0 引言

　　煤矿井下瓦斯浓度突出会严重威胁工作人员的生命安全,对矿井瓦斯浓度进行监测可以及时了解井下的瓦斯含量，避免安全事故的发生。传统的瓦斯监测多采用有线监测的方式，由于井下巷道复杂，布线施工难度大，不易于维修，实际应用效果并不理想[1]。本文提出了一种基于ZigBee的瓦斯监测系统，利用ZigBee强大的自组网能力[2]在井下巷道中组成一个ZigBee无线网络，将瓦斯检测终端安装在各个监测节点上，利用ZigBee网络完成井下通信，通过以太网将数据传送到地面监控软件中，实现煤矿井下瓦斯的实时监控。

1 系统组成

　　矿井瓦斯监控系统由地面上位机监控软件和井下数据采集系统两部分组成，如图1所示。矿井各巷道中分布着瓦斯信号采集终端，采集终端将采集到的数据传输到由ZigBee模块构成的无线通信网络中，ZigBee协调器节点将所有数据汇集，通过以太网发送到上位机监控软件。上位机监控软件可以实时显示各个监测节点的瓦斯浓度，数据实时写入到数据库中，当瓦斯浓度超限时发出声光报警，并将报警信息以短信的形式发送到管理人员的手机上。

2 瓦斯检测原理

　　瓦斯检测采用恒温检测方法，即通过改变催化燃烧元件供电的电流值使元件表面温度保持恒定。当瓦斯浓度升高时，催化元件表面温度升高，通过闭环反馈回路减小电流值以保持元件温度恒定，通过测量电流变化量来实现瓦斯浓度的检测。催化燃烧元件的静态热平衡方程[3]：

　　式中I为元件工作电流，r为元件阻值，为瓦斯氧化燃热系数，为瓦斯体积分数，为热传导系数，S为元件面积，t1为元件温度，t0为环境温度，A为辐射系数，?滓为角系数。

　　在恒温检测中，由于采取闭环系统，催化元件温度t1不变，环境温度t0不变，式(1)右边不变，记为Q。当空气中瓦斯浓度为0时，催化元件的工作电流记为I0，Ir=Q。空气中有瓦斯时，催化元件的工作电流记为I：

　　由式(2)可知：

　　催化元件的供电电源选择脉冲宽度可调的直流电流源，脉冲电流的有效值为：

　　式中Im为脉冲电流的幅值，T为脉冲电流的周期。由式(3)、(4)可知瓦斯的浓度与电流的大小成线性关系。脉冲电流的大小与占空比成比例关系，故瓦斯浓度与占空比成线性关系。所以可以通过测量占空比来获得瓦斯浓度的大小。

3 硬件电路设计

　　瓦斯信号采集终端结构图如图2所示，由主控器模块、瓦斯检测模块、数据存储模块、声光报警模块、显示模块、ZigBee终端节点、电源模块7部分组成。

3.1 瓦斯检测模块设计

　　瓦斯检测电路采用恒温检测方法，电路结构图如图3所示，主要由锯齿波发生电路、电压比较器、惠斯登检测电桥、信号放大电路、稳幅电路、直流脉冲电流源6部分组成。

　　瓦斯传感器选择MJC4/2.5L 型催化元件，通过惠斯登电桥获取催化燃烧元件输出的不平衡电信号Ue，由于信号比较小，采用LM358设计了三级运算放大电路，输出的电压信号Ub与锯齿波Ua相比较之后输出脉冲信号Ud。脉冲信号Ud经由TL431设计的稳幅电路处理之后幅值稳定，直接驱动直流脉冲电流源，使电源工作在间歇状态，为催化燃烧元件供电。将稳幅电路输出的脉冲信号送入单片机的外部中断口测量占空比，便可获得瓦斯的浓度。

　　锯齿波发生电路如图4所示，采用NE555定时器组成无稳态多谐振荡器，依靠电容C1的充放电过程，由射极跟随器输出锯齿波，同时通过电容C3正反馈到R2上端，提高了锯齿波的线性度[4]。调节电阻R1、R2，电容C1的值使锯齿波的频率为1 kHz。

　　直流脉冲电流源采用运算放大器和三极管设计，图5为直流脉冲电流源电路图。稳幅电路输出的电压Ug与采样电阻R12上的反馈电压通过运算放大器比较之后驱动三极管，形成了负反馈回路。

