摘要：基于智能化的無線傳感器網絡無可比擬的優勢，本文介紹了無線傳感器網絡技術應用于煤礦瓦斯監控系統中，設計了以CC2530為核心的中心節點和采集節點。通過傳感器全方位地對瓦斯濃度數據參數進行采集，把采集到的數據信息進行相應的處理和傳送，然后進行預警。操作人員通過上位機顯示所需井下的瓦斯濃度等信息參數，實現這些參數的監控、查詢、打印，并通過互聯網和上級部門保持通信。

1.引言

近年來，由于礦井內的瓦斯濃度超限所致，煤礦重大、特大瓦斯爆炸事故時有發生，造成了巨大的經濟損失和人員傷亡。因此，給礦井安裝煤礦監控系統，做好礦井內的瓦斯濃度監測工作就變得尤為重要。把無線傳感器網絡技術應用于煤礦監控系統，突破了鋪設電力線的局限性。

無線傳感器網絡中的中心節點(接收節點)和采集節點以CC2530為核心。中心節點通過以太網和上位機進行通信，接收上位機發來的指令信息，再通過無線傳輸的方式把該信息發送給采集節點。把采集節點安裝在希望監測瓦斯濃度的地方，該節點實時進行該處瓦斯濃度的采集和換算，并通模糊PID控制算法實現該節點附近瓦斯濃度的控制，該節點接收到中心節點(接收節點)通信命令后，把采集到的瓦斯濃度信息發送給中心節點。如果瓦斯濃度超限，接收節點發出聲光報警，提示作業人員停止正在進行的工作，疏散工人，達到安全生產的目的。提升了煤礦瓦斯監控系統的實時監控和預警能力，為煤礦安全生產提供了非常有力的保障。

2.系統總體方案

本著性能可靠、造價低、功耗低、效率高等一些基本原則，給出本系統的整體結構設計。煤礦井上監控中心為了獲取所需要的監控數據信息，和井下通過光纖連接進行以太網通信。在礦井下面使用無線傳感器網絡技術和控制技術，無線傳感器技術來實現瓦斯濃度的實時監控，控制技術使用智能控制技術控制瓦斯濃度大小，確保瓦斯值在安全的生產范圍，實現瓦斯濃度的智能化控制[1]。如圖1所示

圖1

在煤礦井下用無線通信技術組成了無線傳感器網絡[2]，煤礦監控系統包括地下傳感器節點、無線網關節點、有線骨干網、監控中心。

3.無線傳感器網絡節點的設計

通信芯片的選擇，經常考慮的是Freescale公司的MC13192/MC13193無線收發器，TI公司的MSP430，ATmega128L這兩種無線收發器都需要外接處理器。經過綜合考慮分析，選擇了TI公司生產的CC2530[3]，30結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051CPU，系統內可編程閃存，8-KBRAM和許多其它強大的功能。CC2530有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB的閃存。CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統。運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能源消耗。

3.1無線傳感器網絡采集節點系統框圖

采集節點由CC2530主控芯片、電源管理模塊、復位電路、瓦斯濃度采集前端、電磁閥驅動電路和CC2591功率放大電路組成。如圖2所示

圖2

采集節點通過瓦斯參數采集傳感器進行瓦斯濃度的采集，并通過無線傳輸模塊把采集到的數據發送給中心節點；同時還通過智能控制中的模糊PID控制算法，根據瓦斯濃度實現電磁閥的控制，如果濃度過大打開電磁閥，把瓦斯氣體排出井內，反之，關閉電磁閥。從而把瓦斯濃度大小控制在安全的生產范圍內。

僅采用CC2530的RF模塊傳輸，不能達到傳輸距離的要求，為了解決功率放大的問題，我們使用了TI公司的2.4GHz的射頻前端芯片CC2591來提高無線通信部分的發射功率，進一步改善了其發射和接收靈敏度，從而延長通信距離。

