1 引言

實時了解井下瓦斯?jié)舛仁敲旱V安全生產(chǎn)的一個重要因素。由于煤礦開采深度和開采規(guī)模的加大，各項有線檢測設(shè)備很難及時跟進(jìn)，造成井下的實時環(huán)境數(shù)據(jù)難以及時傳送到地面監(jiān)控中心，特別是在突發(fā)災(zāi)難時各種有線通信設(shè)備幾乎處于癱瘓狀態(tài)，給救援工作帶來極大困難。因此，尋找一種在任何時刻都能及時采集井下環(huán)境信息的方法就顯得尤為重要。在此，探討了瓦斯采集終端和無線通信模塊CC2420的設(shè)計。

2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1給出瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。它由地面監(jiān)控中心、井下ZigBee傳輸網(wǎng)絡(luò)和瓦斯采集終端等組成。其設(shè)計思想是利用不同的瓦斯采集終端對各采集點進(jìn)行瓦斯采集，通過建立的Mesh無線通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼傳輸，逐級路由最終到達(dá)地面監(jiān)控中心，實現(xiàn)動態(tài)顯示、分析及其他處理。

該系統(tǒng)根據(jù)可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?，采用ZigBee獨有的Mesh型網(wǎng)絡(luò)模式，逐級路由自動鏈接網(wǎng)絡(luò)中繼器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中最優(yōu)的通信路徑發(fā)生故障時，Mesh網(wǎng)絡(luò)會在冗余的其他路徑中重新選擇最合適的路徑供數(shù)據(jù)通信。因此，Mesh網(wǎng)絡(luò)有效縮短了信息傳輸?shù)难訒r，并提高了網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性?；赯igbee技術(shù)的FFD路由節(jié)點除負(fù)責(zé)發(fā)送本節(jié)點的數(shù)據(jù)外，還負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點的數(shù)據(jù)至中心節(jié)點，從而形成無線通訊網(wǎng)絡(luò)。

瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)布置于試驗現(xiàn)場中，主要任務(wù)包括：多組數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)以較高的采樣率將傳感器傳送來的模擬信號通過A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)能實時分析采集的多路傳感器數(shù)據(jù)，對結(jié)果進(jìn)行決策并規(guī)劃執(zhí)行序列；緊急處理，分析結(jié)果，若出現(xiàn)甲烷超標(biāo)突破安全范圍等危險或其他故障現(xiàn)象時，可控制報警系統(tǒng)報警；數(shù)據(jù)通信。瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)具備較高的波特率和穩(wěn)定的無線通信功能，且與地面指揮監(jiān)控中心的遠(yuǎn)程上位機保持井下采集數(shù)據(jù)的實時通信。

3.1瓦斯采集終端設(shè)計

瓦斯采集終端采用的瓦斯傳感器是熱催化元件，也稱為燃燒式載體催化元件，其檢測原理用催化元件、補償元件和橋臂電阻構(gòu)成惠斯頓電橋。由于熱催化元件的骨架是鉑絲材料，給電橋加一恒定電壓，電流流過時加熱，使溫度最高達(dá)到500℃。因此，當(dāng)遇到瓦斯氣體時，瓦斯氣體接觸催化元件表面發(fā)生氧化反應(yīng)，即"無焰燃燒"，產(chǎn)生大量的熱量，使催化元件溫度升高，阻值增大，電橋輸出不平衡電壓，即反映出被測瓦斯的濃度變化。催化型瓦斯傳感器檢測電路如圖2所示。

在煤礦安全規(guī)程中，瓦斯?jié)舛鹊母叩筒捎冒俜謹(jǐn)?shù)表示，并且在5％～16％之間容易發(fā)生事故，必須建立Vadc與濃度百分?jǐn)?shù)之間的逼近線性關(guān)系，使得最終的表述值也為相應(yīng)的百分?jǐn)?shù)。經(jīng)實驗獲得標(biāo)定的瓦斯?jié)舛劝俜謹(jǐn)?shù)為：

式中，0.001 6為修正值，設(shè)計過程中規(guī)定：當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到6％時，MCU發(fā)出預(yù)報警信號；當(dāng)瓦期濃度達(dá)到16％時，Vadc＞VH即2.85 V時，MCU發(fā)出危險報警信號。考慮到突發(fā)事故，整個系統(tǒng)的瓦斯?jié)舛葯z測范圍確定為0％～50.5％。

