煤炭监测系统的设计

１数据采集与处理模块

数据采集模块能对各传感器的输入信号进行处理，由于选用的三种气体传感器的输出信号均为电压信号，所以信号进入ＭＳＰ４３０之前需要先经过ＡＤＳ１１００进行模数转换。为了方便用户的使用，数据采集仪还配备了液晶显示屏，可以实现日期、时间、各指标气体浓度、环境温度、设备运行状态等数据的实时显示。另外，用户也可以通过安装在系统面板上的键盘对数据采集仪的采集模式、临界预警值等参数进行设置。

２通信模块

通信模块是实现监测数据无线传输的重要媒介。本系统采用Ｗ３１００Ｇ系列ＧＰＲＳＤＴＵ实现数据采集仪与监控中心的信息传输。ＧＰＲＳＤＴＵ与数据采集仪之间选用串口芯片ＭＡＸ３２３２实现ＴＴＬ电平与ＲＳ－２３２电平的转换。ＤＴＵ内置完整的ＴＣＰ／ＩＰ协议，与监控中心采用“透明模式”进行数据传输。用户只需通过预定义的ＡＴ指令对ＤＴＵ进行设置就能简单快速地接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络完成无线传输。

３系统的软件设计

３．１控制程序设计

控制程序基于ＩＡＲＥｍｂｅｄｄｅｄＷｏｒｋｂｅｎｃｈ编译器平台，代码全部采用Ｃ语言编写，充分考虑用户需求与硬件体系的实际情况，采用模块化程序设计，通过各模块间子程序的调用，使程序更合理，更具有可读性。系统软件主要由以下模块组成：主程序、甲烷浓度采集程序、一氧化碳浓度采集程序、氧气浓度采集程序、温度采集程序、报警程序、实时时钟程序、键盘和ＬＣＤ液晶显示程序、数据接收与发送程序等构成。主程序的设计流程如图２所示。首先对系统各个模块初始化，然后当时钟芯片的中断置位后，程序进入数据采集子程序，该程序会将各传感器采集到的数据存储到２４Ｃ０２芯片中；同时，ＭＳＰ４３０会初次判断采集到的数据是否超过了预警值，如果超过则启动报警子程序。不管数据是否超过预警值，系统都会通过ＧＰＲＳＤＴＵ将采集到的数据上报监控中心，同时根据预设的变量将数据送液晶屏显示。

３．２通信模块设计

由于数据采集仪与监控中心之间的通信采用ＴＣＰ／ＩＰ传输协议，所以为了避免信号传输过程中的干扰，系统采用ｕｎｉｃｏｄｅ编码技术对数据进行定义［６］。根据相关规定，一个完整的数据链应该包括以下６方面，如表１所示。同时为了满足监控中心的查询需求，在数据采集仪与监控中心的通信协议中也规定了实时查询、历史查询以及返回数据等通信格式。

４实验过程与分析

为了验证系统的可靠性，特别是气体传感器的灵敏度和响应性能，在温度为２３．４℃和湿度为２８％ＲＨ的测试环境下分别对ＭＱ－４和ＭＱ－７气体传感器进行了初步测试。已知测试气室的体积为０．５８Ｌ，甲烷标准气体的体积分数为２％，一氧化碳标准气体的体积分数为１００％，则不同浓度的气体配制过程如下：

４．１甲烷气体传感器测试

分别配制了体积分数为０．２％，０．４％，０．６％，０．８％，１％的甲烷气体，利用ＭＱ－４传感器对其进行了多次重复试验。传感器的灵敏度定义为Ｓ＝Ｖａ／Ｖｇ，其中Ｖａ和Ｖｇ分别表示在清洁空气和待测气体中的电压值。测试结果如图３所示。从图３－ａ可以发现，当甲烷浓度为零时，ＭＱ－４传感器的输出电压为０．５６Ｖ（基准电压）。当甲烷的体积分数在０～０．４％的范围内时，传感器的输出电压并不是线性的。当甲烷体积分数高于０．４％时，传感器的输出电压与气体浓度具有很好的线性关系，即体积分数每增加０．２％，相应的输出电压会升高０．１５Ｖ，依据此关系，可以通过输出的电压值估算出环境中甲烷的浓度。图３－ｂ显示了１％体积分数下甲烷传感器的实时曲线，可以看出传感器的响应恢复效果良好。

４．２一氧化碳气体传感器测试

与甲烷气体的测试方法相同，考虑到一氧化碳气体传感器的量程（１０～１０００ｐｐｍ），在实验中分别配制了体积分数为０．０２％，０．０４％，０．０６％，０．０８，０．１％的一氧化碳气体用于ＭＱ－７传感器的实验，测试结果如图４所示。通过图４－ａ的测试曲线可以得到与ＭＱ－４传感器类似的结论，即在空气中ＭＱ－７传感器的输出基准电压为０．６９Ｖ。当一氧化碳的体积分数在０～０．０４％范围时，传感器的输出电压不是线性的，表明此浓度下传感器的测试精度比较低。当一氧化碳的体积分数高于０．０４％时，传感器的输出电压与气体浓度成线性关系，体积分数每增加０．０２％，对应的输出电压会升高０．０６Ｖ，同样可以通过此线性关系实现对一氧化碳浓度的检测。图４－ｂ显示了ＭＱ－７传感器对于０．１％一氧化碳气体的实时曲线测试结果。本文来自于《太原理工大学学报》杂志。太原理工大学学报杂志简介详见

５结束语

煤矿火灾无线监测系统可以实现对诱发煤炭自燃的指标气体（如甲烷、一氧化碳和氧气）的精确检测，结合ＧＰＲＳ无线数据传输以及监控中心的组态软件，实现了对煤矿井下环境的实时监控。该系统功耗低、检测精度高，通信可靠，能够有效避免煤矿自燃事故的发生，保证井下工人作业环境的安全，具有良好的应用前景。

作者：邓霄 刘笑达 程鹏 张建国 单位：太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部和山西省重点实验室 物理与光电工程学院 

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