基于ZigBee无线传感器的井下甲烷浓度监测系统

余海林, 莫 莉，赵 悦，喻洪平

(成都大学 机械工程学院,四川 成都 610106)

0 引言

煤矿是我国工业生产的重要能源之一.然而，煤矿生产过程中极易发生瓦斯泄露及爆炸等事故，严重危害煤矿工作人员的安全，也给煤矿企业造成巨大经济损失[1-2].其中，甲烷浓度是影响煤矿安全生产的一个重要因素，一旦过高就会影响到矿井下工作人员的生命安全及煤矿生产[3-4].因此，能否准确有效地检测和监控甲烷的浓度就显得非常重要.

传统的煤矿甲烷浓度监测主要包括工业总线和人工巡检2种方法.其中，工业总线采取的方式是有线通信，但布线结构复杂且维护困难；人工巡检是指专业检查人员携带甲烷检测仪定点定时到矿井下检测的方法，但此方法难以保证专业检查人员的安全，而且无法做到实时监测.

针对以上传统监测系统的不足，本研究提出了一种适应于复杂矿井环境且基于ZigBee无线传感器网络的井下甲烷浓度监测系统，并进行了软件和硬件的设计.本系统可提供效率高但成本较低的数据传输平台，且具备一定的可靠性和低功耗支持，能够为煤矿企业的安全生产提供强有力的监控.

1 无线传感器网络

无线传感器网络(wireless sensor network, WSN)是一种分布式传感器网络[5]，由大量传感器单元以多跳和自组织的方式构成.网络末端的传感器用来感知和检测外界变化，再通过无线通信方式进行数据传输.该无线网络具有设置灵活及设备可变更的特点，可以实现被检测量的实时采集、处理和传输，最终把采集到的数据信息统一发送给地面监控中心.无线传感器网络的结构如图1所示.

图1 无线传感器网络的结构图

1.1 ZigBee技术

ZigBee技术是一种基于IEEE 802.15.4的短距离无线通信技术，具有功耗低、传输速率低且架构简单等特点.目前，ZigBee技术的工作频段有3种，即2.4 GHz、915 MHz及868 MHz.对应的带宽、信道数量及最高数据传输速率如表1所示.

表1 3种工作频段的性能对比

所有短距离无线通信技术中，ZigBee 技术与无线传感器网络的大规模、自组织、低成本和低功耗等特点最相适应，且传输距离较远，在完全无遮挡的空旷区域内，传输距离通常为10～75 m[6]，已成为无线传感器网络采用的主流通信技术.

1.2 ZigBee技术的网络拓扑结构

ZigBee技术中，自组网是其强大的功能之一.组成的网络拓扑结构有星状、树状及网状，如图2所示.实际中具体使用哪种拓扑结构视用户的需求而定.

图2 ZigBee技术的网络拓扑结构

本系统选用的是网状拓扑结构.这种拓扑结构下，假如其中1个路由器节点因故障与网络系统中断连接而不能正常工作时，网络不会崩溃.此时，备用路由器节点会通过自动搜索加入到网络中.新加入网络的路由器节点仍沿着故障路由器节点的路径进行数据传输，所以网络会很快恢复正常.该结构提高了系统的容错性，也保证了网络的完整性[7].

2 系统设计

2.1 总体设计

由于井下巷道狭窄且环境恶劣，整体检测系统除了需要实时准确地采集甲烷浓度及传输数据信息外，还需要保持自身结构的稳定.本研究设计的井下甲烷监测系统主要由1个监控中心和多个终端节点、路由器节点和协调器节点共同组成，其应用示意图如图3所示.

图3 监测系统的应用示意图

2.2 硬件设计

系统的硬件设计主要包含3部分的设计，即终端节点设计、路由器节点设计和协调器节点设计.其中，终端节点负责实时采集甲烷浓度和无线传输数据给路由器节点；路由器节点负责接收并汇总各终端设备采集到的甲烷浓度数据，然后转发给协调器节点，同时超限报警，扩大了监控范围，延长了传输路径；协调器节点接收路由器节点传输过来的数据，通过有线方式传递到上位机显示，并且负责组成无线网络.本监测系统的总体硬件结构图如图4所示.

图4 监测系统的总体硬件结构图

2.2.1 传感器

本系统选择MQ-2传感器检测甲烷浓度.MQ-2传感器属于金属氧化物半导体气体传感器，对气体敏感，多用于对烷类气体浓度监测，尤其是甲烷.MQ-2传感器内部的主要原材料为二氧化锡,在纯净的空气中有较大的电阻[8]，且其阻值会随着甲烷浓度的增大而逐渐减小.若将传感器置于甲烷气体环境中，输入为甲烷气体，通过阻值信息转变为0～5 V的电压信号输出，从而获得浓度值(范围为0～99).由于二氧化锡材料的物理化学反应是可逆的，所以MQ-2传感器的吸附时间短且恢复速度快，稳定性好，寿命长且耐腐蚀，可连续使用，特别适合测量环境恶劣的井下易燃易爆气体[9].

2.2.2 终端节点设计

终端节点主要由甲烷传感器、CC2530模块和电源模块组成.传感器主要负责采集甲烷浓度，然后转化成电压信号输出.CC2530模块自带的A/D转换负责将模拟电压信号转换成数字量，然后将数据通过射频部分(无线收发器)发送给路由器节点.电源模块负责为传感器和CC2530模块供能，实际采用5号电池.

CC2530模块是内部集成了增强型8051CPU[10]和无线通信功能的单片机，联合德州仪器研发的ZigBee协议栈，采用C语言进行编程.自带的14-bit A/D转换器可以直接采集模拟量.

