一种精确节能型无线瓦斯传感系统的研究

袁　斌　朱正伟　周谢益

(常州大学信息科学与工程学院，江苏 常州　213164)

一种精确节能型无线瓦斯传感系统的研究

袁斌朱正伟周谢益

(常州大学信息科学与工程学院，江苏 常州213164)

摘要：为了准确、实时地监测煤矿采煤点瓦斯含量，采用锂电池供电的瓦斯传感器对采煤点进行多点监测。一方面考虑到监测点环境恶劣，容易引起监测数据失真，从硬件上进行了温度补偿，从软件上通过肖维涅准则对粗大误差进行处理，保证了测量精度；另一方面为了延长瓦斯无线测控网络的有效生命周期，采用低功耗自适应分层路由协议(LEACH)，依据瓦斯含量的变化规律，利用非均匀分簇，由距离基站远的簇首通过双跳通信传送数据。通过试验可知：网络生命有效周期提高了33.3%。

关键词：瓦斯传感无线通信节能型误差处理分层路由实时监测温度补偿生命周期低功耗自适应

0引言

我国是煤炭生产大国，在相当长的时期内，仍将保持以煤炭为主的能源格局。瓦斯爆炸作为最严重的矿井事故之一[1]，给国家和煤矿工人带来了无法弥补的损失。《煤矿安全规程》规定，只要有一个煤(岩)层出现瓦斯，即定为瓦斯矿井，我国95%以上的煤矿是瓦斯矿井，其中将近一半是高瓦斯矿井。由于瓦斯含量达到5%～16%时就有爆炸危险，因此对矿井采煤点瓦斯含量的实时监测显得尤为重要。一般情况下，监控范围为0～4%[2]。

1系统结构

本文设计的一种精确节能型无线瓦斯传感系统结构如图1所示。在矿井采煤现场布置了多个测量节点，如在每个测量节点采用固定电源供电，会大幅增加布线成本、干扰采煤现场工作，因此除了基站以外的其他节点采用锂电池供电，底层通信采用无线通信[3]。

图1　系统结构图

测量节点结构如图2所示。

图2　瓦斯测量节点结构图

节点处理测量数据后发送给簇首，簇首再汇总发送给基站。基站与网关相连接，通过以太网把数据传送到控制中心服务器，进行远程监控。如果经常单个或少数地更换测量节点供电电池，会大幅增加人力成本。因此，提高无线测控网络的有效生命周期和均衡各节点的能量消耗成为研究的重点[4]。

2信号测量和误差处理

2.1瓦斯信号的测量及温度补偿

当前瓦斯含量测量一般采用催化燃烧法、气敏半导体法和光干涉法等，其中催化燃烧法传感器具有价格低廉和测量精度高的特点，应用普遍。催化燃烧一般采用惠斯顿单臂电桥电路[5]。

温度补偿电路如图3所示。

图3　温度补偿电路

图3所示的电路中，R1、R3的电阻值相同，R2为阻值较小的可调电阻，主要用于手工微调零。在新鲜空气条件下(瓦斯含量为0)，黑白元件的电阻值相同，则U0两端电压值均为U1/2，所以U0值为0。黑元件最里层为铂丝线圈，外层为催化外壳。铂丝线圈通电发热维持催化燃烧反应需要的温度，使瓦斯在元件表面发生无焰燃烧，释放出热量使元件温度升高、阻值上升；而白元件R4的电阻值不变，U0左端电压上升， 则U0大于0。在一定条件下，U0值的大小与外界瓦斯含量成正比[6]。

传感器工作环境温度变化大，当温度升高时，R4的电阻值也随着温度的上升而上升。在瓦斯含量一定的情况下，黑元件的电阻值不变，而R4的增加降低了黑元件上的压降，使U0值下降，影响了测量精度。R6、R7、V1构成了温度补偿电路：通过选定R6、R7的电阻值，使流过晶体管V1基极的电流远小于流过R6、R7的电流值。

(1)

惠斯顿电桥端的电压U1为：

(2)

Ube随温度的升高而减小，U1值增大，促使U0值微增，实现了温度补偿。

2.2粗大误差处理

在测量过程中，由于外部环境的突变或测量仪器电路间歇性振荡、接触不良、工作不稳定等原因影响了测量结果，而产生粗大误差时，该测量值应予以删除[7]。

例如：瓦斯含量测量10次，测量结果分别为：x1=0.85%,x2=0.81%,x3=0.87%,x4=0.35%,x5=0.91%,x6=0.77%,x7=0.75%,x8=0.93%,x9=0.76%,x10=0.75%。其中的x4极有可能是粗大误差。

由于测量次数较少，根据肖维涅准则删除粗大误差。系统按以下步骤处理。

v=σ×p(10)=0.163%×1.93=0.319%

(3)

0.425%>0.319%

(4)

v=σ×p(10)=0.07%×1.92=0.134%

(5)

由于各测量值均在0.822%±0.134%范围内，则认为已不存在粗大误差，测量值为0.822%。

3无线通信节能性研究

3.1分层路由协议的优化

无线通信路由协议从网络组织形式上分为平面路由协议、分层路由协议和位置路由协议。

平面路由协议认为所有节点具有相同的功能或承担相同的角色；基于位置的路由协议依靠节点的位置信息进行路由决策。分层路由协议认为不同的节点在路由过程中承担不同的角色，它把节点分成许多簇，簇首汇总本簇内节点传感信息，汇总后发给基站。与平面路由协议各节点独自向基站发送数据相比，分层路由协议能够大幅减少数据在无线媒介中的传播，降低了能耗[8]。

