一種低功耗的無(wú)線瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
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瓦斯事故一直是煤礦安全生產(chǎn)的主要威脅。雖然近些年來(lái)，瓦斯監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷發(fā)展，但瓦斯爆炸事件仍頻頻發(fā)生。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均是采用有線連接方式，具有很大的局限性。由于傳感器采用有線連接，這使其主要被限制在主礦道中應(yīng)用。而在高瓦斯?jié)舛鹊牟擅汗ぷ髅嫣?，由于煤礦的不斷開采，工作面各種大型設(shè)備需要不斷地推進(jìn)，設(shè)備之間的相互位置也不斷地發(fā)生變化，有線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)不能及時(shí)跟進(jìn)礦道的變化，從而造成監(jiān)測(cè)盲區(qū)。將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于瓦斯安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，與現(xiàn)有有線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，構(gòu)建一個(gè)更為全面的井下瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將有助于改善目前瓦斯監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中存在的問題。
在這樣的系統(tǒng)中，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用電池供電，其能量十分有限。然而常用低功耗瓦斯傳感元件的功耗高達(dá)數(shù)百mW。如何降低節(jié)點(diǎn)能耗是無(wú)線瓦斯監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)所要解決的關(guān)鍵問題。
1 硬件電路設(shè)計(jì)
表1列出了目前常用低功耗瓦斯傳感元件及其主要指標(biāo)。從表中可以看出，常用低功耗瓦斯傳感器的功耗都在100mW以上，這對(duì)于由電池供電的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)是非常不利的。而且表中所列傳感元件都有一定的響應(yīng)時(shí)間，即傳感元件供電后，需要等待其響應(yīng)一段時(shí)間，才能正確地反映瓦斯?jié)舛刃畔?。較長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間限制了無(wú)線瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)每次采集數(shù)據(jù)時(shí)的工作時(shí)間不能太短。例如，TP-1．1A非加熱甲烷氣體傳感器的響應(yīng)時(shí)間接近20 s。如果瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)采用該傳感元件，當(dāng)其采集一次數(shù)據(jù)時(shí)，從給傳感器供電開始，前20 s采集數(shù)據(jù)是沒有意義的，因?yàn)檫@時(shí)傳感元件處于響應(yīng)階段，其電壓值不能準(zhǔn)確地反映實(shí)際瓦斯?jié)舛刃畔?。因此每采集一次?shù)據(jù)，給傳感元件供電的時(shí)間至少持續(xù)20 s以上。對(duì)于如此高功耗的傳感元件來(lái)說(shuō)，采集一次數(shù)據(jù)所消耗的能量是非常巨大的。這使得所設(shè)計(jì)的無(wú)線瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間過短，以致不能達(dá)到實(shí)用化要求。
在無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中，還存在一個(gè)問題，即傳感元件的工作電壓與節(jié)點(diǎn)電路中微處理器及無(wú)線收發(fā)電路工作電壓不一致。如果節(jié)點(diǎn)中不同模塊的供電電壓不同，則電路需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。而不同電壓的轉(zhuǎn)換將會(huì)增加電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，從而使得節(jié)點(diǎn)能耗增加。
評(píng)論