无线传感器网络在煤矿瓦斯监控系统中的应用

瓦斯气体浓度是煤矿监控系统的重要指标之一，目前绝大多数矿用瓦斯气体传感器设备都采用有线方式传输信号，即采用光缆、电力线缆或信号线缆等。但这种传统的有线布设方式存在着本质的缺陷：部线繁琐、线路依赖性强、安装部设维护成本较大等。矿井一旦出现事故，特别是发生爆炸事件时，传感器设备及线缆往往会受到致命的破坏，不能为搜救工作及事态检测提供信息。

把无线传感器网络应用到煤矿监控系统中，通过各种传感器实时采集矿井的环境信息，由嵌入式系统对其进行处理，通过自组织无线网络以多跳中继方式将信息传输到井外的监控终端，能够弥补有线设备的缺陷，具有价廉、便携、可靠性高、易于校正等优点。本文设计并实现了煤矿瓦斯报警无线传感器网络的节点系统。

1 煤矿瓦斯报警无线传感器网络

如图1所示，整个网络由瓦斯传感器网络节点群、接收发送基站、互联网和监控终端构成。由多个瓦斯传感器网络节点在矿井内形成自组网，某个节点的采集数据可以通过多跳中继方式发送到井外接收发送基站，再通过串口发送到本地或远程PC机上，实现实时监控。瓦斯传感器网络节点作为整个网络的基本组成部分，不仅能够进行瓦斯浓度、温湿度信号的采集处理，还能够在节点之间组网，进行节点定位和无线收发。节点系统提供信息的本地液晶显示。

2 瓦斯传感器网络节点硬件系统设计

瓦斯传感器网络节点系统的硬件框图如图2所示，主要包括LXK－3瓦斯传感器、SHT11温湿度传感器、PPD4NS粉尘传感器模块、 ATmega128L单片机、CC1000无线收发芯片、液晶显示模块等。

2.1 瓦斯传感器模块

2.1.1 瓦斯传感器的工作原理

目前检测瓦斯浓度的方式有光干涉、气敏半导体、载体催化、电化学和红外吸收等，经过几十年的研究，载体催化元件逐步成熟并占据了矿井瓦斯和多种可燃可爆气体检测领域的首位。其检测原理为：由带催化剂的检测元件和不带催化剂的补偿元件及相应的匹配电阻组成电桥，瓦斯浓度变化时检测元件电阻值改变，影响电桥平衡，从而可以检测环境中瓦斯浓度变化。

2.1.2 LXK－3及其信号调理

本文采用中国船舶重工集团公司第七一八研究所的LXK－3催化元件。该系列元件是一种广谱性的气敏元件，适用于天然气、液化石油气和城市煤气等多种可燃气体的检测和报警。图3为LXK－3在系统中的应用电路，其差分输出电压反映了瓦斯的浓度变化，直接作为模数转换器的差分输入通道（ADC3、ADC2）。LXK－3的输出电压范围为－50～50mV，而参考电压选择单片机的片内基准电压2.56V，因此对差分电压放大50倍比较合适。ATmega128的ADC放大倍数只有三种选择：1x、10x、200x，为了提高精度，采用外部放大器与模拟开关相结合的工作方式，由单片机控制模拟开关，采用10x、50x、200x三个档位。

由于LXK－3对电源要求比较高（2.8±0.1V），而本系统采用电池供电，电压不够稳定，因此采用输出电压可通过电阻R2调节的专用电源芯片LP3965对其供电。由LP3965的电阻－电压公式可以确定电阻R2的值，即R2=R1（-1），VOUT=2.8V， R2＝13kΩ。

2.2 微控制器ATmega128单片机

处理器模块是无线传感器网络节点的计算核心。本文采用的ATmega128L单片机外形小，集成度高，功耗低，支持睡眠模式，运行速度快，内部有一个10位的逐次逼近型ADC，有足够的外部通用I/O端口和通信接口，成本低且有安全性保证。

2.3 CC1000无线收发模块

无线收发模块完成节点数据的发送和接收及转发功能，这里采用Chipcon公司的单片无线收发通信芯片CC1000，其具有低电压（2.3～3.6V）、低功耗、高灵敏度、小尺寸、接收信号强度指示（RSSI）、可编程输出功率（-20～1OdBm）等特点。其FSK数传速度可达72.8kbps，具有250Hz步长可编程频率能力，适用于跳频协议。CC1000与单片机的通信通过三线串行接口（PDATA、PCLK和PALE）进行。图4是CC1000在系统中应用的电路原理图，外围元器件的参数是在发射频率为915MHz的条件下配置的。

2.4其他重要模块

除检测瓦斯浓度外，节点系统设计了温湿度传感器模块，不仅可以进行温湿度检测，还可以根据温湿度数据对瓦斯传感器校零。Sensirion公司高度集成的温湿度传感器芯片SHT11，采用串行时钟输入线SCK来与单片机保持通讯同步，串行数据线DATA收发通信协议命令和数据，能够直接提供温度在－40～120℃范围内、湿度在0～100％RH范围内的数字输出。

