摘要:本文介绍了瓦斯综合利用在我国的发展前景和存在的一些问题,并重点介绍了基于zigbee技术的煤矿瓦斯智能化采集系统的研究与应用。
关键词:瓦斯利用 ZigBee 无线传感器
1.引言
中国煤矿瓦斯排放全球第一。2004 年约为200Mt co2e (约为140 m3 ) 。同时中国的煤炭生产也是全球第一, 约90% 的煤炭产自井工矿。中国约有15000 个生产矿井, 约有600 个国有重点矿井, 其中约有50% 的大型国有煤矿为“高瓦斯矿井”。但是,大多数煤矿尚没有连接燃气管网; 抽放技术有限, 虽然200 多家煤矿安装了抽放系统, 但是由于各个工作面的瓦斯浓度不一,而抽放方式却比较死板,无法做到有针对性的抽排,所以抽放出来的瓦斯浓度大多很低,综合利用的效果比较差。
目前主要采用的抽放方式有三种,即煤层预抽、边采边抽和采后采空区抽放。
①煤层预抽:即在开采前利用穿层钻孔和顺层钻孔抽放,抽放利用量约占总量的40%。②边采边抽: 即在开采的同时利用巷道、钻孔进行抽放。这一部分抽放利用量较小,不超过20%。③采空区抽放:即在采后的老塘封闭区内抽放,这一部分抽放量超过40% ,对稳定瓦斯利用局势起着重要作用。
不论采用哪一种方式,瓦斯的抽排都离不开瓦斯监控系统,而监控系统的正常工作是建立在各工作场所的各种传感器均正常工作的前提下。由于在矿井的掘进工作面中大多数采用放炮方式掘进,所以放置在掘进工作面的各种传感器的通信线路容易被炸断,影响监控系统的正常使用。此外由于有线通信方式布线复杂,劳动强度大,容易出现监控盲点。伴随着煤矿开采速度的加快,有线网络在覆盖率、扩展性、灵活性方面的问题更为严重。作者研究了一种无线传感器:利用电池供电,从而避免传感器线路被炸断问题,也容易在一些窄小的巷道布置瓦斯监测点,对减少或避免矿井瓦斯灾害事故具有十分重要的意义。
2.ZigBee技术简介
ZigBee 是一种基于IEEE802.15.0 标准的短距离、低速率无线网络技术。该无线连接技术主要解决了低成本、低功耗、低复杂度、低传输速率、近距离的设备联网应用问题,主要用于无线传感器网络和测量控制方面。IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率(<250 kb/s)、工作在2.4 GHz 和868/915 MHz 的无线技术。2.4 GHz 波段为全球统一的无需申请的ISM 频段,有助于ZigBee 设备的推广和生产成本的降低。2.4 GHz 的物理层通过采用高阶调制技术能够提供250 kb/s 的传输速率,有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期,从而更加省电。
3.无线传感器的工作原理
无线传感器由传感元件、稳压电源、测量电桥、放大器、V/F 变换器、红外接收头、单片机电路、显示电路、讯响电路、频率输出电路、参数存储电路等部分组成。主要工作原理由载体催化元件组成的检测电路输出的电压信号经放大
和A/D 变换,转化为对应的数字量,并行输入至微控制器。微控制器根据EEPROM 中的数据进行信号处理,获得较高精度的测量结果,然后通过无线收发模块发送、接收信号。如果甲烷浓度超限,在远程控制端发出声光报警提示。系统设有看门狗电路,当电源干扰等原因造成系统故障时,看门狗电路启动,系统自动恢复运行。
4.系统设计
本文就采用CC2430芯片作为无线收发模块的核心。CC2430在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器,它使用1个8位高性能和低功耗的8051微控制器核MCU(8051),具有128kb可编程闪存和8 Kb的RAM,还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器(Timer)、AES128协同处理器、看门狗定时器(Watchdog Timer)、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位(Power On Reset)、掉电检测电路(Brown out Detection),以及21个可编程I/O引脚。发射机部分基于直接上变频。要发送的数据先被送入128字节的发送缓存器中,发送帧的前导符和开始符是通过硬件自动产生的。根据TEEE802.15.4标准,所要发送的数据流的每4个比特被32码片的扩频序列扩频后送到D/A变换器。通过模数转换把数字信号转换成模拟信号,然后,经过低通滤波和上变频的混频后的射频信号最终被调制到2.4GHz,并经过放大后经发射天线发射出去。
主控制器是一个8位低功耗微控制器,片内含8 kb ISP(In-system Programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器,使得主控制具有更加丰富的资源和极低的能耗,其中微处理器P89LPC932通过SPI总线和一些离散控制信号与RF收发芯片CC2430进行通信。
5.软件设计
软件的主程序采用了C51语言,使得程序变的简单、快速。包括数据采集、数据处理、信号输出和控制处理。其主要功能是:开机之后,首先进行初始化,包括智能芯片、有关变量的初始化,单片机相关的寄存器以及I/O口初始化等,
从外部读入数据,数据通过ZigBee协议发送出去,同时负责管理和条用各个子程序。
处理器需要CC2430发送数据时,首先通过写TXFIFO寄存器把需要发送的数据包按字节依次写入到发送缓存区TXFIFO中,然后写命令选通寄存器STXONCCA或STXON,等待时机从无线信道发送数据。接收到数据包时,会把数据存入到接收缓存区RXFIFO,并改变FIFOP和FIFO引脚的状态,处理器通过FIFOP的引脚中断RXFIFO寄存器依次读取整个数据包。在接收模式时,包处理支持将会分解数据包:首先进行开端检测、提取RSSI信息,然后进行同步字检测,接着检测地址、进行地址长度匹配并计算和检查CRC,最后将数据净荷提交上层进行处理,从而完成一次发送和接收操作。
6.结语
本文提出了一种以CC2430为核心,基于ZigBee技术的低功耗、低成本的无线通信系统设计的解决方案。此传感器较之传统的瓦斯传感器,在方便性和使用
寿命上都有很大的优势,用ZigBee无线通信方式代替原来的有线通信方式,提高了监控系统的性能。
参考文献
[1] 魏书芳.智能无线瓦斯传感器的研制[D].山东大学硕士学位论文,2007.
[2] 黄布毅,常亚军,张海霞,等.基于无线传感器网络的煤矿安全监测系统设计[J].通信技术,2008,41(09):170-173.