基于ZigBee通信的瓦斯監測系統設計

2002年8月成立了由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導體公司組成的ZigBee聯(lián)盟。ZigBee的物理層和鏈路層協(xié)議主要采用IEEE 802.15.4標準，利用全球共用的公共頻率2.4～2.484 GHz免執照頻段進(jìn)行通訊，工作在2.4 GHz頻段上的最高傳輸速率為250 Kb／s，采用了0-QPSK調制方法。圖3給出ZigBee無(wú)線(xiàn)通信接口電路，用于通信的ZigBee線(xiàn)路接入器選用符合標準ZigBee協(xié)議的集成收發(fā)RF器件CC2420和利用PCB無(wú)線(xiàn)收發(fā)天線(xiàn)，以及少量的外圍器件。CC2420采用直序擴頻技術(shù)，保證了數據傳輸的可靠性。電路中，其外圍電路包括晶體振蕩器時(shí)鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和微控制器接口電路3部分。CC2420的晶振信號既可由外部有源晶體提供，也可由內部電路提供。由內部電路提供時(shí)，需外加晶體振蕩器和兩只負載電容，容值取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數。射頻輸入／輸出匹配電路主要用來(lái)匹配器件的輸入／輸出阻抗。CC2420通過(guò)內部繼承的SI、SO、SCK和CSn 4條SPI總線(xiàn)設置器件的工作模式，并實(shí)現讀／寫(xiě)緩存數據及讀／寫(xiě)狀態(tài)寄存器等功能，通過(guò)控制FIFO和FIFOP引腳接口狀態(tài)設置發(fā)射／接收緩存器。在數據傳輸過(guò)程中，CSn必須始終保持低電平。另外，通過(guò)CCA引腳狀態(tài)的設置清除通道估計，通過(guò)SFD引腳狀態(tài)的設置控制時(shí)鐘／定時(shí)信息的輸入。當系統上電后，將自動(dòng)與井下無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )建立鏈路關(guān)系，通過(guò)中心控制臺，向監測系統發(fā)出網(wǎng)絡(luò )連接自檢信號，當MCU接收到連接信號后，返回應答信號至控制中心，完成一次完整的ZigBee網(wǎng)絡(luò )通信；如果在發(fā)送信號時(shí)ACK標志位置位，而且在一定的超時(shí)期限內沒(méi)有收到應答，發(fā)送器將重復發(fā)送固定次數，若仍無(wú)應答就宣布發(fā)生錯誤，請求重新建立通信連接。當通信鏈路成功時(shí)，整個(gè)檢測系統開(kāi)始工作，C8051F010將采集到的模擬信號進(jìn)行數字轉換、分析處理，將結果保存到內部數據寄存器中，通過(guò)SPI接口方式與CC2420實(shí)現通信。CC2420擴頻后將數據發(fā)送到中繼器FFD-1以數據包的形式傳送給下一級FFD網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器，依次傳輸后到達井口的FFD中繼器，它通過(guò)RS485有線(xiàn)連接到地面指揮中心。

下位機程序設計方案包括動(dòng)態(tài)連接網(wǎng)絡(luò )、數據采集部分和應用控制程序。動(dòng)態(tài)連接網(wǎng)絡(luò )負責查詢(xún)網(wǎng)絡(luò )設備和建立通訊鏈路；數據采集部分包括瓦斯濃度的采集、處理和保存；應用控制程序負責執行控制命令等功能?？傮w程序流程如圖4所示。

在仿真試驗箱內，對不同測試點(diǎn)分別注入不同濃度的瓦斯樣本用于實(shí)驗數據測試。表1給出不同測試點(diǎn)的測試結果對比，真實(shí)值由標準的測試儀提供；該方法由仿真監控中心上位機提供。實(shí)驗測試數據保證了誤差在1％以?xún)鹊木_度。

設計了基于ZigBee和雙MCU結構的井下無(wú)線(xiàn)通信現場(chǎng)綜合監測系統。通過(guò)巧妙選擇和配置控制器，合理優(yōu)化設計系統接口電路，實(shí)現了傳感器信息的高速、高精度采集和復雜算法的大數據量實(shí)時(shí)計算、分析等功能，并降低成本，簡(jiǎn)化電路設計。

該系統作為井下現場(chǎng)綜合監測的子系統，用于井下瓦斯信息的采集分析。實(shí)驗表明，它能夠滿(mǎn)足井下的信息采集、數據分析以及通信控制等任務(wù)，具有較好的可靠性和實(shí)時(shí)性。