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％。

3.2 ZigBee无线通信设计

2002年8月成立了由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司组成的ZigBee联盟。ZigBee的物理层和链路层协议主要采用IEEE 802.15.4标准，利用全球共用的公共频率2.4～2.484 GHz免执照频段进行通讯，工作在2.4 GHz频段上的最高传输速率为250 Kb／s，采用了0-QPSK调制方法。图3给出ZigBee无线通信接口电路，用于通信的ZigBee线路接入器选用符合标准ZigBee协议的集成收发RF器件CC2420和利用PCB无线收发天线，以及少量的外围器件。CC2420采用直序扩频技术，保证了数据传输的可靠性。电路中，其外围电路包括晶体振荡器时钟电路、射频输入／输出匹配电路和微控制器接口电路3部分。CC2420的晶振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供。由内部电路提供时，需外加晶体振荡器和两只负载电容，容值取决于晶体的频率及输入容抗等参数。射频输入／输出匹配电路主要用来匹配器件的输入／输出阻抗。CC2420通过内部继承的SI、SO、SCK和CSn 4条SPI总线设置器件的工作模式，并实现读／写缓存数据及读／写状态寄存器等功能，通过控制FIFO和FIFOP引脚接口状态设置发射／接收缓存器。在数据传输过程中，CSn必须始终保持低电平。另外，通过CCA引脚状态的设置清除通道估计，通过SFD引脚状态的设置控制时钟／定时信息的输入。当系统上电后，将自动与井下无线通信网络建立链路关系，通过中心控制台，向监测系统发出网络连接自检信号，当MCU接收到连接信号后，返回应答信号至控制中心，完成一次完整的ZigBee网络通信；如果在发送信号时ACK标志位置位，而且在一定的超时期限内没有收到应答，发送器将重复发送固定次数，若仍无应答就宣布发生错误，请求重新建立通信连接。当通信链路成功时，整个检测系统开始工作，C8051F010将采集到的模拟信号进行数字转换、分析处理，将结果保存到内部数据寄存器中，通过SPI接口方式与CC2420实现通信。CC2420扩频后将数据发送到中继器FFD-1以数据包的形式传送给下一级FFD网络协调器，依次传输后到达井口的FFD中继器，它通过RS485有线连接到地面指挥中心。

下位机程序设计方案包括动态连接网络、数据采集部分和应用控制程序。动态连接网络负责查询网络设备和建立通讯链路；数据采集部分包括瓦斯浓度的采集、处理和保存；应用控制程序负责执行控制命令等功能。总体程序流程如图4所示。

在仿真试验箱内，对不同测试点分别注入不同浓度的瓦斯样本用于实验数据测试。表1给出不同测试点的测试结果对比，真实值由标准的测试仪提供；该方法由仿真监控中心上位机提供。实验测试数据保证了误差在1％以内的精确度。

设计了基于ZigBee和双MCU结构的井下无线通信现场综合监测系统。通过巧妙选择和配置控制器，合理优化设计系统接口电路，实现了传感器信息的高速、高精度采集和复杂算法的大数据量实时计算、分析等功能，并降低成本，简化电路设计。

该系统作为井下现场综合监测的子系统，用于井下瓦斯信息的采集分析。实验表明，它能够满足井下的信息采集、数据分析以及通信控制等任务，具有较好的可靠性和实时性。