摘 要： 針對礦用瓦斯監控設備采用有線方式傳輸信號存在的弊端，將傳感器網絡" title="無線傳感器網絡">無線傳感器網絡技術應用于煤礦實時監控中，設計了一個便攜式瓦斯傳感器網絡節點" title="網絡節點">網絡節點。該節點裝置能夠完成瓦斯濃度監測及超標報警、井下" title="井下">井下人員的實時信息采集和定位等，既可以用于工作人員查看周圍環境，也可以實現遠程實時監控。詳細介紹了節點系統的軟硬件實現。
關鍵詞： 無線傳感器網絡 節點 瓦斯氣體傳感器 遠程監控
瓦斯氣體濃度是煤礦監控系統的重要指標之一，目前絕大多數礦用瓦斯氣體傳感器設備都采用有線方式傳輸信號，即采用光纜、電力線纜或信號線纜等。但這種傳統的有線布設方式存在著本質的缺陷[1]：部線繁瑣、線路依賴性強、安裝部設維護成本較大等。礦井一旦出現事故，特別是發生爆炸事件時，傳感器設備及線纜往往會受到致命的破壞，不能為搜救工作及事態檢測提供信息。
把無線傳感器網絡應用到煤礦監控系統中，通過各種傳感器實時采集礦井的環境信息，由嵌入式系統對其進行處理，通過自組織無線網絡以多跳中繼方式將信息傳輸到井外的監控終端，能夠彌補有線設備的缺陷，具有價廉、便攜、可靠性高、易于校正等優點。本文設計并實現了煤礦瓦斯報警無線傳感器網絡的節點系統。
1 煤礦瓦斯報警無線傳感器網絡
如圖1所示，整個網絡由瓦斯傳感器網絡節點群、接收發送基站、互聯網和監控終端構成[2～3]。由多個瓦斯傳感器網絡節點在礦井內形成自組網，某個節點的采集數據可以通過多跳中繼方式發送到井外接收發送基站，再通過串口發送到本地或遠程PC機上，實現實時監控。瓦斯傳感器網絡節點作為整個網絡的基本組成部分，不僅能夠進行瓦斯濃度、溫濕度信號的采集處理，還能夠在節點之間組網，進行節點定位和無線收發" title="無線收發">無線收發。節點系統提供信息的本地液晶顯示。
2 瓦斯傳感器網絡節點硬件系統設計
瓦斯傳感器網絡節點系統的硬件框圖如圖2所示，主要包括LXK－3瓦斯傳感器、SHT11溫濕度傳感器、PPD4NS粉塵傳感器模塊、 ATmega128L單片機、CC1000無線收發芯片、液晶顯示模塊等。
2.1 瓦斯傳感器模塊
2.1.1 瓦斯傳感器的工作原理
目前檢測瓦斯濃度的方式有光干涉、氣敏半導體、載體催化、電化學和紅外吸收[4]等，經過幾十年的研究，載體催化元件逐步成熟并占據了礦井瓦斯和多種可燃可爆氣體檢測領域的首位。其檢測原理為：由帶催化劑的檢測元件和不帶催化劑的補償元件及相應的匹配電阻組成電橋，瓦斯濃度變化時檢測元件電阻值改變，影響電橋平衡，從而可以檢測環境中瓦斯濃度變化。
2.1.2 LXK－3及其信號調理
本文采用中國船舶重工集團公司第七一八研究所的LXK－3催化元件。該系列元件是一種廣譜性的氣敏元件，適用于天然氣、液化石油氣和城市煤氣等多種可燃氣體的檢測和報警。圖3為LXK－3在系統中的應用電路，其差分輸出電壓反映了瓦斯的濃度變化，直接作為模數轉換器的差分輸入通道(ADC3、ADC2)。LXK－3的輸出電壓范圍為－50～50mV,而參考電壓選擇單片機的片內基準電壓2.56V，因此對差分電壓放大50倍比較合適。ATmega128的ADC放大倍數只有三種選擇：1x、10x、200x，為了提高精度，采用外部放大器與模擬開關相結合的工作方式，由單片機控制模擬開關，采用10x、50x、200x三個檔位。
