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  • 煤礦瓦斯預警系統

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    煤礦瓦斯預警系統


    瓦斯是指礦井中主要由煤層氣構成的以甲烷為主的有害氣體,有時單獨指甲烷。瓦斯是一種無色、無味、無臭、可以燃燒或爆炸的氣體,難溶于水,擴散性較空氣高。瓦斯無毒,但濃度很高時,會引起窒息

    把瓦斯傳感器技術、嵌入式單片機技術以及無線傳感網絡技術結合在一起,可以克服目前礦井瓦斯監測系統存在的缺點,實現高性能的礦井瓦斯預警系統。


     

      1 系統構建 

      瓦斯災害預警系統由瓦斯傳感器檢測模塊、無線射頻模塊、監控中心上位機等組成[2]。系統框圖如圖1所示,沿礦井巷道每隔30-50m,在巷道頂部安裝一個無線傳感網網絡匯聚節點,在網絡匯聚節點周圍安裝一些瓦斯傳感器構成的流量傳感器節點,另外,瓦斯安全檢查人員可以攜帶一些動態的瓦斯傳感器網絡流量節點。整個系統由地面監控中心、固定及移動傳感器節點組成。
     

      2 系統硬件設計 
      基于物聯網的礦井瓦斯災害預警系統網絡節點由瓦斯傳感器流量傳感器節點和無線傳感網絡Zigbee匯聚節點構成[3]。瓦斯傳感器節點采集巷道周圍的瓦斯濃度并轉換成數字量,通過無線網絡將數據發送到巷道匯聚節點。匯聚節點接收瓦斯傳感器節點的信息,同時將各個節點的數據發送到上級嵌入式系統上位機,以供應用層處理和顯示數據。系統包括以下各部分電路。 
      電源模塊:礦井工作面提供24V直流電源,電源模塊采用開關電源芯片,在電壓波動情況下,穩定輸出流量傳感器節點所需電源電壓;微處理器模塊采用高性能能低功耗51單片機,具備無線傳感網絡應用所需的主要功能;傳感器模塊采用電化學型催化元件傳感器,元件工作穩定、測量精度較高;無線收發模塊使用TI公司CC2430芯片,實現無線傳感網絡多點數據的采集、傳輸和組網功能。
     

      2.1 瓦斯濃度檢測電路 
      瓦斯濃度檢測采用MQ-2可燃氣體傳感器,可將瓦斯的濃度變換轉換為電壓的變換,對所得電壓信號進行放大送入單片機,經過CC2430自帶的A/D轉換,轉換為數字信號等待單片機的進一步處理。瓦斯濃度檢測電路的原理圖如圖2所示。
     

      2.2 系統電源模塊 
      系統供電由分站輸出的24V本安直流電源提供。系統電源電路如圖3所示。24V本安直流電源接到DC-DC芯片MC33063的輸入端,輸出Vout端輸出穩定的8V電壓。Vout經TL317CLP穩壓后輸出+3V,作為系統的電源。 

      2.3 CC2430核心板電路 
      本系統考慮到低功耗、低成本、便攜等因素,以短距離無線通訊單片機CC2430為核心,設計了CC2430核心板,通過組網核心板之間可完成信息的無線傳輸。核心電路如圖4所示。
     

      2.4 液晶顯示模塊電路 
      本系統的顯示模塊選用OCM12864-9,因為電源系統的續航能力,所以在顯示模塊中選擇小尺寸液晶屏來降低能耗,另外OCM12864-9的正常工作電壓為3.3V,正好可以和CC2430核心板公用一個供電系統,另外128×64點陣顯示效果良好,足以很好的實現本系統的信息顯示。


     
      3 系統軟件設計 
      本系統軟件設計采用模塊化的設計方法,整個程序包括主程序(匯聚節點、檢測節點)、系統自檢及初始化程序、A/D轉換子程序、顯示子程序等。所有的程序均采用C語言編寫。該文只介紹匯聚節點以及檢測節點程序設計思路。 

      3.1 匯聚節點程序設計 
      系統上電后,首先進行系統自檢,對系統的硬件進行檢測,如有問題,發出警報提示硬件出錯;自檢通過后,單片機系統首先重新設置堆棧指針SP,設置定時器、外部中斷以及串行口的中端優先級,對定時器以及串行口的工作方式進行設置等;然后,CC2430芯片進行能量掃描,建立網絡,允許其他節點加入無線互聯網絡;建立網絡后,開始喚醒檢測節點,接收瓦斯節點上傳的數據,并進行處理,同時把各節點數據上傳到應用層計算機。程序框圖如圖5所示。
     

      3.2 檢測節點程序設計 
      瓦斯檢測節點程序流程圖如圖6所示。瓦斯檢測節點初始化完成后,節點處于休眠狀態,以節省電能,微處理器停止工作,無線模塊處在低電流的待接收狀態。匯聚節點或相鄰節點發出命令后,節點自動喚醒休眠狀態,進入工作狀態,開始采集瓦斯濃度,同時判斷瓦斯濃度是否超限,如超限,則發出報警信號并上傳瓦斯濃度信息,然后再進入休眠狀態。



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