甲烷气体浓度多点监测系统的研究与应用_孙黎波.pdf

2082023 年第 5 期收稿日期 2022-10-17作者简介 孙黎波（1989），男，湖南桃园人，2016 年毕业于太原理工大学机械工程专业，专科，助理工程师，研究方向：机电工程。孙黎波：甲烷气体浓度多点监测系统的研究与应用孙黎波：甲烷气体浓度多点监测系统的研究与应用甲烷气体浓度多点监测系统的研究与应用孙黎波（西山煤电大数据中心，山西 太原 030053）摘 要 针对甲烷气体浓度多点变化的问题，以 TDLAS 检测气体浓度原理为依据搭建仿真系统，通过洛伦兹线型的气体吸收函数进行试验分析。基于 ZigBee 无线传输技术设计多个节点，并将监测点与上位机建立通信，实时上传并反馈甲烷浓度数据，掌握井下情况。为了测试平台功能的稳定性及实用性，通过现场仿真，模拟 100 个监测节点的状态。结果证明，甲烷气体浓度多点监测系统有很强的实用价值，能有效提高矿井的安全性。关键词 甲烷气体浓度；多点监测系统；ZigBee 无线传输技术中图分类号 TD712+.3 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.05.066Research and Application of Multipoint Monitoring System for Methane Gas ConcentrationSun Linbo(Xishan Coal Electricity Big Data Center,Shanxi Taiyuan 030053)Abstract:In view of the issue of multipoint changes in methane gas concentration,a simulation system is built based on the principle of TDLAS detection of gas concentration,and the Lorentz linetype function is used to fit the gas absorption rate.By using ZigBee wireless transmission technology,multiple nodes are designed,communication way between each monitoring point and the upper computer is established,and real-time methane concentration data is uploaded and fed back to grasp the underground situation.In order to test the stability and practicality of the platforms functionality,the status of 100 monitoring nodes was simulated through on-site simulation.The results show that the multipoint monitoring system for methane gas concentration has strong practical value and can effectively improve the safety of mines.Key words:methane gas concentration;multipoint monitoring system;ZigBee wireless transmission technology1 基本概况西山煤电的井下生产环境复杂，延伸面广，气体弥漫在空气中多个点浓度各不相同。随着气体在空气中的流动，各点的浓度也在发生改变。当甲烷气体的浓度高于 5%，低于 16%时，就会发生爆炸。考虑到此安全问题，企业生产中必须严格把瓦斯浓度控制在4%以下1-2。为了保证生产稳定向前推进，监测系统就要具有良好的可扩展性，而随着开采工作的进行，只监测单个点的气体浓度是不能满足当下需求的。要实时监控多个点的甲烷浓度，需设计甲烷浓度多点监测系统。该系统工作前提是要确定甲烷的浓度范围，然后采用高灵敏度的传感器，合理有效地设置传感器的节点。这样既能全面监测井下环境，又能及时有效地反映井下甲烷浓度变化，反馈监测数据。2 TDLAS 直接吸收法仿真根据系统气体的吸收率对系统检测的影响进行仿真模拟，将 TDLAS 直接吸收光谱法运用于气体检测系统。由信号发生、气体吸收、信号接收三个模块搭建仿真系统，通过特定波长的激光穿过气体样品后，对气体吸收率会产生一定的影响。在进行拟合时，气体浓度与光的吸收率之间存在一定的函数关系，直接影响系统检测的灵敏度。合适的吸收线型函数是有效降低成本，提高工作效率的关键。2.1 信号发生模块通过调节电流和温度可以改变半导体激光器输出波长，相比温度调节，电流调节激光器输出波长2092023 年第 5 期孙黎波：甲烷气体浓度多点监测系统的研究与应用孙黎波：甲烷气体浓度多点监测系统的研究与应用的方法更简单准确。通常情况下，在设计 TDLAS气体检测系统时，需要将激光器的温度保持在一个相对稳定的范围，通过电流来调整激光的输出波长，这使得它与待测量的气体的吸收线处于同一频率。当激光的波长由电流控制时，激光器的强度会随着时间的推移而变化。在实际模拟仿真中，我们将不考虑激光的温度效应，仅通过构建一个锯齿波来模拟激光的输出波长。基于真实条件下的激光电流和光强度之间的对应关系，按照正比关系，用同样的波形模拟激光的输出光强度。2.2 气体吸收模块气体监测系统中的气体吸收模块主要是用来吸收激光器所发射的光信号。在实际情况中，气室的大小、密闭性等因素是设计气室时主要考虑的因素3。在搭建仿真模型时，采用洛伦兹线型函数中的气体吸收模块进行简化。2.3 信号接收模块信号接收模块包括信号发生模块与气体吸收模块两部分。TDLAS 的探测灵敏度可以通过气体吸收线性函数来描述，当气体吸收率增大时，系统输入的光强值与气体吸收后的光强值相比，数值相差较大，探测低浓度气体的概率也就增大。