基于ZigBee的煤矿井下甲烷浓度检测系统设计

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(1.湖北大学 资源环境学院，武汉 430062；2.区域开发与环境响应湖北省重点实验室，武汉 430062；3.湖北省生物资源绿色转化协同创新中心，武汉 430062； 4.湖北省测绘成果档案馆，武汉 430071)

0 引言

煤矿是我国工业生产的主要能源之一，对促进社会经济发展也起着十分重大的作用。然而煤矿生产过程中存在较高的瓦斯事故发生率，矿井下的瓦斯爆炸事故等灾害频繁发生，严重影响了矿井工作人员的人生安全，也给煤矿企业乃至国家造成了巨大的经济损失[1-2]。其中，瓦斯甲烷的浓度则是影响矿井安全生产的重大因素之一，甲烷的浓度一旦过高会带来一定的危险，如果甲烷浓度不进行排除进行降低的话，会对矿井下面工作人员的人命安全带来威胁[3-4]。为避免此类事故发生，其中最为有效的一个办法就是检测甲烷的浓度，能否准确有效的检测和监控甲烷的浓度，直接影响到煤矿企业的安全生产。

煤矿井下甲烷浓度的常用检测方法主要有人工巡检以及工业总线的方法[5-6]。其中人工巡检是专业人员手持瓦斯检测仪定时定点的在矿井下巡回检测，该方法难以确保检测人员的自身安全，且不能做到实时检测和查询；工业总线的甲烷监控系统采用的是有线通讯传输，结构繁琐且不易维护。

针对上述问题，本文提出一种基于ZigBee的煤矿井下甲烷浓度检测系统。该系统采用ZigBee协议栈构建无线传感器通讯网络，在矿井的检测区域放置无线传感器，传感器实时的感知、检测和采集甲烷的浓度，并通过无线传输机制将甲烷浓度数据传输至协调器，最终传输至监控中心。在所述方案的基础上进行了硬件软件的设计，并完成了系统的测试验证。

1 基于ZigBee的无线传感器网络

无线传感器网络是一种分布式的传感网络，主要处于网络的末端，其所占区域大、自组织能力强、可靠性高以及节点布置密集等优势，在矿井甲烷浓度检测系统中的应用是一种发展趋势[7-8]。传感器主要用于对甲烷浓度的感知和采集，并且采用无线的方式对数据信息进行输送。其结构体系如图1所示，在需要检测的区域放置一定量的无线功能的传感器，该类传感器首先对甲烷浓度进行采集，并将这些数据信息发送给协调器。协调器节点收到数据的信息之后开始和矿井的管理中心进行通讯，用户对收到的甲烷浓度数据进行分析，最后做出决策。

图1 无线传感器网络结构

ZigBee具有低功耗、低成本、时延短以及网络容量等优势而得到了广泛的应用[9-10]。为提高无线传感器网络的通讯效能，文中采用ZigBee协议栈构建无线传感器通讯网络，ZigBee包含协调器、路由器以及终端节点三样配置。文中选用的网络是网状拓扑结构，其网络拓扑结构如图2所示，包含了1个协调器，多个路由器和终端设备，该拓扑结构十分灵活，路由器节点直接能够进行直接的通讯，从而提高了传输效率。而当一个路由器发生状况时，网络能够继续保持工作，从而具有更高的可靠性。

图2 网状的网络拓扑结构

2 检测系统设计

2.1 系统方案

系统的总体结构方案图如图3所示，系统的主要组成部分包括传感部分、处理部分、无线传输部分以及显示存储部分等。

图3 甲烷浓度检测系统方案

传感器终端节点对甲烷浓度的感知和采集，并将甲烷浓度的数据信息以无线传输的形式传至协调器，最后传至监控中心。即可实现地面工作人员对矿井甲烷浓度的检测。

2.2 硬件设计

甲烷浓度检测系统的硬件部分主要包括传感器、终端设节点以及协调器节点。终端设备的组成部分主要有传感器以及控制器，其主要的功能是采集甲烷的浓度数据和将采集到的数据进行无线传输；而协调器的主要功能是构建无线网络以及对终端节点发过来的数据进行接收，并采用有线的方式将数据传输到上位机。

