煤礦瓦斯報警無線傳感器網絡節(jié)點設計與實現(xiàn)

　　把無線傳感器網絡應用到煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中，通過各種傳感器實時采集礦井的環(huán)境信息，由嵌入式系統(tǒng)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(jiān)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(yōu)點。本文設計并實現(xiàn)了煤礦瓦斯報警無線傳感器網絡的節(jié)點系統(tǒng)。

　　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(jié)點群、接收發(fā)送基站、互聯(lián)網和監(jiān)控終端構成[2～3]。由多個瓦斯傳感器網絡節(jié)點在礦井內形成自組網，某個節(jié)點的采集數據可以通過多跳中繼方式發(fā)送到井外接收發(fā)送基站，再通過串口發(fā)送到本地或遠程PC機上，實現(xiàn)實時監(jiān)控。瓦斯傳感器網絡節(jié)點作為整個網絡的基本組成部分，不僅能夠進行瓦斯?jié)舛?、溫濕度信號的采集處理，還能夠在節(jié)點之間組網，進行節(jié)點定位和無線收發(fā)。節(jié)點系統(tǒng)提供信息的本地液晶顯示。

　　2 瓦斯傳感器網絡節(jié)點硬件系統(tǒng)設計

　　瓦斯傳感器網絡節(jié)點系統(tǒng)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(fā)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?jié)舛鹊姆绞接泄飧缮?、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?jié)舛茸兓瘯r檢測元件電阻值改變，影響電橋平衡，從而可以檢測環(huán)境中瓦斯?jié)舛茸兓?/P>

　　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(tǒng)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(tǒng)采用電池供電，電壓不夠穩(wěn)定，因此采用輸出電壓可通過電阻R2調節(jié)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。