CC2530模块还包含32 MHz和32.768 KHz这2种不同的晶振电路，分别负责给正常工作模式下的CC2530模块提供外部时钟源和用于唤醒睡眠模式[11]下的CC2530模块提供精准的低频时钟源.

2.2.3 路由器节点设计

路由器节点扮演着连接终端节点和协调器节点的角色，主要负责接收各终端节点采集到的甲烷浓度数据，然后将数据汇总发送给协调器节点.另外，协调器节点要发送指令信息给终端节点，也可通过路由器节点传递转发，延长了传输距离.由于当井下巷道内的甲烷浓度超过阈值时，需要提醒井下工作人员及时撤离并返回地面，为此，本研究选择了SFM27-I型持续性蜂鸣器和超高亮发光二极管，并在路由器节点上设计了声光报警模块.

2.2.4 协调器节点设计

协调器节点主要由CC2530模块、液晶显示模块及USB转串口模块组成，主要负责接收路由器节点转发的各终端节点采集到的甲烷浓度数据，然后通过USB转串口模块发送给上位机.

为了便于在井下实时查看各固定位置的甲烷浓度信息，协调器节点上安装了液晶显示屏.考虑到巷道内的特殊环境，显示屏需要体积小、清晰度高且功耗低，因此本研究选用了TFT液晶显示屏，其中内部芯片为ST7735S.TFT液晶显示屏的反应速度快，约80 ms，可视角度大，一般可达到130°，还具有对比度高与厚度薄等优点，从而可以高速度、高亮度及高对比度地显示屏幕信息.

2.3 软件设计

软件设计主要分为下位机部分和上位机部分，即井下甲烷数据采集和无线传输系统及地面监控中心软件设计.本研究选择基于IAR Embendded Workbench集成开发环境进行下位机软件开发，选用NI公司开发的LabView软件进行上位机软件开发.这样，就可以完成井下甲烷浓度的实时采集、数据传输和显示.

2.3.1 程序设计流程

硬件电路连接好后，启动上电.所有节点开始初始化设置，随即协调器节点开始组网，其他节点申请加入网络.协调器节点允许其他节点加入，并为其分配独有的网络地址.组网成功后，终端节点上的传感器开始采集甲烷浓度，数据转换后发送给路由器节点.路由器节点接收到甲烷信息后，开始与预先设定好的阈值比较，若浓度数据超限就发出声光报警提示，并将信息全部转发给协调器节点.协调器节点接收到信息后在显示屏上显示，处理后通过串口发送给上位机.上位机解析、处理、显示并存储数据，若浓度数据超限，报警灯将变亮.系统总体程序流程图如图5所示.

图5 系统总体程序流程图

2.3.2 上位机界面设计

LabView软件是一种虚拟化仪器，其特点就是可用图形化语言进行编程.用户可以应用这种形象且生动的图形化语言编写程序，得到的程序并不是代码，而是各种控件、框图及图标等有趣的图形.

井下甲烷监测系统的LabView上位机前面板如图6所示.从图6可知，前面板上显示的信息包括北京时间、数据显示及波形图、浓度阈值、报警指示灯、历史数据、历史报警数据及历史数据保存路径等.

图6 LabView上位机前面板

3 系统调试与结果分析

本研究在完成系统硬件及软件设计后，进行了实际样机的制作实验.实验器件包括：一组ZigBee开发板，SmartRF04EB仿真器，TFT液晶显示屏，蜂鸣器，MQ-2传感器，USB数据线2根，打火机(模拟甲烷气体环境).根据井下复杂的工作环境，本研究采用适合复杂环境且功能强大的网状网络.由于实验条件有限，实际实验测试过程中搭建的ZigBee无线传感器网络仅包含1个协调器节点和1个终端节点.

测试步骤如下：

1)将仿真器与底板上的Debug接口相连接，打开IAR软件对程序进行编译.编译完成显示“无错误”后，将End Device程序、Co-ordinator程序分别烧录到终端节点和协调器节点；

2)使用USB数据线连接协调器开发板与PC机，为串口接收数据做好准备，同时使用充电宝为终端节点供电；

3)打开LabView上位机软件界面，配置端口为COM3且波特率为115 200；

4)以上步骤完成后，给各节点上电.若协调器节点上的液晶显示屏开始显示浓度数据，则表示组网成功；

5)在LabView上位机界面点击“运行”，实时观察甲烷浓度值和波形图.当甲烷浓度超过阈值时，报警指示灯会长亮.实验测试图如图7所示.

图7 实验测试图

实验中，设置每隔1 s采集并保存1次甲烷浓度数据.当甲烷浓度超过40%时报警，历史数据和报警数据可分别输出成Excel表格并保存以便查看.以下表2为选取的部分数据，同时采取专业甲烷检测仪器同步收集数据，并转换成统一的百分比(%)计量单位.其中，相对误差是指检测到的甲烷浓度值和本系统获得的实际值之比.

表2 数据分析

通过将本系统获得的甲烷浓度实际值和专业甲烷检测仪器检测出的检测值对比可知，相对误差在1%左右，具有较高的检测精度，因此本研究在实际应用中具有良好的理论意义和应用价值.

4 结 语

本研究提出的监测系统解决了现有煤矿安全监测系统布线困难、扩展性差且检测危险等缺点，实现了对井下甲烷气体的实时监测、传输、显示及报警，保证了井下的安全生产.通过实验测试，下位机可以成功实现甲烷浓度的实时检测、数据的无线传输及超限声光报警等功能.LabView上位机界面也可以接收到甲烷浓度数据并显示实时波形图、存储历史数据与报警数据及实现超限报警.本系统在实验室环境下可以达到预期设定的目标，但由于井下环境复杂，比如井下环境温湿度对器件的影响、各器件的防尘、各器件和外壳的防爆特性等众多因素都有待进一步的研究.