2.4 仿真结果将搭建的三个模块连接起来进行仿真，在吸收光程都为 20 cm 的情况下，分别设定不同浓度的甲烷气体，根据洛伦兹线型气体吸收率光谱图进行拟合，结果发现：在吸收线型函数相同时，气体吸收率会随气体浓度的增大而增强，谱线对比图如图1。图 1 洛伦兹线型 CH4气体吸收率由图 1 可知，横轴为时间，纵轴为洛伦兹线型吸收率，图中是扫描了一个周期的锯齿波波形。当甲烷浓度为 0 时，气体吸收率也为 0，当浓度增到210-5、410-5、610-5、810-5和 110-4时，吸收率也从 0 增到 1.410-4。从图中可以看出，波长在中心频率处，气体的吸收率达到最大值。3 多点监测系统总体设计搭建的多点监测网络系统如图 2 所示。图 2 多点监测网络系统总体结构图3.1 无线通信网络设计多点监测网络的通信方式选择采用 ZigBee 技术4，可以满足传输数据量较低，达不到传输速率饱和状态的现状。为了实现 ZigBee 技术在无线网络上的信息传递，在传感器节点设备中要将 ZigBee 协议栈代码嵌入其中。ZigBee 协议栈代码主要包括三部分，即物理层、媒体访问控制层以及网络应用层。在芯片选型方面，经过对多个系列芯片数据的对比，最终选择采用 CC2530 型号的芯片来解决 ZigBee 无线通信网络问题，同时，根据要求去选择星形、树形或网格等网络模式。此外，无线通信网络系统中还包含网络协调器、路由器、终端设备等5。3.2 程序设计在构建 ZigBee 开发环境时，首先要确定编写程序的软件系统，安装并调试好节点驱动程序以及仿真器驱动程序。在编写程序时，基于 IAR 的Workbench 平台，选定 ZigBee 仿真器，确定 2 个ZigBee 程序节点，选择对应的终端和协调器。程序设定后，系统采集的浓度数据通过终端发送给协调器，协调器以此来判断终端的状态，并将信息发送至上位机。图 3（a）为终端程序流程图，图 3（b）为协调器程序流程图。（a）终端程序流程图 （b）协调器程序流程图图 3 程序流程图2102023 年第 5 期在 ZigBee 网络中，所有接入到该网络中的节点都会被赋予一个固定的 IP 网址。整个系统中，只有协调器和终端机可以收发数据。工作原理如下：首先对节点进行初始化赋值，建立通信连接之后，得到协调器为其分配的终端网络地址，然后验证与其对应的识别码，建立协调器与终端的通信，最后获取甲烷浓度数据，并将其传送到主机。在系统开始运行时，协调器与终端将首先以树状的无线拓扑结构连接起来。在收集甲烷气体浓度参数时，协调器会提出一个请求，绑定的终端在接收到这个请求后，随之建立一个通信连接确保节点数据的上传6。4 效果分析将 ZigBee 两个节点之间的串口连接后建立网络，基于 SSCOM32 串口调试软件，通过 ZigBee 节点对数据进行发送和接收试验。在波特率为 9500、数据位为 8、停止位为 1 的参数设定条件下，对 PC机进行访问。结果表明，该控制器具有 COM5 和COM6 两个序列端口，开启两台 SSCOM32 系列调试软件，分别为发送串行接口 COM5 和接收串行接口 COM6。在试验中，发送串行接口 COM5 所输入的信息全部正常被接收串行接口 COM6 所接收。在进行多次试验后，没有发现任何错误，因此可以正常发送。对现场的 100 个节点进行监控和测试，具体操作如下：首先，在系统源代码中将产生的虚拟数据代码植入，对源代码进行编译，设定设备上限为100；然后运行软件，打开串行接口，在不连接系统的条件下，任意点开一个串口，确认设备的 ID和日期，可以查看特定时间范围内所有设备的状态信息。以 ID 为 100 的设备为例，图 4 为设备在一天中的状态曲线。图 4 设备 100 在一天内的状态曲线直到目前测试为止，系统的程序和功能都正常运行，没有出现错误或异常情况，这说明甲烷浓度多点监控平台既能完成实时监测的要求，又能确保监测的稳定性与实用性。为了确保平台的功能，选定一百多个监测节点的环境来仿真试验，最终结果证明，甲烷多点监测系统具有很大的实际应用价值。5 结论1）以 TDLAS 直接吸收法为依据，为了检测甲烷气体的浓度，建立仿真平台，并用洛伦兹线型函数对气体吸收率进行拟合，通过分析得出：气体吸收率与浓度成正比关系。2）通过 ZigBee 无线通信技术，实现了甲烷浓度多点监测功能。通过连接协调器与其绑定的终端设备后，每个节点的数据包可以及时发送到上位机，便于实时监测。为了测试平台功能的稳定性及实用性，模拟了不少于 100 个监测节点的环境，表明甲烷气体浓度多点监测系统有很强的实用价值，能切实提高矿井的安全性。【参考文献】1 李亚超.郭庄煤矿甲烷浓度监测系统的设计 J.机械管理开发，2020，35（12）：240-241+258.2 屈世甲，武福生.基于边缘计算的采煤工作面甲烷监测模式研究 J.煤炭科学技术，2020，48（12）：161-167.3 房文杰.基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的甲烷气体监测研究 J.能源与节能，2020（03）：94-96+98.4 李哲，张志荣，孙鹏帅，等.利用 TDLAS 技术的多点甲烷气体全量程监测J.红外与激光工程，2017，46（09）：243-249.5 卢雨，印新达，于本化，等.基于 TDLAS 的时分复用型甲烷多点监测系统 J.电子测试，2014（23）：42-44.6 秦灿珂.基于 TDLAS 甲烷气体浓度多点监测系统设计 D.西安：西安工业大学，2022.3 马李秀，林立.宝鸡市地下水开发利用状况及保护对策探讨 J.地下水，2022，44（04）：80-82.4 邵景力.中国西部特殊地貌区地下水开发利用与生态环境功能保护研究 J.水文地质工程地质，2022，49（05）：5-6.5 黄长生，周耘，张胜男，等.长江流域地下水资源特征与开发利用现状 J.中国地质，2021，48（04）：979-1000.6 刘敏，崔然，褚秀玲.地下水水质分析及污染治理 J.能源与节能，2022（05）：153-155.（上接第 207 页）