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摘要：在对比常用瓦斯传感元件的基础上，选择了OPTOSENSE公司最新生产的红外吸收式甲烷气体传感器MIPEX，设计了无线瓦斯传感器节点硬件电路。在ZigBee协议栈的基础上，设计节点软件程序。节点处于周期约为10 min的工作／休眠交替状态，在3节普通电池供电的情况下，从理论上估计其工作时间可超过10年之久，是采用传统低功耗瓦斯传感元件所远远不能达到的。
关键词：无线传感器节点；瓦斯；ZigBee协议栈；红外甲烷传感器MIPEX
引言
瓦斯事故一直是煤矿安全生产的主要威胁。虽然近些年来，瓦斯监测技术不断发展，但瓦斯爆炸事件仍频频发生。国内外现有的煤矿安全监测系统均是采用有线连接方式，具有很大的局限性。由于传感器采用有线连接，这使其主要被限制在主矿道中应用。而在高瓦斯浓度的采煤工作面处，由于煤矿的不断开采，工作面各种大型设备需要不断地推进，设备之间的相互位置也不断地发生变化，有线监测网络不能及时跟进矿道的变化，从而造成监测盲区。将无线传感器网络应用于瓦斯安全监测系统中，与现有有线监测网络相结合，构建一个更为全面的井下瓦斯监测系统，将有助于改善目前瓦斯监测领域中存在的问题。
在这样的系统中，传感器网络节点采用电池供电，其能量十分有限。然而常用低功耗瓦斯传感元件的功耗高达数百mW。如何降低节点能耗是无线瓦斯监测网络所要解决的关键问题。
1 硬件电路设计
表1列出了目前常用低功耗瓦斯传感元件及其主要指标。从表中可以看出，常用低功耗瓦斯传感器的功耗都在100mW以上，这对于由电池供电的无线传感器节点来说是非常不利的。而且表中所列传感元件都有一定的响应时间，即传感元件供电后，需要等待其响应一段时间，才能正确地反映瓦斯浓度信息。较长的响应时间限制了无线瓦斯传感器节点每次采集数据时的工作时间不能太短。例如，TP-1．1A非加热甲烷气体传感器的响应时间接近20 s。如果瓦斯传感器节点采用该传感元件，当其采集一次数据时，从给传感器供电开始，前20 s采集数据是没有意义的，因为这时传感元件处于响应阶段，其电压值不能准确地反映实际瓦斯浓度信息。因此每采集一次数据，给传感元件供电的时间至少持续20 s以上。对于如此高功耗的传感元件来说，采集一次数据所消耗的能量是非常巨大的。这使得所设计的无线瓦斯传感器节点的工作时间过短，以致不能达到实用化要求。
在无线传感器节点的设计中，还存在一个问题，即传感元件的工作电压与节点电路中微处理器及无线收发电路工作电压不一致。如果节点中不同模块的供电电压不同，则电路需要进行电压转换。而不同电压的转换将会增加电路设计的复杂度，从而使得节点能耗增加。 |
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