无线传感网络瓦斯监控系统设计＊

柏杏丽 李 蒙 钱 旭 刁文广

(1.中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院,北京市海淀区,100083;2.洛阳理工学院计算机与信息工程系,河南省洛阳市,471023;3.河南工程学院计算机科学与工程系,河南省郑州市,450053)

我国煤矿50%以上为高瓦斯或瓦斯突出的矿井,煤矿死亡百人以上矿难95%以上都是瓦斯事故。因此瓦斯检测对于煤矿企业安全生产至关重要。目前广泛应用的瓦斯检测仪多采用基于载体催化燃烧原理的敏感元件。这类传感器普遍存在稳定性差、零点漂移、调校周期短的缺点。传统的瓦斯检测仪需升井调校,不但效率低下,而且对生产进度会产生影响;智能型瓦斯检测仪虽然支持自动调校,但由于自动调校程序需事先设定,往往不能灵活适应现场环境参数多变的调校要求;采用基于CAN总线部署的瓦斯检测仪可以支持在线调校,但由于需铺设通信线路使瓦斯检测仪部署的灵活性和实效性较差。为此,本文设计了基于无线传感网络的瓦斯监控系统,无线网络瓦斯监控节点能随时部署在新的工作面并支持在线调校,有助于提高煤矿企业的生产效率和安全生产水平。

1 无线传感网络瓦斯监控系统的架构

无线传感网络瓦斯监控系统是由井下大量的瓦斯传感器节点、井下中心站和井上瓦斯监控计算机组成,系统结构见图1。井下各瓦斯传感器节点通过无线网络的方式交换数据及控制信息,并将信息通过无线网络传送到井下中心站进行汇总,井下中心站通过CAN总线将瓦斯传感器的信息上传到井上瓦斯监控计算机,并接受监控计算机的控制指令,下发给各瓦斯传感器节点,实现对各瓦斯传感器节点的调校。

图1 无线传感网络瓦斯监控系统

基于Zigbee的无线传感网络通过无线通信方式将各个瓦斯传感器节点连接形成了1个多跳网络,它具有自组织、可靠性强、可快速部署和扩张性强等优点,非常适合在井下这一特殊环境中快速构建用于瓦斯传感器检测的信息基础平台。

1.1 瓦斯检测传感器节点设计

瓦斯检测传感器节点由3部分组成:瓦斯传感器、控制与通信单元、电源模块。瓦斯传感器采用IR12BD非发散性红外型低功耗的气体传感器,检测范围0%～100%LEL,内部红外光发散灯支持3 V供电,工作电流为50 mA,IR12BD内部有两个热电检测器,一个用于瓦斯浓度检测,一个是参考热电检测器用于检测气体环境,实现瓦斯传感器的动态调校;控制与通信单元采用J ENNIC-5139模块,工作电压3 V,无线通信时工作电流37 mA,休眠状态电流为2.6μA,模块内嵌Zigbee无线通信协议,支持无线传感网络通信,采用32位的RISC CPU,内部集成了96 kb RAM、192 kb ROM、4个12位的ADC,用于将瓦斯传感器的模拟量转换为数字量,温度传感器可对瓦斯传感器进行温度检测,根据温度实现对检测参数的动态补偿,提高检测精度、2个UART可在中心站构建CAN总线接口,J ENNIC-5139功能强大,便于扩展。电源模块采用电池供电和外部辅助供电两套并存的供电模式,当没有外部辅助电源时,由电池供电,有外接辅助电源时,由外部电源供电,同时为电池充电。瓦斯检测传感器节点的系统结构见图2。

图2 瓦斯检测传感器节点结构图

1.2 传感器布置方案

依据煤矿安全生产规程,在采煤工作面部署无线瓦斯传感器时应尽量靠近工作面上隅角,其位置距巷帮和采空区侧充填带均不大于800 mm,距顶板不大于300 mm;突出煤层掘进工作面、石门揭煤回风第一交汇点处必需部署瓦斯传感器;长距离巷道掘进,每500～1000 m巷道增设1个传感器。瓦斯传感器部署在拐弯处内侧时要距离回采工作面适当远一些,部署在拐弯处外侧时要适当近一些。

