· 42 ·8 2018 年 年 3 3 月 02 能源科学 自然科学 煤矿瓦斯无线传感监测系统设计分析 龙芃君 中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400039 摘要：针对当前煤矿安全生产对瓦斯浓度监测的需要，采用近红外光谱分析技术结合先进的 RFID 无线通信技术，设计了一款煤矿瓦斯无线实时监控系统，该系统具有检测精确度高、工作稳定、组网方便等优点。系统的工作性能能够达到采矿过程的需要，能够有效完成对煤矿瓦斯气体浓度的实时监测的目的。 关键词：煤矿；瓦斯；无线传感；检测系统；设计 中图分类号：TK262 文献标识码：A 文章编号：1671-5578（2018）02-0042-02 1 引...
42 8 2018 年 年 3 3 月 02 能源科学 自然科学 煤矿瓦斯无线传感监测系统模块设计分析 龙芃君 中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆 400039 摘要：针对当前煤矿安全生产对瓦斯浓度监测的需要，采用近红外光谱分析技术结合先进的 RFID 无线通信技术，设计了一款煤矿瓦斯无线实时监控系统，该系统具有检测精确度高、工作稳定、组网方便等优点。系统的工作性能能够达到采矿过程的需要，能够有效完成对煤矿瓦斯气体浓度的实时监测的目的。 关键词：煤矿；瓦斯；无线传感；检测系统；设计 中图分类号：TK262 文献标识码：A 文章编号：1671-5578（2018）02-0042-02 1 引言 瓦斯是造成煤矿安全事故的重要原因之一，其带来的危害不仅会导致井下生产中断，更会威胁井下工人的生命安全。目前，对瓦斯的检测还停留在静态接触式检测的新方法上，经过测量钻孔的排粉量、瓦斯喷出速度和压力等系数对瓦斯爆炸事故进行前期预测。这一些方法不仅需要大量的专业设备，而且探测灵敏度低、测量误差大、组网复杂、预测的可靠性较差。近红外光是指可见光与中红外光之间的波长介于 750～2500nm 之间的一种电磁波。近红外检测技术是以近红外光的吸收定律为基础，当近红外光照射到物质表面时，由于组成物质的化学键不同，因此将产生不同特征波长的吸收，吸收度的多少与各化学键的含量有着密切的关系。 本设计利用瓦斯气体在 1340nm 处的强吸收峰，结合化学计量学方法实现对瓦斯浓度的检测，并且采用 FPGA 设计主控系统，完成瓦斯检测指标的远程无线检测。实验根据结果得出，采用该方法实现的瓦斯检测网络具有测量误差小、系统稳定性高、应用灵活方便的特点。 2 近红外检测原理 近红外光(NIR)是一种介于中红外光(MIR)与可见光(VIS)之间的电磁波，主要是由于分子振动的非谐振分子振动从基态向高能级跃迁时产生的，具有较强的穿透能力近红外光谱是一种快速、绿色、无损的检测技术，已大范围的应用于农副产品和工业中。 表 1 检测值与真实值比较 由比尔一朗伯(Beer-lambert)定律，假定瓦斯气体在波长处存在吸收峰。则有透射光强度 式中：I 0 （）是入射光强度；I（）是透射光强度；a（）为在波长处的吸收系数；c 为待测瓦斯浓度。 实验中采用纯度为98％的CH4气体模拟建立瓦斯气体浓度的检测模型，并设立 12 个样本作为验证集对建立的瓦斯气体浓度模型做验证。根据结果得出采用偏最小二乘法建立的瓦斯气体浓度检测模型最优。结果如表 1 所示。 对比 12 组验证集数据，实验根据结果得出近红外瓦斯无线检测系统检测误差小，绝对误差最大不超过 0.2%，并且具有较高的检测灵敏度，能够实时准确地检测出瓦斯气体的浓度。 2.1 近红外瓦斯无线传感系统设计 近红外光谱瓦斯无线探测传感器网络结构如图 1 所示。系统主要由近红外探测器、数据处理模块、主控制器、无线传感网络、上位机和显示报警等部分所组成。 图 1 系统原理框图 近红外探测器把经过瓦斯气体吸收后的近红外光信号转换为电信号，经数据处理模块采样量化处理得到瓦斯浓度指标，并由主控制器控制的 A/D 转换芯片转化为数字信号送入主控制器，控制无线发射芯片将数据来进行发送，上位机实现实时显示和报警的功能。 2.2 近红外探测器 近红外探测器采用单光程双波长方式，光源 IRL718 经过 8Hz 的方波脉冲调制后发出的光通过瓦斯气体吸收后．由滤光片选择 1340nm 和 1980nm 波长处的光强进行采集将采集到的光强信息经模型匹配得到瓦斯气体浓度值近红外瓦斯探测器的结构如图 2 所示。 图 2 瓦斯气体浓度值近红外瓦斯探测器的结构图 2.3 数据处理与主控部分 光谱信号放大部分采用共模差分放大电路，有利于提高共模抑制比和系统的探测灵敏度。近红外探测器输出的电信号经过自带的放大电路放大后，输入到差分放大电路进一步放大，然后由 A/D 采集芯片 AD9224 分别对采集到的光谱信号进行模数转换，送到数据处理单元对瓦斯值进行定量分析，其中数据处理单元由主控制器 FPGA 内部的 IP 核完成对光谱信息的分析处理。主控制器采用 PicoBlaze 处理器架构。PicoBlaze 软核是赛灵思公司推出的一种执行率高、资源占用率低的片上 8 位 RISC（精简指令集计算机）嵌入式微处理器，已经被专门设计和优化，用于 Xilinx 的 Virtex 和Spartan 系列的 FPGA 器件。 2.4 无线通信网络 无线通信网络采用 RFID 技术和拓扑结构可以进行组网 RFID技术利用 XBee-Pro 无线网络设备，采用 IEEE802.15.4 通信标准．工作频率为 2.4GHz。具有功耗低、体积小、传输距离远以及传输效率高等优点，大范围的应用在终端与主机建立局域网的设备中。另外，由于该无线传输设备具备了体积小的特点，因此本系统将无线通信系统与近红外探测部分集成在一起，使传感器不仅仅具备采集近红外光谱信息的功能，而且还具有数据无线发送的功能。信号采集与数据无线 页）