ZigBee技术在井下瓦斯浓度监测中的应用

杨 梁,巩秀钢

(山东理工大学计算机科学与技术学院,山东淄博255049)

在煤炭生产中,安全一直是重中之重.井下环境复杂,一旦出现问题,会直接影响作业人员的人身安全.煤矿安全监测的参数有很多,其中瓦斯浓度是个很重要的参数,如果浓度达到一定范围,容易造成爆炸[1].2007年12月6日,山西临汾市洪洞县原新窑煤矿发生瓦斯爆炸事故,105人遇难,造成了严重的人身和财产损失.目前井下瓦斯浓度监测系统主要分为有线监测系统和无线监测系统.有线监测系统布线非常复杂,维护相对困难,并且线路容易受腐蚀.无线监测系统主要是由单片机、传感器和通信芯片组成,结构冗余,功耗相对较高,成本也相对较高.本文所介绍的方法基于ZigBee协议,采用功耗较低的传感器,将ZigBee与传感器有机地结合在一起,有效地避免了现有有线监测系统和无线监测系统的不足.

1 ZigBee无线监测系统

近年来随着无线传感器等技术的发展,无线监测系统作为一种新兴的监测系统,具有易维护、成本低等优势.无线监测系统能对监测环境内的各种信号进行联网监测记录,通过无线传输技术将传感器所采集的各种状态信号直接传输到中心节点上,随后中心节点进行进一步的数据处理以供监测人员监测.

Zigbee技术是一种具有低速率、近距离、低功耗、低复杂度、低成本、通信可靠、网络容量大等特点的无线通信技术.这种技术支持星型、网络对等、混合型等多种网络拓扑结构.

星型拓扑结构由一个主协调器和多个子节点设备组成,网络中的子节点只可与主协调器进行通信.

网络对等拓扑结构也有一个主协调器,与星型拓扑结构不同之处在于,在该网络中各设备节点间也可进行相互通信[2].

混合型拓扑结构中,协调器是整个网络系统的中心,路由器分别作为各自区域的中继器,这种结构既具有星型网络的优点也具有网络结构的优点.图1是典型的ZigBee网络结构,E作为ZigBee的协调器,是整个网络的中心,C是ZigBee的路由器,负责某一区域的网络通信,D则是系统的终端节点,用于信息的采集,由D,E,C构成了整个的ZigBee网络.

图1 典型ZigBee网络图

ZigBee无线监测系统是基于传感器技术并以ZigBee作为核心的无线数据传输网络.它将ZigBee与传感器相结合,通过传感器将各种信号采集并发送到网络中心节点.监测系统由多个ZigBee节点组成的,每个ZigBee节点都可以对周围环境数据的信号进行采集、计算以及与其他节点及外界进行通信,从而使得传感器可以通过协同工作进行高质量的传感,组成一个容错性较好的采集系统.由于ZigBee本身所具有的优点,使得整个网络不必考虑功耗,成本等问题.这种无线监测系统具有维护性好、易扩展等优点,是未来监测系统发展的趋势.

2 基于ZigBee的煤矿瓦斯浓度监测系统设计方案

基于ZigBee的瓦斯浓度无线监测系统是由多种ZigBee节点组成.ZigBee节点包括协调器、路由器节点、终端采集节点.协调器的作用主要是从各个路由器节点得到的数据以及负责与外界的通信.路由器节点是监测区域的中继器,主要负责从采集节点接受数据,然后发送至协调器节点.终端采集节点的具体结构如图2所示,它是由供电模块、ZigBee模块、瓦斯传感器模块等组成,主要负责整个监测区域瓦斯浓度的监测及上传.整个网络采用树状网络,整个网络节点的中心就是协调器节点.系统没有最大通信距离的限制,系统具有自动组织功能,某个节点出现故障也不影响网络运行,保证了数据传输的可靠性和系统安全性.众多的传感器协同工作组成一个可靠的监测系统.

图2 采集节点的系统构成

2.1 煤矿瓦斯浓度监测系统硬件设计

监测系统的ZigBee模块采用Jennic的JN5121芯片,JN5121是一款兼容于IEEE802.15.4的低功耗、低成本无线微型控制器.该模块内置一款32位的RISC处理器,配置有2.4GHz频段的IEEE802.15.4标准的无线收发器,64 KB的ROM,96 KB的RAM.JN5121内置的ROM存储器中集成了点对点通信与网状网通信的完整协议栈.其内置的RAM存储器,支持网络路由和控制器功能而不需要外部扩展任何的存储空间.由于自带RISC处理器和存储模块,使得整个监测系统节点不需单独外接CPU和存储模块[3].

协调器节点的硬件设计比较简单,他主要负责接受处理来自采集节点的数据,整个节点仅包括电源和JN5121模块.