根据北京博控公司对J ENNIC-5139M02天线增益为3.5 dB的井下测试数据可知,在弯曲巷道通信时,如果在两个节点不直接可视的情况下,两节点通信距离在70 m以上时的数据丢包率为1.4%以上,在直巷道测试时500 m以内的可视节点通信数据丢包率为0%,参照以上测试数据确定基于J ENNIC5139瓦斯传感器的部署间距。因此在弯曲巷道部署时为了确保无线数据可靠传输,必须使两个无线节点互相可视,直巷道可间距500 m在巷道顶板部署1个无线瓦斯传感器节点。

2 瓦斯浓度计算及动态补偿

IR12BD瓦斯传感器是基于比尔-朗伯定律,根据对红外光吸收强度测定瓦斯浓度,并通过参考热电检测器进行环境因数线性补偿。环境因数线性补偿分零点补偿和满量程补偿,先在无瓦斯气体的情况下对传感器进行零点补偿参数的计算,方法如下:

零点校准参数:

式中:Zero——零点校准参数;

Act0——瓦斯热电检测器在无瓦斯时的输出的峰值,mV;

Ref0——参考热电检测器在无瓦斯时的输出的峰值,mV;

由J ENNIC5139内部的ADC实现模数转换。满量程校准参数:

式中:Span——满量程校准参数;

ActSpan——瓦斯热电检测器在检测气体满量程时的输出,mV;

RefSpan——参考热电检测器在检测气体满量程时的输出,mV;

α,n——线性补偿因数;

C——目标气体浓度,vol。

为了减少环境温度变化对传感器的影响,使用JENNIC-5139内置的环境温度传感器进行温度补偿。分别为透光系数α补偿、满量程校准参数β补偿。

透光系数α补偿:

式中:N T——α补偿下的透光系数;

N Tcomp——为透光系数的补偿值;

Act——透光系数α补偿进行瓦斯检测时瓦斯热电检测器的峰值,mV;

Ref——参考热电检测器输出的峰值,mV;

β补偿下的满量程校准参数:

式中:Spancomp——β补偿下的满量程校准参数;

β——满量程校准补偿因数;

T——瓦斯传感器检测时的环境温度,℃;

Tca1——进行校准时环境温度,℃。

根据比尔-朗伯定律计算瓦斯的浓度:

式中:C——瓦斯浓度,vol。

3 系统程序设计

3.1 无线瓦斯传感器节点程序设计

无线瓦斯传感器节点程序基于J ENNIC Code-Blocks开发,软件具有系统自检、校准值设定、现场瓦斯浓度检测、根据设定的上限值进行报警提示、无线网络组网、瓦斯检测数据上传等功能。程序流程图见图3。

图3 无线瓦斯检测节点主流程图

3.2 地面计算机程序主要功能

井下中心站接收到各节点上传的数据后,将数据汇总上传到井上瓦斯监控计算机。井上瓦斯监控系统用组态王软件开发,便于实现友好的交互界面和实时控制。主要功能有如下5点。

(1)对井下分站、无线节点瓦斯传感器的配置、参数设定、安装位置进行指示。

(2)绘制各个瓦斯节点监测数据的动态图形、实时曲线。

(3)对检测的瓦斯数据进行分析、汇总、统计。

(4)传感器的节点在线标定及标定信息记录。

(5)可进行实时报警显示,并通过短信模块将报警信息发送给值班领导。

4 结语

无线传感网络瓦斯监控系统与传统的瓦斯监控相比,大幅减少了井下通信线路铺设的成本和时间,不会因通信线路的铺设制约煤矿开采的进度;采用红外瓦斯传感器降低系统功耗,延长了无线网络节点的工作时间,同时能够显著延长瓦斯传感器节点的调校周期,并可支持零点标准的在线调校。同时,煤矿井下无线网络的架设可为井下人员定位系统提供硬件平台。

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