粉尘传感模块采用SHINYEI KAISHA公司的PPD4NS粉尘传感器，感知微米以上的粉尘，以检测单位体积内粉尘粒子的绝对个数。

报警节点的数据显示通过中文液晶显示器模块实现。

3 瓦斯传感器网络节点系统的软件实现

3.1 软件系统的总体设计

软件系统的主要功能包括传感器数据采集与处理、无线收发、液晶显示和节点定位等，采用模块化设计。传感器数据采集与处理模块主要设置瓦斯信号的采集参数并控制采集、读取温湿度传感器的数据输出并计算露点；无线收发模块通过设置寄存器控制对命令或数据的接收和发送；液晶显示模块实现对瓦斯浓度、温湿度等数据的本地实时显示；节点定位模块对节点进行实时定位。

节点系统要支持传感器网络，需要考虑网络层的支持，方便系统扩展，因此系统软件的实现是在嵌入式操作系统上进行的，与基于硬件的C语言直接编程相比，这种方式对功能扩展、功耗控制、网络协议优化等有很大帮助。嵌入式操作系统选用了加州大学伯克利分校的基于事件驱动的TinyOS操作系统。软件开发过程是：首先用C语言设计程序，然后在处理器上移植TinyOS操作系统，利用其编程语言（nesC）在TinyOS下编译。

3.2 软件系统实现

3.2.1 数据采集与处理

瓦斯浓度信号的采集控制模块主要完成采集参数选择（数据放大倍数档位转换）与数据计算工作。A/D转换器输出的最大值为511，采用450、50作为档位判断上下限，分别设置10x、50x、200x三个信号调理档位。瓦斯浓度计算时，根据A/D转换器的数字输出，由差分输入转换公式ADC=（V+-V-）·GAIN·512/VREF计算出差分电压△V，再根据LXK－3的输出特性曲线，即可得到瓦斯浓度值。

温湿度传感器的数据通过DATA线直接读取，控制流程如下：用一组启动传输时序进行数据传输的初始化，然后发送一组测量命令（‘00000101’表示相对湿度，‘00000011’表示摄氏温度）后，释放DATA线，等待SHT11下拉DATA至低电平，表示测量结束，同时接收数据。

对于粉尘传感器模块，计算数据端口输出脉冲中低电平的占空比即可得到粉尘浓度。

3.2.2 无线收发程序

无线收发程序负责接收来自基站或其他节点的命令或数据，并发送本节点或转发其他节点的数据。首先进行CC1000的寄存器初始化配置，然后通过改变寄存器的值，进入待机、发送或接收模式。图5为无线收发的控制流程图。

3.2.3 液晶显示驱动程序

液晶显示器与单片机的接口协议为请求/应答（REQ/BUSY）握手方式。向模块发出一个完整的显示汉字的命令，包括坐标及汉字代码在内共需5个字节。

3.2.4 节点定位算法

采用基于接收信号强度指示（RSSI）定位算法实现节点的精确定位：已知发射节点的发射信号强度，接收节点根据收到信号的强度计算出信号的传播损耗，然后根据信号传播模型公式（1）将传输损耗转化为距离，再利用三边测量法计算出未知节点的位置。在实际定位中，要保证未知节点处于三个以上发射信号强度和位置坐标已知的参考节点的通信范围内，未知节点根据接收信号强度计算出信号的传播损耗，进而计算出节点位置。

PR（d）=PT-10nlog（d）-γ（1）

其中，PR（d）为接收信号强度（dBm）；PT为发送信号强度（dBm）；n为路径长度和传输损耗之间的比例因子；d为参考节点与未知节点之间的距离；γ为修正因子，根据经验进行修正。

瓦斯传感器网络节点系统能够通过无线传感器网络实现对井下温度、湿度、瓦斯和粉尘等参数和井下工作人员位置的实时监测，主要功能包括瓦斯浓度及温湿度检测、液晶显示、定位和无线收发等功能，可以实现瓦斯浓度4％以内的检测，且当持续半分钟检测到瓦斯浓度高于1％时，蜂鸣器发出报警信号。此外，根据煤矿的温湿度参数自动对瓦斯传感器校零，从而提高瓦斯浓度报警器的准确性。节点系统的LCD能够动态显示环境的温湿度和瓦斯浓度。无线模块可以把测到的瓦斯浓度和井下人员的位置信息发送到煤矿瓦斯监控的基站，再传送到总控中心，以便随时了解矿下瓦斯浓度和井下人员所处位置。该无线模块在室内环境下传输距离为20～30米，可以满足井下作业要求。节点系统稳定工作状态下的响应时间小于20秒，可满足实时监控要求。

随着无线传感器节点数目的增多、功能的进一步完善和监控管理平台的建立，本无线网络传感器系统将适用于各类气体以及人员位置监控的现代化管理，不仅能够进行安全监测、协助事故抢险救援，还能够用于人员调度、监控、考勤等，从而提高矿山的管理水平与工作效率。