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基于无线传感器网络的煤矿瓦斯预警系统设计研究 摘要传统矿井瓦斯监控设备采用有线方式传送信号， 导致线路铺设复杂、 扩展性差。针对这种情况， 文章设计一 种基于无线传感器网络的矿井瓦斯浓度预警系统。 该系统节点以 AVR 单片机 Atlmega128L 作为核心， 外围结合瓦 斯传感器 KGS-20 和无线收发模块 nRF2401 芯片， 实现了对煤矿瓦斯浓度的监测和预警。 关键词无线传感器网络；瓦斯；煤矿；预警 中图分类号TD212.9文献标识码B文章编号1008-8725 （2010 ） 04-0033-03 Design of Coal Mine Gas Warning System Based on Wireless Sensor Networks LIU Hong-xia，ZHANG Jian-feng （College of Electronic and Ination Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China） AbstractThe traditional use of coal mine gas monitoring equipment uses the wired way to transmit signal,resulting in line laying complex and poor scalability. In view of the drawback, a coal mine gas warning system based on wireless sensor networks is designed in this article. The nodes of this system use AVR microcontroller atlmega128L as the core, with the external gas sensors KGS-20 and wireless transceiver modules nRF2401, to achieve the concentration of coal mine gas monitoring and warning. Key wordswireless sensor networks；mine gas；coal mine；early warning 收稿日期2009-09-25;修订日期2010-02-04 作者简介张建锋 （1984- ） ， 男， 江苏苏州人， 硕士研究生， 研究方向 嵌入式系统控制， E-mail bartzhang。 刘红霞，张建锋 0引言 近年来瓦斯爆炸的安全事故频发， 严重威胁了 生产的安全， 给国家和人民造成了重大损失。其中， 一个很重要的原因就是瓦斯监控设备不能很好地 发挥作用。传统的瓦斯监控设备， 监控范围有限， 并 且基本采用有线模式传输信号， 在矿井中使用十分 不便。而无线传感器网络存在监测区域内大量的廉 价微型传感器节点， 通过无线通信方式组成的一个 多跳的自组织网络， 其目的是采集和处理网络覆盖 区域中被感知对象的信息， 并通过无线模块发送给 观察者。是集数据的采集、 融合、 分析、 传输于一体， 具有展开快速、 可靠稳定、 可维护性好等特点， 特别 适用于环境恶劣、 不方便人工监控和通过有线网络 监控的一些场所， 正好可以弥补有线网络的相关缺 点。将其应用于煤矿中， 配合上层监控软件， 可以很 好地实现对煤矿内重点区域瓦斯浓度的实时监控、 显示和预警， 对煤矿的安全生产起着非常重要的作 用。针对无线传感器网络的以上特点和优势， 文章 提出了一种基于无线传感器网络的煤矿瓦斯预警 系统的设计方法。 1系统架构设计 煤矿瓦斯预警系统主要有 3 部分组成 信号采 集层、 信号传输层和信号处理层。瓦斯监测系统的 系统构架如图 1 所示 传感器网络分布在整个监控区域内，主要有 3 个部分组成 广泛分布的无线传感器节点、 一个基 站和监控主机。其中， 信号采集层由分布在所监测 的区域无线传感器节点组成， 主要负责对矿井内瓦 斯浓度数据的采集和预处理， 并通过无线模块将信 号发射出去。