3.2 主控器及其他模块设计

　　主控器选择TI公司生产的低功耗MSP430F5438A单片机。为防止数据掉电丢失，采用存储器芯片AT24C16设计了数据存储模块。当检测到瓦斯浓度超过设定的瓦斯上限时，单片机驱动由三极管、蜂鸣器、高亮度LED组成的声光报警模块动作。供电采用7.2 V锂电池，配有3.3 V、5 V稳压电路。显示模块采用TFT触摸屏，设计触摸屏显示界面，人机界面友好，便于操作。

4 ZigBee无线网络设计

　　ZigBee无线网络主要由终端节点、路由节点、协调器节点组成[5]。

　　采集终端节点分布在井下回风巷道及工作面各瓦斯监测节点上，采用TI公司生产的CC2530芯片。CC2530芯片主要包含CC2530RF收发器、8051微控制器内核、内存，集成了丰富的片上资源。ZigBee的终端节点通过TXD、RXD、GND分别与瓦斯信号采集终端的主控器的RXD、TXD、GND连接，即可将该节点组进ZigBee网络中。由于ZigBee在井下的通信距离比较短，数据传输需要增加路由器子节点将数据依次转发最终传送到协调器节点上。路由器子节点选择CC2530芯片。ZigBee协调器节点负责管理整个无线网络，将各采集终端节点的数据汇集并通过工业以太网传输到地面监控系统中。

5 软件设计

　　系统的软件设计分为上位机监控软件和下位机软件两部分。上位机软件采用NI公司的LabVIEW 2009[6]平台开发，采用图形化的编程语言，简单方便。上位机软件主要完成基本参数设置、不同监测点的瓦斯浓度实时显示、瓦斯浓度超限报警、数据库存储、报警短信通知功能。

　　下位机软件包括瓦斯信号采集终端程序设计和ZigBee组网程序设计两部分。图6为瓦斯信号采集终端主程序流程图。瓦斯信号采集终端通过采样定时器定时采集数据，经过处理之后将瓦斯浓度显示，若出现浓度超限则发出报警信号，通过串口将数据发送到ZigBee网络中。图7为ZigBee组网程序流程图。采用ZigBee的Z-Stack协议栈[7]编写程序，简单方便。

6 测试及结果

　　采用上述方法设计的瓦斯检测装置在实验室进行了性能实验。5个瓦斯监测终端装置，分别放入标准浓度为0.5%、1%、2.0%、3.0%、4.0%的密闭实验装置中，表1为某一时刻的瓦斯监测数据。为验证系统的可靠性，设定瓦斯报警限度为2.5%，试验发现：1、2、3号装置未发出报警信号，4、5号装置均发出声光报警信号。为测试ZigBee无线通信网络的通信能力，在实验楼道模拟井下巷道情况在多个房间内组建ZigBee网络进行实验，测试结果如表2所示。

　　通过多次实验测试发现，瓦斯检测的相对误差低于2.5%，可以准确地测量到瓦斯的浓度。实验发现ZigBee无线通信网络在通信距离越远数据的丢包率越高，50 m为最佳通信距离，数据传输正确率高，符合煤矿井下巷道对通信的要求。

7 结语

　　本文采用了恒温检测方法实现了瓦斯信号的采集，利用ZigBee技术组建了井下瓦斯监测无线通信网络，实现了对井下各点的瓦斯数据的监测，系统具有监测精度高、通信可靠、易于扩展、安全性高的特点，适合在矿井下使用，有很强的实用价值。

参考文献

　　[1] 王海斌，邵广贤.基于ZigBee的瓦斯检测节点的设计与研究[J].煤矿机械，2014，35(5)：233-235.

　　[2] 朱红梅，惠晓威.基于物联网的智能瓦斯监测系统[J].仪表技术与传感器，2012(10)：70-72.

　　[3] 刘志存.催化元件变流检测矿井瓦斯[J].传感器技术，2003，22(11)：24-26.

　　[4] 徐伟，行鸿彦.基于555定时器的高线性度锯齿波发生器[J].仪表技术与传感器，2006(7)：39-40，50.

　　[5] 王晨辉，孟庆佳.基于PIC32和ZigBee的地质灾害监测系统设计[J].电子技术应用，2014，40(2)：68-70.

　　[6] 卢志燕，李如江，刘高健，等.基于ZigBee和LabVIEW的矿井监测系统设计[J].煤矿机械，2014，35(3)：200-202.

　　[7] 白成林，马珺.基于物联网技术的智能路灯监控系统[J].电子技术应用，2014，40(3)：82-85，89.