基于Zigbee信号传输与RS-485总线的瓦斯传感器调整技术_张聪慧.pdf

煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 0引言 煤矿安全是工业生产中的首要要务，目前我国 煤矿生产中引发的安全事件主要是由于井内瓦斯含 量所引起， 导致有众多煤矿工人安全得不到保障。 为 了能够提高煤矿工人安全生产的目的，提升井内瓦 斯监测技术势在必行，因此监测瓦斯浓度的变化是 保证煤矿安全生产的重要方式。目前催化剂燃烧的 热敏感元件监测方式是一种主流的煤矿瓦斯监测技 术，但是该类型监测方式往往在信号传输中存在很 大的不稳定性， 另外还存在难以维护与安装， 对干扰 作用难以抵抗等缺点[1-2]。而针对无线传感器所构建 出的网络因其拥有较强扩展性能，因此文中采用将 无线传感器网络与矿井环境相结合的方式完成瓦斯 监测系统的构建，通过矿井内实验表明该监测系统 在对瓦斯浓度的监测中具有准确监测，可扩展性强 的优势， 从而有效提升了矿井安全保障。 1Zigbee 和 RS- 485 通信技术结合下的瓦斯 监测系统 Zigbee 无线传感器网络是基于 IEEE8.0 的一种 组网简单便捷的通信网络， 目前主要应用于家居和工 业设计场合中， 因此文中将该技术引入到煤矿开采过 程中对瓦斯浓度的监测功能中。 对于井下所部署的无 线传感器节点， 其可通过通信相互交互的方式完成对 数据的交换， 然后在中转节点将所有监控数据上传到 中心站，从而实现远程对矿井内部瓦斯浓度的监测； 站点工作人员可通过观测瓦斯浓度的采集数据的变 化， 通过信息反向传输的方式完成对传感器节点的参 数设定进行远程调整及校验。 1.1监测分站设计 矿井内部无线传感器瓦斯监测系统中，其核心 是对底层监测中的具有信息收集功能的监测分站 的设计。该系统的组成包含有中心控制模块， 对输 入 / 输出功能进行设定的控制模块和模拟量的输入 驱动结构。 开关量输入 / 输出驱动模块。 文中对采集到的输入信号的整理与过滤分别选 取的芯片为 40106 和 4007。其中首先通过 40106 实 现对输出通道的整理，继而使用 2003 完成对输入信 号功率的放大。其结构如图 1 所示。 1.2 无线传感器节点设计 Zigbee 无线传感器网络中的各节点之间的通信 组成了一个有多跳功能的网络结构， 该多跳网络结构 基于 Zigbee 信号传输与 RS- 485 总线的瓦斯传感器调整技术 张 聪 慧 （天地 （常州 ） 自动化股份有限公司 ，江苏 常州 213000 ） 摘要 目前矿井瓦斯监测中， 由于存在较短的调校周期， 布线繁琐并且信号在传输过程中常常存在 损失， 因此本文基于 Zigbee 无线传感器技术设计了一款新型瓦斯监测系统， 该系统通信采用 RS- 485 通信技术实现对矿井内监测的数据进行转发， 上位机根据接收数据实时对井内信息进行远程监测， 从 而完成对井内部署的传感器参数的调正。 关键词 矿井瓦斯值监测 ； 信号传输 ； 传感器参数动态设置 ； RS- 485 通信技术 中图分类号 TP212文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 03- 0114- 03 Gas sensor adjustment technology based on Zigbee signal transmission and RS-485 bus ZHANG Conghui （Tiandi ChangzhouAutomation Co., Ltd. , Changzhou 213000 , China ） Abstract In the current mine gas monitoring, due to the short calibration period, the wiring is cumbersome and the signal is often lost in the transmission process. Therefore, based on Zigbee wireless sensor technology, a new gas monitoring system is designed. The system uses RS. The - 485 communication technology realizes the forwarding ofthe data monitored in the mine. The upper computer remotely monitors the in- ation in the well according to the received data in real time, thereby completing the adjustment of the sensor parameters deployed in the well. Key words mine gas value monitoring; signal transmission ; sensor parameter dynamic setting; RS- 485 communication technology 114 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 呈现出较强的自组织性能和扩展性能， 运行可靠且易 部署的优势，因此非常适用于煤矿工业生产环境， 进 而形成针对矿井工作环境下的瓦斯监测系统。 （a ） 输入通道 （b） 输出通道 图 1开关量输入 / 输出驱动模块电路 瓦斯监测节点中的结构主要包含有特定传感器， 电源单元， 控制及网络通信模块。对瓦斯浓度的监测 通常选取 1R14BD传感器， 该传感器因采用非发散性 红外技术从而具有功耗低特点，可监测的距离为 [0,100]LEL，此外红外散发等所需的电流及电压值 分别为 50mA 和 3V，热电单元可同时对瓦斯浓度和 气体进行检测， 通过控制单元可完成对其内部动态参 数的校验； 电源的供电方式可选取电池供电或外接源 两种方式。 