由于LXK－3對電源要求比較高(2.8±0.1V)，而本系統采用電池供電，電壓不夠穩定，因此采用輸出電壓可通過電阻R2調節的專用電源芯片LP3965對其供電。由LP3965的電阻－電壓公式可以確定電阻R2的值，即R2=R1(
-1),VOUT=2.8V， R2＝13kΩ。
2.2 微控制器ATmega128單片機
處理器模塊是無線傳感器網絡節點的計算核心。本文采用的ATmega128L單片機外形小，集成度高，功耗低，支持睡眠模式，運行速度快，內部有一個10位的逐次逼近型ADC，有足夠的外部通用I/O端口和通信接口，成本低且有安全性保證。
2.3 CC1000無線收發模塊
無線收發模塊完成節點數據的發送和接收及轉發功能，這里采用Chipcon公司的單片無線收發通信芯片CC1000，其具有低電壓(2.3～3.6V)、低功耗、高靈敏度、小尺寸、接收信號強度" title="信號強度">信號強度指示(RSSI)、可編程輸出功率(-20～1OdBm)等特點。其FSK數傳速度可達72.8kbps,具有250Hz步長可編程頻率能力，適用于跳頻協議。CC1000與單片機的通信通過三線串行接口(PDATA、PCLK和PALE)進行。圖4是CC1000在系統中應用的電路原理圖，外圍元器件的參數是在發射頻率為915MHz的條件下配置的。
2.4其他重要模塊
除檢測瓦斯濃度外，節點系統設計了溫濕度傳感器模塊，不僅可以進行溫濕度檢測，還可以根據溫濕度數據對瓦斯傳感器校零。Sensirion公司高度集成的溫濕度傳感器芯片SHT11，采用串行時鐘輸入線SCK來與單片機保持通訊同步，串行數據線DATA收發通信協議命令和數據，能夠直接提供溫度在－40～120℃范圍內、濕度在0～100％RH范圍內的數字輸出。
粉塵傳感模塊采用SHINYEI KAISHA公司的PPD4NS粉塵傳感器，感知微米以上的粉塵，以檢測單位體積內粉塵粒子的絕對個數。
報警節點的數據顯示通過中文液晶顯示器模塊實現。
3 瓦斯傳感器網絡節點系統的軟件實現
3.1 軟件系統的總體設計
軟件系統的主要功能包括傳感器數據采集與處理、無線收發、液晶顯示和節點定位等,采用模塊化設計。傳感器數據采集與處理模塊主要設置瓦斯信號的采集參數并控制采集、讀取溫濕度傳感器的數據輸出并計算露點；無線收發模塊通過設置寄存器控制對命令或數據的接收和發送；液晶顯示模塊實現對瓦斯濃度、溫濕度等數據的本地實時顯示；節點定位模塊對節點進行實時定位。
節點系統要支持傳感器網絡，需要考慮網絡層的支持，方便系統擴展，因此系統軟件的實現是在嵌入式操作系統上進行的，與基于硬件的C語言直接編程相比，這種方式對功能擴展、功耗控制、網絡協議優化等有很大幫助。嵌入式操作系統選用了加州大學伯克利分校的基于事件驅動的TinyOS操作系統。軟件開發過程是：首先用C語言設計程序，然后在處理器上移植TinyOS操作系統，利用其編程語言(nesC)在TinyOS下編譯。
3.2 軟件系統實現
3.2.1 數據采集與處理
瓦斯濃度信號的采集控制模塊主要完成采集參數選擇(數據放大倍數檔位轉換)與數據計算工作。A/D轉換器輸出的最大值為511，采用450、50作為檔位判斷上下限，分別設置10x、50x、200x三個信號調理檔位。瓦斯濃度計算時，根據A/D轉換器的數字輸出，由差分輸入轉換公式ADC=(V+-V-)·GAIN·512/VREF計算出差分電壓△V，再根據LXK－3的輸出特性曲線，即可得到瓦斯濃度值。