3.2 ZigBee無線通信設(shè)計

2002年8月成立了由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司組成的ZigBee聯(lián)盟。ZigBee的物理層和鏈路層協(xié)議主要采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，利用全球共用的公共頻率2.4～2.484 GHz免執(zhí)照頻段進(jìn)行通訊，工作在2.4 GHz頻段上的最高傳輸速率為250 Kb／s，采用了0-QPSK調(diào)制方法。圖3給出ZigBee無線通信接口電路，用于通信的ZigBee線路接入器選用符合標(biāo)準(zhǔn)ZigBee協(xié)議的集成收發(fā)RF器件CC2420和利用PCB無線收發(fā)天線，以及少量的外圍器件。CC2420采用直序擴頻技術(shù)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。電路中，其外圍電路包括晶體振蕩器時鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和微控制器接口電路3部分。CC2420的晶振信號既可由外部有源晶體提供，也可由內(nèi)部電路提供。由內(nèi)部電路提供時，需外加晶體振蕩器和兩只負(fù)載電容，容值取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數(shù)。射頻輸入／輸出匹配電路主要用來匹配器件的輸入／輸出阻抗。CC2420通過內(nèi)部繼承的SI、SO、SCK和CSn 4條SPI總線設(shè)置器件的工作模式，并實現(xiàn)讀／寫緩存數(shù)據(jù)及讀／寫狀態(tài)寄存器等功能，通過控制FIFO和FIFOP引腳接口狀態(tài)設(shè)置發(fā)射／接收緩存器。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，CSn必須始終保持低電平。另外，通過CCA引腳狀態(tài)的設(shè)置清除通道估計，通過SFD引腳狀態(tài)的設(shè)置控制時鐘／定時信息的輸入。當(dāng)系統(tǒng)上電后，將自動與井下無線通信網(wǎng)絡(luò)建立鏈路關(guān)系，通過中心控制臺，向監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出網(wǎng)絡(luò)連接自檢信號，當(dāng)MCU接收到連接信號后，返回應(yīng)答信號至控制中心，完成一次完整的ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信；如果在發(fā)送信號時ACK標(biāo)志位置位，而且在一定的超時期限內(nèi)沒有收到應(yīng)答，發(fā)送器將重復(fù)發(fā)送固定次數(shù)，若仍無應(yīng)答就宣布發(fā)生錯誤，請求重新建立通信連接。當(dāng)通信鏈路成功時，整個檢測系統(tǒng)開始工作，C8051F010將采集到的模擬信號進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換、分析處理，將結(jié)果保存到內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器中，通過SPI接口方式與CC2420實現(xiàn)通信。CC2420擴頻后將數(shù)據(jù)發(fā)送到中繼器FFD-1以數(shù)據(jù)包的形式傳送給下一級FFD網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，依次傳輸后到達(dá)井口的FFD中繼器，它通過RS485有線連接到地面指揮中心。

下位機程序設(shè)計方案包括動態(tài)連接網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集部分和應(yīng)用控制程序。動態(tài)連接網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)查詢網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和建立通訊鏈路；數(shù)據(jù)采集部分包括瓦斯?jié)舛鹊牟杉?、處理和保存；?yīng)用控制程序負(fù)責(zé)執(zhí)行控制命令等功能?？傮w程序流程如圖4所示。

在仿真試驗箱內(nèi)，對不同測試點分別注入不同濃度的瓦斯樣本用于實驗數(shù)據(jù)測試。表1給出不同測試點的測試結(jié)果對比，真實值由標(biāo)準(zhǔn)的測試儀提供；該方法由仿真監(jiān)控中心上位機提供。實驗測試數(shù)據(jù)保證了誤差在1％以內(nèi)的精確度。

設(shè)計了基于ZigBee和雙MCU結(jié)構(gòu)的井下無線通信現(xiàn)場綜合監(jiān)測系統(tǒng)。通過巧妙選擇和配置控制器，合理優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)接口電路，實現(xiàn)了傳感器信息的高速、高精度采集和復(fù)雜算法的大數(shù)據(jù)量實時計算、分析等功能，并降低成本，簡化電路設(shè)計。

該系統(tǒng)作為井下現(xiàn)場綜合監(jiān)測的子系統(tǒng)，用于井下瓦斯信息的采集分析。實驗表明，它能夠滿足井下的信息采集、數(shù)據(jù)分析以及通信控制等任務(wù)，具有較好的可靠性和實時性。