2.2.1 传感器

文中检测甲烷浓度的传感器采用的型号是MQ-2传感器，当该传感器感知甲烷浓度时，其电阻的取值会因甲烷浓度的增大减小，因而其电阻值的变化大小反映了甲烷浓度的变化，通过读取电阻值即可知道甲烷的浓度值。MQ-2传感器一共有6个管脚，其中2个管脚是加热极，4个管脚是感知气体的敏感材质极。加热电压为5 V±0.2 V，加热电压可计算出传感器电阻，进而能够求出电压和甲烷浓度的对应关系，因此通过电压的测量即可知道甲烷的浓度取值。

另外，传感器的应用电路主要分为电源电路和传感器电路两部分，其中电源电路采用的是LM2575芯片，可将输入的12 V电压转换为5 V电压，该5 V电压对MQ-2传感器加热和测试；设定甲烷浓度的极限值，并将该极限值转换成一固定的电压阈值，当甲烷浓度超过预警极限值时，采用型号为LM358的电压比较器控制LED等进行报警，此时LED为亮灯状态。

2.2.2 终端节点

终端节点的主要组成部分有传感器模块、微处理器模块以及电源模块等。终端节点的硬件结构图如图4所示。

图4 协调器硬件结构图

其中传感器模块主要是用于甲烷浓度信息的采集，把感知和采集的物理信号转换成电压的模拟信号；微处理器采用的是TI公司的CC2530微处理器，主要用于将传感器模拟量转换成数字量，并对整个网络节点进行操控；电源模块主要是没其他每个模块进行供电。

CC2530具有较高的集成度以及丰富的内部资源，仅仅需要极少的外围电路就可以实现系统的控制电路。同时，CC2530内部单片机具有无线通信的模块，内核的型号是8051，具有21个I/O引脚和2个串口通信接口，与ZigBee协议栈进行联合，采用C语言编程，其包含的主要模块有CPU模块、存储器模块、时钟模块、电源模块以及设备管理模块等。

CC2530芯片的外部电源的电压等级是3.3 V，由于传感器所需要的工作电压是5 V，因此需采用BL8555-33PRA芯片实现电压转换的功能，BL8555-33PRA电源转换芯片的电压输出范围是1.2 V到5.0 V，电压精度可达0.1 V；CC2530含有14位的AD转换接口，能够实现外部差分信号或者单端信号的输入，通道的独立输入数量有8个，文中采用单端输入信号接收传感器采集的数据，选择P0.0端口和12位精度；CC2530外接2个LED电路，所连接的引脚分别是P1.0和P1.2，LED灯亮的驱动电平设置为低电平；CC2530装有2个提供主频的晶振电路，晶振源的频率分别为32 MHz和32.78 Hz，分别是主振荡频率额睡眠模式唤醒频率；CC2530天线配置电路的芯片为2450BM15A0002，可大大减少射频电路的元件数量，且具有较小的体积和功耗。

2.2.3 协调器节点

相对于终端节点电路系统而言，系统的协调器节点不含有传感器模块，其他组成部分具有一致性。在应用时，采用IAR软件，在协调器CC2530模块里面对ZigBee协议栈的协调器程序进行下载，实现检测系统的组网以及数据传输。而在下载程序时，JTAG接口采用DEBUGGER仿真器进行连接，并且供电的方式采用USB方式，采用RS-232串口完成协调器和上位机之间的通讯。协调器的硬件结构图如图5所示。

图5 协调器硬件结构图

2.3 软件设计

系统的软件部分主要包括系统下位机和上位机的开发环境、平台以及基于ZigBee协议栈通讯和数据传输实现流程。

2.3.1 下位机软件

该系统的软件设计工具采用的是IAR Systems公司的 IAR Embedded Workbench For C8051，下位机的软件部分以ZigBee为核心部分，主要包含的模块有终端节点设备和协调器设备，采用的无线传输网络是基于Z-stack协议栈。

1)Z-Stack协议栈选用的是Z-SATCK2007，其能够为CC2530硬件提供基本所需要的底层协议代码，十分方便开发人员的使用，协议栈层次分明，其中应用层最为关键，包含了用户所需要执行任务的全部内容，项目程序在这一层进行编辑，主要包括主文件(.C文件)、头文件(.h文件)和接口文件，只需要调用这三部分文件并根据需要实现的新功能进行适当的修改即可，而主要需要改的是ZMain主函数，包含了入口函数以及硬件的配置文件。除此之外，硬件层包含了驱动函数以及一些硬件配置的程序，基本无需大改。

