煤矿温度和瓦斯浓度无线监测系统的设计

O 引言
    煤炭作为一种重要的能源，在工业生产等许多方面发挥着举足轻重的作用，关系着国民经济的命脉。煤炭开采中的安全问题一直是受到极大重视的。如果一旦出现安全问题，不仅会造成巨大的经济损失，而且直接威胁到煤炭工人的生命安全。近年来，我国煤炭开采的安全问题形势不容乐观，各地矿难时有发生，特别是一些小煤矿更存在着严重的安全隐患。所以，采取现代安全监测措施势在必行。
    随着科学技术的不断进步，煤炭开采中安全监测的现代化步伐也在不断前进。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．如果浓度过大，容易造成爆炸危险，后果不堪设想，同样温度也是一个很重要的参数。
    很多系统采用有线传输的方式，但存在着布线困难，价格昂贵的缺点。基于以上，本文设计了一种煤矿温度和瓦斯浓度无线监测系统。

1 系统组成及工作原理
    整个系统由主控室PC机、上位机、下位机组成，通信采用无线通信方式，系统整体框图如图1所示。

整个系统包括240个下位机、一个上位机和一台PC机。本系统采用无线通信方式，上位机发同步信号，下位机依次在各自时隙向上位机发送数据，每隔15分钟发送一次。瓦斯传感器将瓦斯浓度转化为电信号，输出的电压幅值和浓度成正比，温度传感器使用数字温度传感器。下位机由单片机和无线收发模块组成，用于现场监测，对采集到的数据进行打包，并通过无线收发模块将数据传给上位机。上位机也是由单片机和无线收发模块组成，主要作用是负责整个系统的同步和接收下位机发送来的数据，并转发给PC机。
    本系统采用TI公司生产的MSP430F135单片机，它具有以下特点：功耗低，工作电流是微安级；速度快，最快指令周期达到125 ns，外围部件丰富，拥有A／D转换器，比较器，两个16位定时器，6个8位并行端口等。无线通信采用CHIPCON公司生产的CCl000无线收发芯片，它工作在300 MHz～1 000 MHz范围内的ISM频段，通常应用于低功耗无线通信。温度传感器使用DALLAS公司的DSl8820。瓦斯传感器使用我国自己生产的MJC4／3．0L。

2 数据的采集
    DSl8820采用单总线通信方式，与单片机连接时只需要外接一个5．1 kΩ左右的上拉电阻，选用外部电源供电，外围电路简单明了。测温的范围是一55℃～+125℃。转换结果为9～12位，当结果为12位时，最小分辨率可以达到O．062 5℃。在本系统中，在初始化阶段将转换结果设置为9位，相应的分辨率为O．5℃，并且完成一次转换只需要93．75 ms，远远小于12位转换时所需的750 ms。由于在数据帧中用一个字节表示温度，所以要进行一次右移，结果为整数。
    每次数据发送之前进行10次温度数据的采集，然后取平均值，以保证数据更加可靠、准确。
    MJC4／3．0L型催化元件根据催化燃烧效应的原理工作，由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压变化，该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大，补偿元件起到温湿度补偿作用。它具有以下特点：桥路输出电压呈线性，响应速度快，元件工作稳定，能够抗H2S中毒。被广泛应用于工业现场的天然气、液化气、煤气、烷类等可燃性气体及汽油、醇、酮、苯等有机溶剂蒸汽的浓度检测。
    在本系统中MJC4／3．OL后接放大电路，瓦斯浓度是一个变化的量，相应的输出电压也就跟着变化，在实际中，工作人员希望得到的是比较准确的峰值，所以本系统采用了峰值检测电路，如图2所示。

每次瓦斯浓度测量之前，断开开关K，延时50 ms，以采集峰值。用50 ms进行A／D转换并且将数据存储，定时到时合上开关K，放电。同样。每回发送数据之前进行10次数据采集并取平均。如果得到的结果大于设定的电压，下位机报警，现场发光二极管闪烁。

3 系统工作流程
    本系统是无线监测系统，下位机电路采用锂电池供电，要求连续工作1年以上，因此在设计系统流程时首先要考虑能耗问题。由于瓦斯和温度的变化是一个比较缓慢的过程，只要15分钟进行一次数据收发即可，因此可让传感器电路在绝大多数时间内处于睡眠状态，以节约能耗。无线收发芯片CCl000的工作电流约为10 mA，而在睡眠状态下仅有1μA；射频功放在发送数据时耗电约为70 mA。
    MSP430F135单片机的工作电流为300μA，在睡眠状态下不到2μA。
    为了节约能耗，将15分钟分成90个时隙。上位机每隔lO s发一次时隙代码Tc，Tc=0x00～0x59，每次发完后转到接收状态。上位机发送的数据帧包括4个字节的前导码，1个字节的开始界定符0xF3，1个字节时隙代码TC，并加上一个字节的CRC校验码提高无线传输的可靠性，因此一个数据帧共有7个字节，约需要12 ms。(CCl000的传信率设置为4．8 kbps)
    下位机要发送的数据包括4个字节的前导码，1个字节的开始界定符0xF2，1个字节的地址码，1个字节的温度值数据。1个字节的瓦斯浓度数据，加上1个字节的CRC校验码。因此一个数据帧共有9个字节。这样发送数据需要15 ms。
    在此基础上，设计了无线监测系统流程，给每台下位机分配20 ms的发送时间，240台下位机(序号从0x01到0xF0)完成一次通信共需要4．8 s。
    下位机流程如下：
    (1)下位机初始化后转到接收状态；收到时隙代码Tc后计算睡眠时间t，进入睡眠。t=lO×(90一Tc)一1．5 s．
    同时将定时器t2清零并开始定时。
    (2)定时器t2结束时，t2清零，开始执行信号采集子程序。
    (3)当t2=1 s时，断开信号采集电路，并转到接收状态。
    (4)当t2=1．5 s时，接收同步信号0x00，并根据本机地址码n计算发送数据的时刻
    t1=(n一1)×20 ms．
    同时将定时器t1、t2清零，开始定时，下位机进入睡眠状态。
    (5)第n个下位机在tl=(n一1)×20 ms时被唤醒并发送数据，发送完后再次进入睡眠状态，转到步骤(2)。上位机的流程较为简单，下面只给出下位机工作的流程图，如图3所示。

4 结束语
    本系统有效地采集了煤矿井下多个测点的温度和瓦斯浓度；低功耗工作延长了系统的工作寿命；无线传输降低了系统的复杂度和布线费用。系统具有很高的可靠性和性价比。