3.2無線傳感器網絡接收節點的系統框圖

接收節點由CC2530主控芯片、電源管理模塊、復位電路、以太網通信模塊、聲光報警和CC2591功率放大電路組成。如圖3所示

圖3

用戶往往通過串口獲得中心節點匯聚的數據。如果現場安裝多個中心節點，用串口發送到監控中心的話，則需要串口服務器進行轉換，增加中間設備，增大調試成本。如果中心節點把采集節點發來的數據，直接通過以太網的方式發送給監控平臺，則就可以省去串口服務器。但CC2530受處理器速度和內存限制，無法運行TCP/IP協議。由于網絡芯片ENC28J60在硬件在實現了TCP/IP協議，CC2530可以通過該網絡芯片實現聯網。

4.無線傳感器網絡集節點的硬件實現

4.1采集節點的硬件實現

無線傳感器網絡的采集節點主要電源管理模塊、復位電路、瓦斯濃度采集前端、電磁閥驅動電路和CC2591功率放大電路組成。下面主要介紹一下瓦斯濃度采集前端、電磁閥驅動電路和CC2591功率放大電路的實現方式。

4.1.1瓦斯濃度采集前端

礦井下的瓦斯濃度的采集采用MJC4/3.0L瓦斯濃度傳感器[4]，探頭內裝有載體催化元件。當探頭氣室內無瓦斯氣體時，電橋處于平衡狀態沒有信號輸出。當瓦斯氣體進入氣室后，電橋會失去平衡而輸出一個與瓦斯濃度成正比的檢測電信號。由于監測信號的值比較小，只有mV級大小，所以要經儀表放大器AD623進行放大，然后再送入CC2530微處理器的P0_0模擬通道進行A/D轉換。CC2450微處理器將經過運算后的數據通過RF射頻模塊進行無線傳輸。

圖4

由于瓦斯傳感器MJC/3.0L的輸出是模擬量信號，經放大器放大號，還需要經A/D轉換電路進行模數轉換。由于CC2530本身內部帶有12位模數轉換電路，可直接把采集到的模擬量信號進行轉換，通過DMA模式把轉換的結果直接寫入內存控制器。

4.1.2電磁閥控制電路

礦井下瓦斯濃度會隨開采區域的礦大和加深，高的瓦斯濃度會對礦井下作業的工作人員造成生命威脅，確保瓦斯濃度在安全的生產范圍內才能保證礦工的工作環境。這就要求必須時刻準備著能把瓦斯氣體排出井內。CC2530采用模糊PID控制對電磁閥的開合進行控制，電磁閥閉合，抽排泵進行工作，把井內的氣體排出礦井，電磁閥斷開，抽排泵停止抽排工作。電磁閥控制電路如圖

4.1.3無線傳輸的功率放大電路

圖5

只用CC2530芯片難以實現所要求的通信距離，為了增大通信距離，滿足更長距離的通信，我們在CC2530的基礎上增加功率放大器CC2591，極大地改善了無線傳感器網絡的無線傳輸距離和通信性能。功率放大電路如圖5所示。

4.2中心節點的硬件實現

無線傳感器網絡接收節點在發送節點的基礎上增加了以太網通信電路和聲光報警模塊，接收節點不需要再測瓦斯濃度值，所以去掉了瓦斯參數采集前端。電源管理模塊、CC2530通信和CC2591功率放大的外圍電路和接收節點相同，這里將不再重復介紹。

4.2.1以太網通信接口設計

無線傳感器網絡接收節點不僅接收由上位機發來的地址指令，還將接收到的數據信息通過以太網上傳給上位機進行顯示。芯片CC2530和以太網控制器ENC28J60連接構成以太網通信接口，把TCP\IP協議棧移植到CC2530上，同時與ZigBee協議棧協同運行。

圖6

4.2.2聲光報警模塊

在實際電路中采用了鳴音報警和閃光報警的結合使用，組成了聲光報警，其電路非常簡單可靠，隨著發光二極管的閃爍蜂鳴器發出特定的響聲，二者同時作用于人的視覺和聽覺器官，更加容易引起人們的注意。如果有一些緊急狀況發生，如礦井下瓦斯濃度超限，監控中心把報警信息通知給礦工，礦工可以及時采取必要措施。聲光報警電路如圖7