2)协调器设备以自动的方式进行网络组建，而终端节点设备也能够自动的加入到该网络当中，紧接着建立协调器设备和终端节点设备之间的无线通讯。整个网络组建的流程如图6所示，首先在网络建立之前初始化终端节点和协调器节点，其次协调器构建网络，判断终端节点设备是否已经加入到此网络，一旦成功加入网络后，终端节点的传感器开始对数据进行采集，并基于ZigBee协议栈以无线传输的形式将采集到的数据传送到协调器设备，最后协调器设备节点将接收到的甲烷浓度的数据信息采用串口的形式发送至上位机监控中心。

ZigBee的通讯方式为广播式的，该方式非常适合于实际矿井环境，采用周期定时的形式发送甲烷浓度数据。系统上电之后就开始初始化各类设备，并在组网成功之后触发各项任务。开启定时器功能，时间到后立即触发广播事件，且周期定时时间可自定义。分别设置终端设备数据发送函数以及协调器设备数据接收函数。

图6 组网软件流程图

2.3.2 上位机软件

上位机软件采用的是NI公司的LABView虚拟仪器，能够采用图形化的语言进行编程，其程序主要包括前面板、程序框图以及图标/连接器等。上位机的功能程序流程图如图7所示，首先对系统进行基本初始化配置，配置完成后开始通过串口接收下位机传输过来的数据，即开始处理接收到的6位字符数据，其中第1位代表的是传感器的编号，后5位代表的是甲烷的浓度，对甲烷浓度的数据进行定量的解析和处理，并在监控中心显示和存储这些数据信息。对甲烷浓度的数据进行判断是否超过安全限定值，一旦超过的话就采取报警的措施且led指示灯灯亮。

图7 上位机的流程图

3 实验结果与分析

为验证上述所设计方案的可行性和有效性，在上述分析的基础上搭建实验平台进行实验验证。该实验平台的主要硬件装置有：1台电脑、3组电池、1条RS-232串口线、1套甲烷制造器材、1个1 L的铝箔采样袋、1个密封条以及1个10 mL的针头；主要的软件平台是IAR Embedded Workbench (主要用于下载各节点的程序)、National Instruments LABView 2012(主要用于人机交互界面显示)。

该实验平台的执行步骤如下：(1)标号终端节点，并在终端节点和协调器植入程序；(2)给各节点供电并组网；(3)将终端节点传感器放置于瓦斯浓度采样袋之中；(4)人工制取甲烷；(5)抽取甲烷至采集袋；(6)将传感器采集结果无线传输至上位机。

对所设计的系统进行整体性能效果的测试，该系统操作简单方便，能够快速的将下位机的不同节点组成，精确的发送检测的数据，上位机则可以友好的实现人机交互。在本次测试中，集气袋中不断的注入甲烷，并使甲烷在集气袋中逐渐的扩散，传感器数据每秒钟传输一次，一共取5组测试数据，测试的数据结果如表1所示。表1中的相对误差是指检测到的甲烷浓度的相对误差取值，定义的计算公式如式(1)所示：

(1)

式中,Cr是甲烷浓度实际值的大小，Cc是甲烷浓度检测值的大小。

表1 系统测试结果

通过甲烷浓度实际值与检测值的对比结果可知，本系统甲烷浓度的5次检测相对误差分别是1.31%、1.74%、1.69%、1.65%和1.25%，均未超过2%，经过计算可知平均误差也只有1.528%，因此该系统具有较高的检测精度，在煤矿企业的应用具有一定的适用性。

4 结论

本文针对煤矿企业安全生产的实际需求，提出了一种基于ZigBee的煤矿井下甲烷浓度检测系统。首先介绍了应用于矿井的无线传感器网络技术和ZigBee技术。其次提出了煤矿井下甲烷浓度检测系统的整体设计方案，给出了煤矿井下甲烷浓度检测系统的硬件设计部分和软件设计部分，包括终端节点的硬件电路、外围电路硬件部分、协议栈无线组流程网等。最后搭建实验平台对所设计系统的可行性和有效性进行验证。仿真结果表明：设计的煤矿井下甲烷浓度检测系统能够实时灵活的检测甲烷浓度，且检测精度较高，能够满足现代煤矿企业的实际需求。

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