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