溫濕度傳感器的數據通過DATA線直接讀取，控制流程如下：用一組啟動傳輸時序進行數據傳輸的初始化，然后發送一組測量命令(‘00000101’表示相對濕度，‘00000011’表示攝氏溫度)后,釋放DATA線，等待SHT11下拉DATA至低電平，表示測量結束，同時接收數據。
對于粉塵傳感器模塊，計算數據端口輸出脈沖中低電平的占空比即可得到粉塵濃度。
3.2.2 無線收發程序
無線收發程序負責接收來自基站或其他節點的命令或數據，并發送本節點或轉發其他節點的數據。首先進行CC1000的寄存器初始化配置，然后通過改變寄存器的值，進入待機、發送或接收模式。圖5為無線收發的控制流程圖。
3.2.3 液晶顯示驅動程序
液晶顯示器與單片機的接口協議為請求/應答(REQ/BUSY)握手方式。向模塊發出一個完整的顯示漢字的命令，包括坐標及漢字代碼在內共需5個字節。
3.2.4 節點定位算法
采用基于接收信號強度指示(RSSI)定位算法[5]實現節點的精確定位：已知發射節點的發射信號強度，接收節點根據收到信號的強度計算出信號的傳播損耗，然后根據信號傳播模型公式(1)將傳輸損耗轉化為距離，再利用三邊測量法計算出未知節點的位置。在實際定位中，要保證未知節點處于三個以上發射信號強度和位置坐標已知的參考節點的通信范圍內，未知節點根據接收信號強度計算出信號的傳播損耗，進而計算出節點位置。
PR(d)=PT-10nlog(d)-γ (1)
其中,PR(d)為接收信號強度(dBm)；PT為發送信號強度(dBm)；n為路徑長度和傳輸損耗之間的比例因子；d為參考節點與未知節點之間的距離；γ為修正因子，根據經驗進行修正。
瓦斯傳感器網絡節點系統能夠通過無線傳感器網絡實現對井下溫度、濕度、瓦斯和粉塵等參數和井下工作人員位置的實時監測，主要功能包括瓦斯濃度及溫濕度檢測、液晶顯示、定位和無線收發等功能，可以實現瓦斯濃度4％以內的檢測，且當持續半分鐘檢測到瓦斯濃度高于1％時，蜂鳴器發出報警信號。此外，根據煤礦的溫濕度參數自動對瓦斯傳感器校零，從而提高瓦斯濃度報警器的準確性。節點系統的LCD能夠動態顯示環境的溫濕度和瓦斯濃度。無線模塊可以把測到的瓦斯濃度和井下人員的位置信息發送到煤礦瓦斯監控的基站，再傳送到總控中心，以便隨時了解礦下瓦斯濃度和井下人員所處位置。該無線模塊在室內環境下傳輸距離為20～30米，可以滿足井下作業要求。節點系統穩定工作狀態下的響應時間小于20秒，可滿足實時監控要求。
隨著無線傳感器節點數目的增多、功能的進一步完善和監控管理平臺的建立，本無線網絡傳感器系統將適用于各類氣體以及人員位置監控的現代化管理，不僅能夠進行安全監測、協助事故搶險救援，還能夠用于人員調度、監控、考勤等，從而提高礦山的管理水平與工作效率。
參考文獻
1 王滿福.煤礦通信系統組網模式探討.通信世界，2004；(14):46～47
2 任豐原，黃海寧，林 闖.無線傳感器網絡.軟件學報，2003;14(7):1282～1291
3 曾 鵬，于海斌，梁 英. 分布式無線傳感器網絡體系結構及應用支撐技術研究. 信息與控制，2004;33(3):307～313
4 王汝琳.礦井瓦斯傳感器的近代研究方法及方向.煤礦自動化，1998；(4)
5 孫利民，李建中，陳 渝等.無線傳感器網絡.北京：清華大學出版社，2005