在工程设置中外接电源供电方式为第一选 取方法；通信及控制模块是基于 JENNIC- 5149 进行 设计的，该模块所需电流及电压值分别为 37mA 和 3V，在传感器不工作的状态下所需电流仅为 26mA； 模块内部的无线通信网络是基于 32 位 RISC- CPU 协 议， 同时集成了 192Kb 的 ROM， 96kB 的 RAM和 4 个 12 位的 ADC 单元， 从而在一定程度上提升了对瓦斯 浓度监测的能力与准确率， 采用 RS- 485 作为系统的 总线接口,另外考虑到距离参数对系统性能的影响因 此采用了 2 个 UART， 其具体的结构如下图 2 所示。 图 2其瓦斯传感器节点系统结构图 1.3无线传感器布置 我国对瓦斯传感器布置要求中已强调其应设定 在回采工作面中的上隅角； 另外在煤与瓦斯突出工作 面中的重要位置同样也需要外加入传感器； 在巷道内 部以固定[500m,1000m]距离值处添加传感器监测节 点， 同时要保证在拐弯处的外侧传感器位置距离工作 面较远。 对于弯道附近的传感器节点由于当其距离大 于 70m时会极可能出现大于 15的丢包率，而在水 平直线的巷道内部即使距离值大于 500m 也会很少 产生丢包现象。故对于传感器节点在煤矿中的布置， 对于弯道附近的节点要确保其可视性， 水平巷道内的 观测节点距离的布置可相应的增大。 2瓦斯浓度监测与动态补偿 IR14BD瓦斯传感器的工作时基于红外测量技术 实现的， 该传感器可根据红外光的吸收能力从而算定 瓦斯浓度值。 此外环境因素中的线性补偿是由满量程 线性与零点线性组合而成。 在操作过程中需要首先对 系统内部所设置的传感器节点测量进行零点补偿操 作， 其计算方法为 Ze Act0 Ref0 （1 ） 式中 Act0为正常环境下的热电检测器检测峰 值， 单位为 mV； Ref0为正常环境下的参考热电检测器 的检测峰值， 单位同样为 mV。此外 JENNIC- 5149 中 的 ADC功能主要是实现对模拟量转化为数字量。满 量程校准参数公式为 spa1- Actspa ZeRefspa1- e-aC （2 ） 式中 Actspa为满量程条件下的输出值，单位为 mV； Refspa为参考输出值， 单位为 mV； α、 n 为对传感 器的补偿因子； C 为气体浓度值， 单位为 vol。可采用 JENNIC- 5149 控制单元实现尽可能减少因外界因子 给传感器带来干扰， β 和 γ 分别为透光系数与校准补 偿因子。该两部分的计算公式为 NT Act ZeRef （3 ） NTmpNT[1β （T- T]（4 ） 式中 Act 为代补偿峰值， 其运算单位为 mV； Ref 为代对输出峰值的参考量， 其运算单位为 mV。因此 在 γ 补偿情况下的校准计算参数为 spampspaγT- T T （5 ） 115 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 式中 γ 为系统内部的补偿因子参量； T 为表示 检测发生时的井内环境温度； 为校准操作下的环境 温度， 其单位均为℃。 瓦斯浓度计算方式为 C- ln1- 1- NTnsp Spansp 1 n β （6 ） 3系统程序设计 3.1无线传感器节点程序流程 文中基于 JENNIC- 5149 所设计的无线传感器单 元能够完成自检、监测瓦斯浓度变化的实时变化、 无 线自组网、 超阈值数据报警及校定等功能。该系统的 流程结构如图 3 所示。 图 3无线瓦斯传感器程序流程图 3.2地面程序主要功能 无线传感器汇聚节点完成对各节点的信号进行 收集后并将其转发至地面监测系统， 然后通过自组网 及互联网的联通完成监测与控制， 该系统所包含的功 能有 1 ） 对煤矿井内所部署的各个传感器节点分别进 行参数设定及配置， 完成在指定位置的装设。 2 ） 根据地面所接收到的浓度值大小对其变化进 行图形绘制， 同时也可以记录当前监测数据以供后续 统计与分析。 3 ） 以在线通信的方式对所采集的各个节点信息 值进行记录。 4 ） 通过以太网连接方式完成传感器节点数据到 值班室的上报， 同时对超出阈值的数据报警显示。 3.3应用结果 根据 煤矿安全生产规程 中的相关条例 当采掘 工作面中 0.5 范围内的瓦斯浓度监测值大于 2时需 对现有工作均暂停运行。基于 JENNIC- 5149 控制单 元所设计的瓦斯检测传感器的检测精度范围为 0.005～0.020。该精度类型的传感器目前适用于煤矿 生产场景。 表 1系统监测数据 4结束语 与传统有线传感器不同， 无线传感器可在降低成 本的前提下对所有监测区域的检测信息进行无线监 测与信号传输；此外由于红外传感器因其具有低消 耗、 长寿命、 可调性强等特征因而可实现对瓦斯浓度 的实时监测， 从而满足对矿井安全进行监测的需求。 参考文献 [1] 谭章禄, 张长鲁, 于金枝. 基于物联网的煤矿设备管理体 系构建研究 ［J］ . 煤矿机械,2013,34 （6） 285- 287. [2] 尹光志,李铭辉,李文璞,等. 基于改进 BP 神经网络的煤体 瓦斯渗透率预测模型［J］ . 煤炭学报,2013,38 （7） 1179- 1 184. [3] 赵淑芳. 基于 BP 神经网络的煤矿矿用设备安全监测研 究 ［J］ . 太原理工大学学报,2013,44 （5） 619- 622. [4] 孙继平,唐亮,陈伟,等. 煤矿井下长巷道瓦斯传感器间距 设计［J］ . 辽宁工程技术大学学报 自然科学版,2009,28 （1） 21- 23. 作者简介 张聪慧 （1987.8-） 男， 本科， 从事煤矿机电设备调试类工 作， 工程师。 （收稿日期 2019- 6- 13） 监测次数/n 瓦斯浓度/ 报警结果 10.35N 20.45N 30.55Y 40.45N 50.75Y 116 ChaoXing