井下无线瓦斯传感器及其应用研究

张新东，李 涛，赵发诺

山东鲁泰煤业有限公司鹿洼煤矿，山东济宁 272300

现阶段，有不少煤矿流量监测监控系统实际使用的是有线与固定传感器相结合的一种网络，该网络要求必须在矿井内部敷设通信线路以进行检测信息的传递。然而，实际生产时，由于矿井结构的变化多端以及部分坑道空间的窄小，对通信线路的延伸及其维护有了越来越高的要求。如果通信链路出现故障问题，那么，将直接导致整个流量监测监控系统无法正常运行，大大削弱了系统的性能可靠性。

1 无线传感器网络的原理及其结构

1.1 原理

无线传感器主要是通过诸多的能和物理环境彼此间交互，同时，涵盖数据处理功能及无线通信功能的一种全新的传感器构成的互连系统，对于一些繁琐的监控任务，此系统能够及时有效完成。本文所述的传感器并非只是单纯的来收集物理信号，然后，转化成数字信号的传感器，其主要把传感器模块、数据处理模块以及无线通信模块全部汇集到一块较小的物理单元上，相较于传统的传感器，其功能繁多，除了可以感知环境信息外，还发挥着数据处理与无线通信的功能作用。我们把此类传感器节点全面的分散在某一特定环境里，采用无线通信的方式来有效连接，从总体上形成了一个具有特殊性质的网络。所有节点都有自己控制的一个区域，充分利用声学光学设备、电磁感应装置等各种感知设备实施监督控制其附近的物理环境。

1.2 结构

无线传感器网络没有固定的结构，针对应用场合实施相应的结构。不过整体而言，无线传感器网络有硬件层与软件层两种。其中，硬件层的作用是合理控制传感器，比如，控制数据的接收、转换以及无线通信电路。软件层的作用是在硬件层的基础上发挥通信协议、能耗管理、通信频道管理等功能作用。对于部分较为繁琐的无线传感器网络，可将硬件层与软件层分成若干个层，比如，把软件层分为路由层、链路层等。此外，无线传感器网络具有诸多的拓扑结构，实际使用较多的有星形结构和网状结构。其中，基于星形结构的无线传感器网络主要通过专用中心服务节点对整个网络的数据传输及其运作进行处理；基于网状结构的无线传感器网络能够使网络各传感器节点间进行点对点的传输。所以，相比之下基于网状结构的无传感器网络略胜一筹，不过其结构十分的繁琐、需要花费大量的成本。

2 煤矿井下无线瓦斯传感器的应用

2.1 硬件设计

首先是微处理器模块；实际中主要将A Tmegal28L 单片机当做节点的微处理器。A Tmegal28L 以精简指令集结构为首选，具备了哈佛总线的存储器结构、单周期指令以及两级流水线指令结构等各项技术，使得系统运行效率得到大大提升。与此同时，还根据单片机具体应用特征，设置了功耗、驱动能力和外围模块等，是一种实用性较高的单片机。A Tmegal28L有以电池供电的无线传感器网络应用所需的核心功能，涵盖了纳瓦功耗管理、先进的模拟、控制和通信外设等内容，将A Tmegal28L 与射频收发器CC2430 有机的融合起来，能够获得集成性好、价低质优的节点。

其次是无线收发模块；其属于一种射频集成电路模块，作为无线网络的物理层射频前端来实际收发无线数据。以CC2430 射频芯片为主。该射频芯片依旧采用之前的CC2420 架构，在单个芯片上对ZigBee 射频(RF)前端、内存和微控制器进行了整合。CC2430 生产过程中，采用的是0.18μmCMOS 工艺，在接收和发射模式下所呈现出的电流损耗都没有超过27mA 或25mA。由于CC2430 具有休眠模式、转换到主动模式的较短时间的特征，所以，在电池使用寿命要求长的场合中应用十分理想。

2.2 系统软件设计

首先是汇聚节点程序；属于一个增强功能的传感器节点，能量供给十分充足，有丰富的内存与计算资源。汇聚节点共发挥着网络维护功能与数据传输功能两种，其中，网络维护功能担任组建ZigBee 网络、分配网络地址及维护绑定表的任务。数据传输功能作为ZigBee 网络与互联网的网关，把两个应用不同协议的网络有机的连接，从而使两个协议栈间能够做到通信协议的转换。整个流量传感器节点会采用无线的方式把实际获得的传感器数据全部送至汇聚节点中，然后再由汇聚节点对收到的数据进行转换，最后通过串口输送至嵌入式计算机内部。

其次是流量传感器节点程序；该节点的任务是进行传感器数据的收集，同时，把所收集的数据送至网关节点中，并且及时接收来自网关节点中的数据，结合这些数据实践操作。在没有数据可接收或者发送时，应保持在休眠状态下，确保节点功耗的最低化。

主程序在初始化有关的寄存器与变量及管脚后，步入到主循环阶段。主循环的任务是基于外部传感器信号转换后所产生的电压信号做合理的采样与处理，以转换为实际所需的值，同时，将此值传送至相对应的缓冲区中，最后，准确判断其有无超限的可能，如果超了，那么，应及时的将相应的报警程序全面启动，若不启动，那么，就必须停止本次循环。

3 结论

综上所述可知，本文主要以A Tmegal28L 单片机的无限瓦斯传感器为核心，通过该单片机的功能如功能高、功耗低、体积小等进行数据的传输，对煤矿井下瓦斯情况进行了全程跟踪监测，是一项值得推广的系统。

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