圖7

5.模糊瓦斯控制器的設計

5.1瓦斯濃度模糊PID控制器的設計

1）瓦斯濃度模糊控制器的結構

在模糊控制器[5]的設計中，通常選用被控制量及其誤差變化率作為輸入，所以本系統中模糊控制器的輸入信號是瓦斯濃度值E和瓦斯濃度值的變化率EC，輸出控制量U，即對電磁閥斷開和閉合時間的控制。

瓦斯濃度模糊控制器的結構框圖如圖8

圖8

2）輸入輸出變化量的模糊化

模糊化設計有兩個重要方面的內容，一方面是模糊化等級的劃分和模糊語言集的表示，另一方面是選擇合適的隸屬度函數。二者需要解決不同的問題，前者是要解決在語言變量論域中模糊量的個數的選取問題，后者則需要解決模糊量隸屬度函數的形狀問題。

（1）輸入量模糊化的處理

瓦斯濃度偏差E的變化可劃分為9個等級，濃度偏差E的論域取為{-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4}，將偏差E分為5個模糊集，其模糊語言集可表示為{NB,NS,ZE,PS,PB}，用語言變量可描述為{負大，負小，零，正小，正大}。

（2）輸出量模糊化的處理

控制量U為電磁閥斷開和閉合的時間變化，控制量U的模糊論域取為{-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4}，對應的模糊語言集可表示為{NB,NS,ZE,PS,PB}，模糊集的語言變量描述為{負大，負小，零，正小，正大}。

（3）模糊控制規則的設計方法

專家、現場熟練操作人員或者現場技術人員在工作中獲得了大量的工作經驗，如果將這些經驗加以總結和描述成模糊條件語句的集合，這些條件語句就是模糊控制規則。模糊控制器的輸出量使系統輸出響應的動態和靜態特性能夠同時達到最佳狀態，這是確定模糊控制規則所依據的原則。

根據模糊規則，編寫Matlab仿真程序，通過Matlab仿真，得出模糊控制的動態仿真圖

圖9

6.結論

結合當前發展比較快的無線傳感器網絡技術，對礦井基于無線傳感器網絡的瓦斯監控系統進行了研究和設計。據無線傳感器網絡的星型結構，設計了無線傳感器網絡的中心節點（接收節點）和用于采集瓦斯濃度的采集節點。這些節點采用智能化程度高，且配備有RF射頻模塊的單片機方案，節點之間通過RF模塊進行通信。無線傳感器網絡采集節點通過瓦斯傳感器采集瓦斯濃度，并用RF射頻模塊把采集到的信息發送給接收節點，接收節點將收到的瓦斯濃度進行計算、分析，然后分別通過數碼管和上傳給上位機進行顯示，如果濃度過大，還進行聲光報警提示，及時疏散人群。無線傳感器網絡的采集節點還設計了控制部分，控制方式采用模糊PID，通過模糊PID算法，控制電磁閥的開合對礦井內的瓦斯濃度進行控制，以達到安全生產，實現煤礦瓦斯監控系統的智能化控制。

參考文獻

[1].基于PLC的礦井局部通風機瓦斯濃度智能控制系統研究[D].西安科技大學,2014.

[2].李玉株,肖江.基于無線傳感器網絡的野生動物生存環境監測節點硬件設計[J].江蘇農業科學,2012,40(5):339-342.

[3].楊志剛,孟立凡,徐青.甲烷濃度檢測的無線傳感器網絡節點設計[J].儀表技術與傳感器,2014,(6).

[4]任豐原,黃海寧,林闖.無線傳感器網絡[J].軟件學報,2003,14(7):1282-1291.

[5].李洪興.模糊控制器與PID調節器的關系[J].中國科學,1999,29(2).