基于ZigBee通信的瓦斯监测系统设计

1 引言

实时了解井下瓦斯浓度是煤矿安全生产的一个重要因素。由于煤矿开采深度和开采规模的加大，各项有线检测设备很难及时跟进，造成井下的实时环境数据难以及时传送到地面监控中心，特别是在突发灾难时各种有线通信设备几乎处于瘫痪状态，给救援工作带来极大困难。因此，寻找一种在任何时刻都能及时采集井下环境信息的方法就显得尤为重要。在此，探讨了瓦斯采集终端和无线通信模块CC2420的设计。

2系统总体结构

图1给出瓦斯监测系统的总体结构。它由地面监控中心、井下ZigBee传输网络和瓦斯采集终端等组成。其设计思想是利用不同的瓦斯采集终端对各采集点进行瓦斯采集，通过建立的Mesh无线通信网络将数据进行中继传输，逐级路由最终到达地面监控中心，实现动态显示、分析及其他处理。

该系统根据可靠数据传输的需要，采用ZigBee独有的Mesh型网络模式，逐级路由自动链接网络中继器进行数据传递。当网络中最优的通信路径发生故障时，Mesh网络会在冗余的其他路径中重新选择最合适的路径供数据通信。因此，Mesh网络有效缩短了信息传输的延时，并提高了网络通信的可靠性。基于Zigbee技术的FFD路由节点除负责发送本节点的数据外，还负责转发其他节点的数据至中心节点，从而形成无线通讯网络。

瓦斯监测系统布置于试验现场中，主要任务包括：多组数据采集，系统以较高的采样率将传感器传送来的模拟信号通过A／D转换器转换成数字信号；数据处理，系统能实时分析采集的多路传感器数据，对结果进行决策并规划执行序列；紧急处理，分析结果，若出现甲烷超标突破安全范围等危险或其他故障现象时，可控制报警系统报警；数据通信。瓦斯监测系统具备较高的波特率和稳定的无线通信功能，且与地面指挥监控中心的远程上位机保持井下采集数据的实时通信。

3.1瓦斯采集终端设计

瓦斯采集终端采用的瓦斯传感器是热催化元件，也称为燃烧式载体催化元件，其检测原理用催化元件、补偿元件和桥臂电阻构成惠斯顿电桥。由于热催化元件的骨架是铂丝材料，给电桥加一恒定电压，电流流过时加热，使温度最高达到500℃。因此，当遇到瓦斯气体时，瓦斯气体接触催化元件表面发生氧化反应，即无焰燃烧，产生大量的热量，使催化元件温度升高，阻值增大，电桥输出不平衡电压，即反映出被测瓦斯的浓度变化。催化型瓦斯传感器检测电路如图2所示。

在煤矿安全规程中，瓦斯浓度的高低采用百分数表示，并且在5％～16％之间容易发生事故，必须建立Vadc与浓度百分数之间的逼近线性关系，使得最终的表述值也为相应的百分数。经实验获得标定的瓦斯浓度百分数为：

式中，0.001 6为修正值，设计过程中规定：当瓦斯浓度达到6％时，MCU发出预报警信号；当瓦期浓度达到16％时，Vadc＞VH即2.85 V时，MCU发出危险报警信号。考虑到突发事故，整个系统的瓦斯浓度检测范围确定为0％～50.5％。