低功耗自适应分层路由协议 (low-energy adaptive clustering hierarchy,LEACH)是最具启发性的路由协议。该协议结合了时分多址 (time division multiple access,TDMA)式的无竞争接入和无线传感网络(wireless sensor networks,WSN)中的分簇思想，一个簇由一个簇首和若干个普通节点组成。LEACH协议由两个阶段循环运行：簇的建立阶段和稳定阶段。在簇的建立阶段，由于簇首的能量消耗远大于普通节点，为了使各节点的能量消耗均匀，LEACH协议采用了各节点轮换充当簇首。在稳定阶段，普通节点只与簇首通信，在每一帧内，各节点按照簇首安排的时隙发送数据，其他时间除了感知测量数据和处理数据，大多处于休眠状态。簇首除了接收各节点的发送数据外，还要把接收数据打包发送给基站。矿井采煤现场监测瓦斯含量的节点比较分散，有些节点距离基站远，直接向基站发送数据产生的能耗很大，极易由于供电电池能量耗尽而提前死亡。

(6)

式中：Et为节点发送数据总能耗；Ee(n)为发射n比特数据发射电路功耗；Ea为发射n比特数据功率放大功耗；Ee为发射每比特数据电路功耗；ef和em为自由空间传输系数和多路径衰减传输系数；d为无线通信距离；d0一般为75 m左右。

由式(6)可见，当通信距离大于75 m时，通信能耗衰减系数为4，能耗极大。为此，对常规LEACH协议进行优化，对通信距离大于75 m的簇采用双跳或多跳通信。

靠近基站的簇，其簇首既要接收簇内数据并处理后发送，又要转发远距离簇的测量数据，能量消耗大，易提前死亡。在LEACH优化协议的基础上，把靠近基站的簇分得小一点，距离基站远的簇分得大一点，减少了距离基站近的簇首处理本簇数据的能耗。

3.2优化协议试验

在150 m×200 m采煤现场区域内，分布有20个测量节点。首先，采用常规的LEACH通信协议，将测量节点均匀分为4个簇，每个簇5个节点，各个簇的簇首直接与基站通信，普通节点每30 s(实际应用中可以延长发送时间间隔)向簇首发送一次测量数据。然后，根据节点分布的实际情况优化LEACH协议，如图4所示。图4中，同样分为4个簇，靠近基站的簇，每个簇具有4个节点，距离基站远的簇，每个簇具有6个节点。

图4　优化LEACH协议设计

远距离簇首通过邻近基站簇的簇首向基站转发数据。剩余有效节点对比如图5所示。

图5　剩余有效节点对比图

由图5可知，在常规LEACH协议中，出现第一个死亡节点的时间是第15天，假定死亡节点超过3个即网络失效，则网络有效生命周期是30天。在优化LEACH协议中，出现第一个死亡节点的时间为第30天，比常规LEACH提高一倍；网络有效生命周期为40天，比常规LEACH提高33.3%。这主要是因为优化后的LEACH协议针对采煤现场的分布节点，使各节点能量消耗更趋均衡。

4结束语

通过对瓦斯含量测量电路的温度补偿和测量粗大误差的处理，提高了测量精度和稳定性；通过对无线通信网络协议的进一步优化，延长了无线测量网络的有

效生命周期，减少了频繁更换锂电池的次数。矿井瓦斯含量的实时、精确测量对保障矿工人身安全和煤矿生产具有重要意义。

参考文献

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[3] 李文军，乐小琴，沈晓星，等.工业仪表无线数据采集系统的设

计与实现[J].自动化仪表，2012，33(4):27-29,34.

[4] 伍泻洁，黄文恺，吴鸿碧.Zigbee无线技术在输液车间自动监测系统中的应用[J].自动化仪表，2014，35(4):49-52.

[5] SINGH S,RAGHAVENDRA C.PAMAS: Power aware multi-access protocol with signaling for ad hoc networks[J].SIGCOMM Computer Communications Review,1998,28(3),5-26.

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[8] 李秋江，韦卫，贺志强.网络处理器体系结构分析[J].计算机工程与应用，2004(5):135-138.

ResearchonanAccurateEnergySavingWirelessGasSensingSystem

Abstract：For accurately monitoring the gas content at coal mining points in real time, the lithium battery powered gas sensors are adopted for multi-point gas monitoring.Considering the harsh environment of the coal mining points, the detected data may be distorted, the temperature compensation is conducted in hardware; and the gross error is processed through Chauvenet guideline to ensure the measurement accuracy.In addition, in order to extend the effective lifecycle of the gas sensing wireless network, the low energy adaptive clustering hierarchy (LEACH) protocol is adopted, the cluster head which is far away from the base station may transmit the data via double hop communication in accordance with the variation of gas content and using non-uniform clustering.The tests verify the effective lifecycle of network increases by 33.3%.

Keywords:Gas sensingWireless communicationsEnergy savingError handlingHierarchical routingReal-time monitoringTemperature compensationLife cycleLow power consumptionSelf adaption

中图分类号：TH7;TP393

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201606015

国家自然科学基金资助项目(编号：51176016)；

江苏省科技支撑计划基金资助项目(编号：BE2013005-3)。

修改稿收到日期：2015-09-02。

第一作者袁斌(1974-)，男，1998年毕业于江苏石油化工学院化工工艺专业，获学士学位，工程师；主要从事工业仪表和测控系统方向的研究。