基于无线传感网的煤层气体监测系统设计

吕贵明，韩成浩

吉林建筑大学 电气与计算机学院,长春 130118

0 引言

煤层气体俗称“瓦斯”,主要化学成分为甲烷,当其达到一定浓度时,在一定氧气浓度下遇到火源引起爆炸,是煤矿安全生产的首要威胁[1].虽然现有的煤层气体监测系统对煤层气体的监测起到一定的作用,但仍存在监测灵敏度和精度不高、组网和拓展节点困难、维护成本高等诸多问题.随着国家对地下采矿安全生产的严格管理和网络通信技术、无线传感技术等相关技术的不断发展,对煤层气体监测系统的设计和应用提出了以下要求:

(1) 系统的总体架构设计简单,数据传输快速、安全、准确.

(2) 终端监测节点的电路设计简单、灵敏度高、耐腐蚀性强.

(3) 组网灵活,每个节点能独立工作.

根据上述要求,本文采用KGS-20气体传感器和Zigbee技术组成一种相对稳定的无线传感监测网络[2],实时监测地下工作现场的煤层气体浓度和其他环境参数,提高了安全系数和工作效率,施工和维护成本更加经济.

1 系统总体设计方案和主要节点模块设计

1.1 系统总体设计方案

系统总体设计方案如图1所示,该系统主要包括终端监测节点、路由器、协调器和上位管理主机等4部分,其中终端监测节点主要负责采集安装附近的煤层气体浓度,并将节点地址和现场煤层气体浓度值转化成Zigbee数据包,发送到周围的路由器上;路由器主要负责收集终端监测节点采集到的数据,并根据路由表选择最佳路由转发到协调器;协调器主要负责建立网络和接收路由器发来的数据,并将这些数据通过RS-232串口传送到上位管理主机上.Zigbee主要有星型、树型和网状等3种网络拓扑结构,网络容量大,可支持6.5万个节点[3].

本系统的网络拓扑采用树型拓扑与网状网络拓扑相结合的方式[4],即在整个网络架构上采用树型网络拓扑结构,在各路由器之间则采用网状网络拓扑结构.

图1 系统总体设计方案Fig.1 System overall design plan

图2 终端监测节点模块设计框图Fig.2 Terminal monitoring node module design block diagram

1.2 终端监测节点设计

终端监测节点模块设计如图2所示,该节点模块主要包括CC 2530 核心控制器、KGS-20气敏传感器、SHT 75温湿度传感器、外部存储电路(SDCARD)、无线通信电路和报警电路等6 部分,该节点模块的作用是实时监测现场环境中的煤层气体浓度、温度和湿度等3个参数,并将这些监测数据传输到邻近的路由器上.

KGS-20是一种专门用于可燃气浓度检测的半导体气敏传感器,它以二氧化锡为基本敏感材料[5],其基本特征是灵敏度极高、响应速度极快且低功耗(检测电压为5 V,加热电压仅为0.9 V).为保证气敏传感器正常工作,采用PHT 04000 W电压转换模块将5 V直流电压转换成0.9 V直流电压.瓦斯传感器硬件连接电路图如图3所示.瓦斯传感器实物如图4所示.

图3 瓦斯传感器硬件连接电路图Fig.3 Gas sensor hardware connection circuit diagram

图4 KGS-20瓦斯传感器照片Fig.4 Photo of KGS-20 gas sensor

1.3 路由器和协调器设计

路由器和协调器设计如图5所示,它们均包括3.3 V稳压电路、CC 2530控制器、外部存储电路和无线通信电路,其中路由器增加了1个报警电路,而协调器增加了1个RS-232串口电路.

图5 路由器和协调器节点设计框图Fig.5 Router and coordinator node design block diagram

图6 终端监测节点程序设计流程图Fig.6 Terminal monitoring node program design flow chart

2 软件设计

本系统软件设计包括终端监测节点程序设计、路由器程序设计、协调器程序设计和上位管理主机程序设计等4部分.

2.1 终端监测节点软件设计

上电后,终端监测节点先进行相应功能的初始化,通过主动扫描寻找协调器建立的网络并加入该网络.为了减少终端监测节点的能耗,采用定时中断方式,即每隔2 sec采集工作现场的各种参数，具体程序设计流程如图6所示.

2.2 路由器软件设计

路由器的主要作用是数据的接收和发送[6],即接收由终端监测节点发送的数据,并将接收到的数据发送给上端协调器.上电后,路由器自动扫描并加入由上端协调器建立的网络,并由协调器给每个路由器分配相应的网络地址.具体程序设计流程如图7所示.

图7 路由器程序设计流程图Fig.7 Router program design flow chart

图8 协调器程序设计流程图Fig.8 Coordinator program flow chart

2.3 协调器软件设计

协调器是整个组网的核心部分[7],用它来主要建立一个网络,给各路由器和终端监测节点分配相应的网络地址.同时,将接收到的各路由器发过来的数据包发送到上位管理主机上.具体程序设计流程如图8所示.

2.4 上位管理主机软件设计

上位管理主机通过数据库(本系统数据库采用My SQL)[8]管理软件将协调器发过来的数据分类存储在数据库上.利用VC++完成与数据库的对接[9]、人机交互界面设计、后台的数据分析、显示、预判和报警等.煤层气体泄漏监控系统的管理界面包括安全隐患检查、报警处理、历史数据查询统计和实时数据监测显示等4部分.

3 实验分析

瓦斯实际浓度与本文探测浓度结果如表1所示,实验结果表明,最大绝对误差(即瓦斯探测浓度与瓦斯实际浓度之差)为±0.03,本设计系统满足实际要求.

表1 瓦斯气体浓度探测结果Table 1 Gas concentration detection results

4 结语

本系统终端监测节点体积小成本低,可大量设置在矿井中的各个部位,分布密度高、覆盖面广.整个系统组网灵活,数据丢包率极低,安全性高.现场测试表明,该系统灵敏度高、反应迅速、性能可靠,能够准确地监测地下工作环境中的各种数据,并做出相应的判断决策,可在矿井防灾、减灾及提高生产效率等方面发挥一定作用,为煤矿安全生产提供有效保障.