基于ZigBee技术的矿井工作面移动式瓦斯监测

1 引言
      矿井瓦斯主要是在开采过程中溢出的，因此矿井工作面瓦斯含量最大，由于工作面工作条件十分恶劣，至今没有设置瓦斯监测装置。

      只是在回风巷设置了固定式瓦斯探头。本文利用无线传输最新ZigBee技术研制出用于矿井人员携带或机载的移动式瓦斯传感器，将工作面的瓦斯值传输到工作面端头的瓦斯监控系统中，从而实现瓦斯源头的实时监测。本系统由移动式瓦斯传感器与矿井瓦斯监控分站以及地面中心组成，其设计遵循煤矿安全生产规程的有关规定执行。

      2 系统组成

      本系统设计由移动式瓦斯传感器、矿井瓦斯监控分站、地面中心三部分组成。

      其中，移动式瓦斯传感器采集瓦斯信号，经过微弱信号放大电路，A／D转换后由单片机存储管理其数据。传感器采用定时输出、无线电发送方式。其核心电路由检测桥路、放大电路、单片机、2.4 GHz发射电路组成。该传感器有两种供电模式，当装置放置在采煤机上时由采煤机电源转换后的直流电源供电；当由矿井工作人员便携时，则由矿灯电源供电。传感器将瓦斯信息从采掘点传输到矿井回风巷的端头。在回风巷端头设有瓦斯监控分站。

      监控分站包括电力负荷控制和电子监控电路。监控分站的核心是嵌入式电路，该嵌入式电路外接2.4 GHz的传输模块，实现无线信号的搜集与处理。当瓦斯超限时能够发出控制信号，该控制信号控制声光报警器发出报警信号，也可以控制工作面的供电系统，实施断电。该电路还能实现电力负荷的监测功能。

      遍布整个矿井的网络监控站的信息可以传到地面中心。地面中心的主要任务是实时显示各个监控点的瓦斯信息，供矿井调度实施生产指挥与调度。其系统原理框图如图1所示。

    2.1 MC9S08GT60简介

      MC9S08GT60是Freescale公司生产的低成本、高性能HCS08八位MCU，包括可快速执行调试和开发的新的指令．同时向下兼容M68HC08系列指令。它与M68HC08最大的不同在于内嵌了一套板载硬件调试工具，可以通过背景调试控制器(BDC) 进行设计。MC9S08GT60具有片内在线编程Flash存储器支持块保护和保密设定、8通道10位模数转换器、串行外设接口模块、I2C总线支持100 kb／s传输速率等特性，这些都使其在相关电子领域具有广泛的应用。

      2.2 MC13192简介

      MC13192是Freescale公司生产的支持IEEE-802.15.4．协议标准的短距离、低功耗传输平台，支持星型和网型网络，仅需要2.0 V～3.4 V的电压，16个通信通道，最大输出功率为3.6 dBm，内置接收、发送RAM，每个5 MHz通带内都采用OQPSK传输250 kb／s数据。支持3种工作模式，省电，最低能接收电平-92 dBm，可为MCU提供时钟。MC13192可通过SPI接口与MC9S08GT60连接，从而组成一个低成本、高效能的监控传输平台。其传输功耗仅为1.0 mW，适用于在煤矿中建立一个本质安全型的监测平台。

      2.3 MC9S08GT60与MC13192连接

      MC9S08GT60与MC13192连接原理图如图2所示。MC9S08GT60与MC13192通过SPI技术建立连接，MC13192同时为MC9S08GT60提供时钟。MC9S08GT60的PTB口作为外部器件接口，引脚PTB6、PTB7为模拟串口，通过74164驱动5个LED显示，引脚PTB3作为瓦斯浓度模拟输入端，通过程序设定进行A／D转换。同时将转换后的结果分别送MC13192调制发射及LED显示。