計由移動式瓦斯傳感器、礦井瓦斯監(jiān)控分站、地面中心三部分組成。

      其中，移動式瓦斯傳感器采集瓦斯信號，經過微弱信號放大電路，A／D轉換后由單片機存儲管理其數據。傳感器采用定時輸出、無線電發(fā)送方式。其核心電路由檢測橋路、放大電路、單片機、2.4 GHz發(fā)射電路組成。該傳感器有兩種供電模式，當裝置放置在采煤機上時由采煤機電源轉換后的直流電源供電；當由礦井工作人員便攜時，則由礦燈電源供電。傳感器將瓦斯信息從采掘點傳輸到礦井回風巷的端頭。在回風巷端頭設有瓦斯監(jiān)控分站。

      監(jiān)控分站包括電力負荷控制和電子監(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，實現無線信號的搜集與處理。當瓦斯超限時能夠發(fā)出控制信號，該控制信號控制聲光報警器發(fā)出報警信號，也可以控制工作面的供電系統(tǒng)，實施斷電。該電路還能實現電力負荷的監(jiān)測功能。

      遍布整個礦井的網絡監(jiān)控站的信息可以傳到地面中心。地面中心的主要任務是實時顯示各個監(jiān)控點的瓦斯信息，供礦井調度實施生產指揮與調度。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公司生產的低成本、高性能HCS08八位MCU，包括可快速執(zhí)行調試和開發(fā)的新的指令．同時向下兼容M68HC08系列指令。它與M68HC08最大的不同在于內嵌了一套板載硬件調試工具，可以通過背景調試控制器(BDC) 進行設計。MC9S08GT60具有片內在線編程Flash存儲器支持塊保護和保密設定、8通道10位模數轉換器、串行外設接口模塊、I2C總線支持100 kb／s傳輸速率等特性，這些都使其在相關電子領域具有廣泛的應用。

      2.2 MC13192簡介

      MC13192是Freescale公司生產的支持IEEE-802.15.4．協(xié)議標準的短距離、低功耗傳輸平臺，支持星型和網型網絡，僅需要2.0 V～3.4 V的電壓，16個通信通道，最大輸出功率為3.6 dBm，內置接收、發(fā)送RAM，每個5 MHz通帶內都采用OQPSK傳輸250 kb／s數據。支持3種工作模式，省電，最低能接收電平-92 dBm，可為MCU提供時鐘。MC13192可通過SPI接口與MC9S08GT60連接，從而組成一個低成本、高效能的監(jiān)控傳輸平臺。其傳輸功耗僅為1.0 mW，適用于在煤礦中建立一個本質安全型的監(jiān)測平臺。

      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技術建立連接，MC13192同時為MC9S08GT60提供時鐘。MC9S08GT60的PTB口作為外部器件接口，引腳PTB6、PTB7為模擬串口，通過74164驅動5個LED顯示，引腳PTB3作為瓦斯?jié)舛饶M輸入端，通過程序設定進行A／D轉換。同時將轉換后的結果分別送MC13192調制發(fā)射及LED顯示。

      3 各部分工作原理

      3.1 移動式瓦斯傳感器平臺的建立

      測定移動式瓦斯?jié)舛龋紫刃枰獧z測空氣中的瓦斯?jié)舛?，將檢測所得的模擬量通過A／D轉換，然后將數字量編碼，最后通過ZigBee技術發(fā)送。各個不同的移動式瓦斯傳感器平臺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)測點，實時監(jiān)測瓦斯?jié)舛取?/p>

      本方案采用MC9S08GT60單片機對瓦斯傳感器檢測的濃度進行采集和發(fā)送。MCU中內置了10位A／D轉換器，對3 V電壓的檢測精度可以達到3／210=0.003 V，完全可以滿足檢測需要。同時，將檢測所得數值變?yōu)?0位數據并加入地址碼，通過ZigBee平臺以2.4 GHz OQPSK方式進行發(fā)射。同時，單片機還可將所監(jiān)測到的瓦斯?jié)舛妊杆亠@示在移動傳感器平臺本身的LED顯示屏上，從而可以使井下工作人員確認當前環(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)控分站平臺的建立

      本解決方案根據硬件及組網要求搭建星型網絡，MC13192最多可以產生16組傳輸頻點，因此可根據要求以時分方式對16個監(jiān)測點的數據進行采集，并得到相應瓦斯?jié)舛龋_定井下工作的安全性。

      3.3 監(jiān)控分站接收平臺

      監(jiān)控分站需要首先根據傳輸頻率不同對各個移動監(jiān)控點的數據分時接收。再根據所得到的數據進行相應判斷，同時將瓦斯?jié)舛戎碉@示在LED屏幕上。如果發(fā)現瓦斯?jié)舛瘸瑯耍瑒t可通過觸發(fā)控制電路切斷空氣開關，從而切斷工作交流電源，避免引起礦井事故。[!--empirenews.page--]

      同時，根據所接收到的數據，實時將數據通過MCU打包，再通過MCU RS232串行接口傳輸數據．并通過RS232-TCP／IP轉換器經以太網絡傳輸至中央監(jiān)控主機。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，將分布于礦井不同工作面的監(jiān)控分站的數據進行匯總，同時根據各個監(jiān)控分站的瓦斯?jié)舛葼顩r作出相應的處理。同時，將所有瓦斯?jié)舛茸詣訁R總記錄在數據庫中，便于監(jiān)測分析。根據不同的瓦斯?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 結束語

      本文采用MC9S08GT60單片機和MC13192射頻器件，組合搭建基于ZigBee技術的礦井工作面移動瓦斯監(jiān)控平臺，解決了原有井下固定瓦斯監(jiān)測帶來的安全隱患，提高煤礦開采作業(yè)的安全等級。該平臺組網簡單、維護方便、成本低廉且移動平臺功率控制好，屬于本質安全型的監(jiān)測平臺，適合于中小煤礦安裝。通過監(jiān)測分站的內建UART，還可將數據傳輸至地面監(jiān)控中心存儲管理，提高了煤礦安全生產水平。實驗證明，該平臺完成了對于煤礦防暴開關的準確控制，達到了預期設計效果。