信号传输层主要由基站和无线链路组 成，基站主要负责收集各个传感器节点发送的数 据， 通过无线链路将数据传输给监控主机。信号处 理层由监控主机组成， 主要负责对基站传送数据并 进行综合处理， 同时， 也可以对传感器网络发出相 应的指令[3]。 （ 南京工业大学 电子与信息工程学院，南京 210009 ） 图 1系统总构架图 计算机监控 无线链路 基站 无线接口 传 感 器 传 感 器 传 感 器 传 感 器 信号采集层 信号处理层 信号传输层 第 29 卷第 4 期 2010 年4 期 煤炭技术 Coal Technology Vol.29,No.04 April,2010 煤炭技术 第 29 卷 34 2系统硬件设计 瓦斯预警系统中的传感器节点由 CPU、传感器、 无线通信模块和电源组成[1]， 体系结构如图 2 所示 数据采集模块采用 KGS-20，数据处理模块采 用 AVR 单片机 ATmega128L 作为 CPU，无线数据 通信模块采用 nRF2401 芯片，电源模块选用 CR2032。 2.1 无线传感器 综合能耗、 体积和价格方面的因素[5]， 文中使用 KGS-20 低功耗瓦斯传感器。 KGS-20 传感器以二氧 化锡作为基本的敏感材料， 是一种半导体型气体传 感器， 专门应用于可燃气浓度的检测。该传感器体 积小、 耗电低、 应用电路十分简单， 响应时间不超过 20 s， 恢复时间小于等于 30 s， 其工作温度在 15℃～ 50℃范围之间， 湿度不超过 97％RH， 静态功耗仅为 150 mW， 报警状态时的功耗为 300 mW， 采用直流 电源供电， 电压范围为 3～5 V， 非常适用于对瓦斯等 可燃气浓度的检测。负载电阻 RL 上的电压变化可 以反应出传感器敏感组件的电阻 RS的变化。传感 器内部电路如图 3 所示 电源对于传感器来说非常重要， 是传感器能正 常工作的最基本保障。因此， 传感器电源供电电路 的设计对传感器模块来说也至关重要。对于小电流 几百 μA工作的传感器来说， 可通过处理器 I/O 口 直接驱动， 当该传感器处于空闲状态时， 只需设置 I/ O 口为输入方式， 这样就没有能量输入外部的传感 器， 也就无能量消耗了[4]。 2.2数据处理模块 作为无线传感器节点的核心模块的数据处理 模块， 所有设备的工作， 如控制、 任务调度、 通信协 议、 数据转储等都将在它的支持下完成。因此， 在节 点中，处理器的选择至关重要。文章选用 AT－ mega128L 作为节点的数据处理模块的微处理器。 ATmega128L 具有 128K 字节的系统内可编程 Flash、 4K 字节的 SRAM、 4K 字节的 EEPROM、 32 个 通用工作寄存器、 53 个通用 I/O 口线、实时时钟 RTC、 2 个 USART、 8 通道 10 位 ADC、 SPI 串行端 口、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、 与 IEEE 1149.1 规范兼容的 JTAG 测试接口，以及 6 种可以通过软件选择的省电模式。其控制模块外围 电路如图 4 所示 控制芯片是整个装置的核心， 负责协调各个部 分的工作。通过 ADC0 口读取瓦斯传感器输出的电 压值来获取当前环境下的瓦斯浓度。 2.3 数据通信模块 数据通信模块作为中间模块， 主要负责与其它 节点之间的通信,交换控制信息以及收发数据。 在数 据通信中， 能量损耗最大的是无线通信,因此， 无线 通信模块的设计关系到低功耗设计的全局。在无线 通信中， 部件所选择的数据率、 发射功率、 调制模式 等是影响通信能量消耗的主要因素。基于以上因素 考虑 ,采用 NORDIC 公司的无线收发模块 nRF2401 芯片作为节点的数据通信模块。 nRF2401 是一种低成本射频系统级芯片， 具有 外围元件少、 体积小、 功耗少等特点。该芯片工作于 2.4～2.5 GHz 的 ISM 频段,符合 ZigBee 协议的要求。 其本身功耗低,且抗干扰能力非常强。同时， 如果使 用跳频技术,还可以有效地降低发射功率， 进一步减 少能耗。nRF2401 对数据信号的处理能力也比较 强， 可以自动完成对数据信号的打包、 编码和调制, 将其转换为 RF 信号后就可以通过后端 I/O 匹配电 路将信号送入天线,完成发送。 