路由器节点和采集节点的硬件电路类似,只是软件设计中角色的定义有些差异,负责网络数据的中继工作.下面着重介绍采集节点的硬件设计.

数据采集节点的硬件原理图如图3所示,传感器模块采用KGS-20低功耗瓦斯传感器.KGS-20具有极高灵敏度和极快的响应速度且低功耗.KGS-20型可燃气传感器适用于对瓦斯等可燃气浓度的检测,用于瓦斯报警器,可燃气报警器,瓦斯检测仪等.该传感器体积小,耗电低,应用电路简单,报警浓度为甲烷≥1%,响应时间≤20 s,恢复时间≤30 s,工作温度范围-15℃～+50℃,湿度≤97%,静态功耗为150 mW,报警状态功耗为300 mW,供电电压为3～5 V.传感器敏感组件的电阻RS的变化表现为负载电阻RL上的电压变化.驱动电压VH、负载电阻RL以及检测电压VD的取值参照公司提供的典型资料,以使传感器处于最佳工作状态.低功耗使得KGS-20传感器完全符合监测系统的需求.

图3 终端采集节点电路图

供电电源采用两节1.5 V碱性电池组成,采用常用的LM1117稳压芯片.LM1117是一个低压差电压调节器系列,其压差在1.2 V输出,负载电流800 mA时为1.2 V.LM1117提供电流限制和热保护,电路包含1个齐纳调节的带隙参考电压以确保输出电压的精度在±1以内,输出端需要一个至少10 μ F的钽电容来改善瞬态响应和稳定性.

2.2 煤矿瓦斯浓度监测系统软件设计

ZigBee的软件开发可以使用汇编语言和C语言,汇编语言是一种低级语言,功能强大但是编写不便,C语言是一种面向过程的高级语言,同时具有高级语言和汇编语言的优点.JN5121自带了CodeblockIDE编辑器,可以对C语言进行编译并自带C语言函数库,本系统的软件可以通过C语言来编写.

图4 协调器节点和采集节点程序框图

软件的设计需要根据系统节点的类型来决定.根据系统的硬件设计,监测系统节点分为协调器、路由器和采集节点三种类型.协调器主要负责组建网络,接受来自于路由器的数据,开启空闲通道等功能.而路由器与采集节点功能相似,主要负责加入网络、周期性的发送数据等功能.

程序流程如图4所示,首先协调器等节点上电初始化整个ZigBee协议栈,再由协调器按照程序指定建立ZigBee网络,设定PANID,PAN协调器建立网络后,其他的网络设备就可以加入网络了.终端采集节点或者路由器如果需要加入网络首先要完成自己的初始化过程,经过身份验证后即可加入网络,此时PAN协调器将发送一个16位的短地址给节点,作为节点在网络中的标识.终端采集节点和路由器节点寻找网络并加入由协调器所建的网络,然后协调器和终端节点进行Endpoint绑定,分别执行发送数据和接收数据的函数.

3 实验结果

瓦斯浓度过高对身体会造成一定伤害,矿井瓦斯尤其是采掘工作面的瓦斯浓度不能超过1%,有些地方最高不超过1.5%.因此,井下瓦斯的报警浓度为1%,瓦斯监测系统的规定误差范围0.05%,KGS-20传感器的报警浓度即为1%.在实验室中采用标准浓度为1%和1.5%的甲烷气样,将气样导入钢瓶,然后将传感器探入,测定气体浓度.

表1 瓦斯浓度监测结果

基于KGS-20的瓦斯监测系统的监测结果见表1,在5 min的测试中,传感器测得的瓦斯浓度数据误差基本小于0.05%.六次实验的平均误差仅为0.024%,根据井下瓦斯浓度的标准以及井下瓦斯误差范围的规定,系统完全满足瓦斯浓度监测系统的要求.

4 结束语

本文设计的新型瓦斯斯监测系统具有功耗低的优点,整个节点工作电流≤70 mA,当处于休眠状态时,电流≤7 μ A,能够延长系统的工作寿命.同时,采用最新的ZigBee协议栈,使整个系统可以根据具体需要在采集节点上扩充相应传感器以完成更多数据采集需求.KGS-20具有极高灵敏度和极快的响应速度,其响应时间低于10 s,进一步增强了系统处理突发事件的能力.

[1] 杨博,萧宝瑾,李亚丽.煤矿温度和瓦斯浓度无线监测系统的设计[J] .山西电子技术,2009(2):3-4.

[2] 徐志远,许贺南,凌志浩.JN5121无线控制器的功能剖析及应用探讨[J] .自动化仪表,2008,4(5):61-63.

[3] 尹航,张奇松,程志林.基于ZigBee无线网络的温湿度监测系统[J] .机电工程,2008,25(11):20-23.