基于zigbee技術(shù)的礦井工作面移動式瓦斯監(jiān)測

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1、基于ZigBee技術(shù)的礦井工作面移動式瓦斯監(jiān)測2系統(tǒng)組成本系統(tǒng)設(shè)計(jì)由移動式瓦斯傳感器、礦井瓦斯監(jiān)控分站、地面中心三部分組成。其中，移動式瓦斯傳感器采集瓦斯信號，經(jīng)過微弱信號放大電路，A／D轉(zhuǎn)換后由單片機(jī)存儲管理其數(shù)據(jù)。傳感器采用定時(shí)輸出、無線電發(fā)送方式。其核心電路由檢測橋路、放大電路、單片機(jī)、2.4GHz發(fā)射電路組成。該傳感器有兩種供電模式，當(dāng)裝置放置在采煤機(jī)上時(shí)由采煤機(jī)電源轉(zhuǎn)換后的直流電源供電；當(dāng)由礦井工作人員便攜時(shí)，則由礦燈電源供電。傳感器將瓦斯信息從采掘點(diǎn)傳輸?shù)降V井回風(fēng)巷的端頭。在回風(fēng)巷端頭設(shè)有瓦斯

2、監(jiān)控分站。監(jiān)控分站包括電力負(fù)荷控制和電子監(jiān)控電路。監(jiān)控分站的核心是嵌入式電路，該嵌入式電路外接2.4GHz的傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)無線信號的搜集與處理。當(dāng)瓦斯超限時(shí)能夠發(fā)出控制信號，該控制信號控制聲光報(bào)警器發(fā)出報(bào)警信號，也可以控制工作面的供電系統(tǒng)，實(shí)施斷電。該電路還能實(shí)現(xiàn)電力負(fù)荷的監(jiān)測功能。遍布整個(gè)礦井的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控站的信息可以傳到地面中心。地面中心的主要任務(wù)是實(shí)時(shí)顯示各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的瓦斯信息，供礦井調(diào)度實(shí)施生產(chǎn)指揮與調(diào)度。其系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。2.1MC9S08GT60簡介MC9S08GT60是Freescale公

3、司生產(chǎn)的低成本、高性能HCS08八位MCU，包括可快速執(zhí)行調(diào)試和開發(fā)的新的指令．同時(shí)向下兼容M68HC08系列指令。它與M68HC08最大的不同在于內(nèi)嵌了一套板載硬件調(diào)試工具，可以通過背景調(diào)試控制器(BDC)進(jìn)行設(shè)計(jì)。MC9S08GT60具有片內(nèi)在線編程Flash存儲器支持塊保護(hù)和保密設(shè)定、8通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、串行外設(shè)接口模塊、I2C總線支持100kb／s傳輸速率等特性，這些都使其在相關(guān)電子領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。2.2MC13192簡介MC13192是Freescale公司生產(chǎn)的支持IEEE-802.1

4、5.4．協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的短距離、低功耗傳輸平臺，支持星型和網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)，僅需要2.0V～3.4V的電壓，16個(gè)通信通道，最大輸出功率為3.6dBm，內(nèi)置接收、發(fā)送RAM，每個(gè)5MHz通帶內(nèi)都采用OQPSK傳輸250kb／s數(shù)據(jù)。支持3種工作模式，省電，最低能接收電平-92dBm，可為MCU提供時(shí)鐘。MC13192可通過SPI接口與MC9S08GT60連接，從而組成一個(gè)低成本、高效能的監(jiān)控傳輸平臺。其傳輸功耗僅為1.0mW，適用于在煤礦中建立一個(gè)本質(zhì)安全型的監(jiān)測平臺。2.3MC9S08GT60與MC13192連接MC

5、9S08GT60與MC13192連接原理圖如圖2所示。MC9S08GT60與MC13192通過SPI技術(shù)建立連接，MC13192同時(shí)為MC9S08GT60提供時(shí)鐘。MC9S08GT60的PTB口作為外部器件接口，引腳PTB6、PTB7為模擬串口，通過74164驅(qū)動5個(gè)LED顯示，引腳PTB3作為瓦斯?jié)舛饶M輸入端，通過程序設(shè)定進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。同時(shí)將轉(zhuǎn)換后的結(jié)果分別送MC13192調(diào)制發(fā)射及LED顯示。3各部分工作原理3.1移動式瓦斯傳感器平臺的建立測定移動式瓦斯?jié)舛?，首先需要檢測空氣中的瓦斯?jié)舛龋瑢z測所

6、得的模擬量通過A／D轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)字量編碼，最后通過ZigBee技術(shù)發(fā)送。各個(gè)不同的移動式瓦斯傳感器平臺可以由井下工作人員隨身攜帶或置于環(huán)境較惡劣的監(jiān)測點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測瓦斯?jié)舛取１痉桨覆捎肕C9S08GT60單片機(jī)對瓦斯傳感器檢測的濃度進(jìn)行采集和發(fā)送。MCU中內(nèi)置了10位A／D轉(zhuǎn)換器，對3V電壓的檢測精度可以達(dá)到3／210=0.003V，完全可以滿足檢測需要。同時(shí)，將檢測所得數(shù)值變?yōu)?0位數(shù)據(jù)并加入地址碼，通過ZigBee平臺以2.4GHzOQPSK方式進(jìn)行發(fā)射。同時(shí)，單片機(jī)還可將所監(jiān)測到的瓦斯?jié)舛妊杆亠@示在

7、移動傳感器平臺本身的LED顯示屏上，從而可以使井下工作人員確認(rèn)當(dāng)前環(huán)境的瓦斯?jié)舛仁欠窨梢园踩_采。其流程圖如圖3所示。3.2監(jiān)控分站平臺的建立本解決方案根據(jù)硬件及組網(wǎng)要求搭建星型網(wǎng)絡(luò)，MC13192最多可以產(chǎn)生16組傳輸頻點(diǎn)，因此可根據(jù)要求以時(shí)分方式對16個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并得到相應(yīng)瓦斯?jié)舛龋_定井下工作的安全性。3.3監(jiān)控分站接收平臺監(jiān)控分站需要首先根據(jù)傳輸頻率不同對各個(gè)移動監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)分時(shí)接收。再根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)判斷，同時(shí)將瓦斯?jié)舛戎碉@示在LED屏幕上。如果發(fā)現(xiàn)瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)，則可通過觸發(fā)

8、控制電路切斷空氣開關(guān)，從而切斷工作交流電源，避免引起礦井事故。同時(shí)，根據(jù)所接收到的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)通過MCU打包，再通過MCURS232串行接口傳輸數(shù)據(jù)．并通過RS232-TCP／IP轉(zhuǎn)換器經(jīng)以太網(wǎng)絡(luò)傳輸至中央監(jiān)控主機(jī)。具體MCU程序執(zhí)行流程如圖4所示。