2.4电源模块 在无线传感器网络中， 电源的使用寿命决定了整 个传感器网络的寿命。 因此， 在无线传感器网络中， 电 能是最为珍贵的资源， 选择良好的电源模块对整个网 图 2节点体系结构 瓦斯传感器 （ KGS- 20 ） 无线通信模块 （ nRF2401 ） 电池 （ CR2032 ） CPU （ Atmegall28L ） 图 4控制模块外围电路 图 3KGS-20 低功耗瓦斯传感器 Vh 3 Gas 2 Rs KGS-20 Vout RL 300 煤矿工业中 PLC 控制系统的综合设计研究 摘要PLC 作为一种引入了微处理机及半导体存储器等新一代电子器件， 自产生以来。其强大的功能受到各个行 业的追捧。笔者对煤矿工业中的 PLC 有一定的研究， 文章系笔者研究的阶段性产物， 主要是作者对 PLC 控制系统 的设计的研究， 并通过一定的生产实例进行了有效分析。对于 PLC 的学习者具有一定的参考价值。 关键词PLC；控制系统；工业控制 中图分类号TD57文献标识码A文章编号1008-8725 （2010 ） 04-0035-04 Coal Industry Integrated PLC Control System Design WEI Wei （Sanya College, Hainan University, Sanya 572022, China） 收稿日期2009-10-28;修订日期2010-02-04 作者简介魏巍 （1987- ） ， 男， 乌鲁木齐人， 现为海南大学三亚学院学生， 研究方向 PLC 自动控制系统。 魏巍 （ 海南大学 三亚学院，海南 三亚 572022 ） 第 29 卷第 4 期 2010 年4 期 煤炭技术 Coal Technology Vol.29,No.04 April,2010 络而言至关重要。考虑到传感器节点体积比较小， 选 择微型电池作为其电源比较合适。 文中选用的电源模 块是 CR2032 纽扣电池,CR2032 工作输出电压为 2～ 3 V,在大于 2.8V 的条件下能提供大约 200mAh 的电 流量， 具有体积小、 使用寿命长等优点。 3软件构架设计 3.1节点软件设计 传感器节点的主要任务是检测所在区域的瓦 斯浓度， 采集信息并将其发送到监控中心， 是无线 传感器网络可以有效工作的灵魂。节点的工作模式 为 睡眠 （低功耗模式 ） -被唤醒 （发送采集请求 ） -正 常工作 （采集并发送数据 ） 。节点工作程序流程如图 5 所示 程序开始， 传感器节点初始化， 然后进入低功 耗工作 （睡眠 ） 模式等待被唤醒， 处理器处于空闲状 态， 但 SPI 端口和中断系统仍将继续工作， 随时接 受系统中断请求。当采集定时间到时， 系统发送信 号采集请求， 节点进入工作状态， 采集瓦斯浓度数 据并发送。发送完毕后， 系统又返回到低功耗模式。 在低功耗模式下， 如果有允许的中断请求发生， CPU 将被唤醒并进入工作状态， 执行中断服务程序。中 断返回后， 系统又回到低功耗模式。如此循环反复， 监控煤矿内瓦斯浓度变化。 3.2监控软件设计 监控软件设计主要由 MFC 完成，负责对采集 的数据进行显示、 分析和保存。当采集到的数据超 过预先设定的警戒浓度时， 监控系统将发出预警信 息， 并相应采取有效措施降低矿井内瓦斯浓度。 4结束语 针对目前我国煤炭安全生产中对瓦斯浓度监 测监控存在的不足， 提出了一种以 ATmega 128L 单 片机为主[2]， 基于无线传感器网络的集实时监测、 报 警、 无线通信等多功能于一体的煤矿瓦斯监控预警 系统，充分发挥了无线传感器网络监控范围大、 间 歇工作节省能量、 部署灵活等优点， 解决了在环境 复杂、 恶劣的煤矿中对瓦斯浓度的监控和预警。经 实验表明， 系统测量精度高、 响应速度快、 性能稳定, 并且操作和维护方便， 为决策指挥和矿内通风管理 提供准确的科学依据， 有效地保障了生产的安全。 参考文献 [1]吴呈瑜,孙运强.基于 ZigBee 的瓦斯无线监测系统硬件设计[J]. 今日电子,2008 （01 ） 79-81. 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