基于ZigBee的煤礦綜合監控系統節點(diǎn)設計

O 引言
基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的煤礦綜合監控系統由井下的傳感器節點(diǎn)、路由器節點(diǎn)、協(xié)調器和井上監控計算機、數據中心、網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器組成。傳感器節點(diǎn)可以在井下固定放置，也可以由人員佩戴。系統由固定節點(diǎn)采集井下甲烷、硫化氫、一氧化碳、溫度、濕度等環(huán)境信息，通過(guò)由傳感器節點(diǎn)、路由器節點(diǎn)和協(xié)調器構成的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )將環(huán)境信息數據傳送到井上監控計算機；同時(shí)也可以根據人員佩戴節點(diǎn)所在位置信息實(shí)現人員定位，并通過(guò)該節點(diǎn)獲取相應人員的身份及當時(shí)身體狀況等信息。本文主要介紹傳感器節點(diǎn)設計。

1 傳感器節點(diǎn)功能要求及總體結構
1．1 功能要求
該系統沒(méi)有設計專(zhuān)用的路由節點(diǎn)，因此傳感器節點(diǎn)不僅要采集傳感器信號，同時(shí)又要充當路由器。傳感器信號主要有甲烷濃度、硫化氫濃度、氧氣濃度、溫度、濕度、風(fēng)速、壓力等信號；人員信息包括身高、體重、血型、姓名等基本信息。
1．2 總體結構
傳感器節點(diǎn)電路結構如圖1所示。主要包括傳感器調理電路、A／D轉換電路、報警電路、通用控制輸出電路和電源電路。

2 硬件電路設計
2. 1 處理器及主要元件選擇
傳感器節點(diǎn)處理器選擇了英國Jennic公司的JN5121無(wú)線(xiàn)模塊，它是業(yè)界第一款兼容于IEEE 802．15．4的低功耗，低成本無(wú)線(xiàn)微控制器。該模塊內置一款32位的RISC處理器，配置有2．4 GHz頻段的IEEE 802．15．4標準的射頻收發(fā)器，64 KB的ROM，96 KB的RAM，為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用提供了完善的解決方案，同時(shí)高度集成化的設計簡(jiǎn)化了總的系統成本。JN5121內置的ROM存儲集成了點(diǎn)對點(diǎn)通信與網(wǎng)狀網(wǎng)通信的完整協(xié)議棧；JN5121內置的RAM存儲可以支持網(wǎng)絡(luò )路由和控制功能而不需要外部擴展任何的存儲空間。JN5121內置的硬件MAC地址和高度安全的AES加密算法加速器減小了系統的功耗和處理器的負載。JN5121可應用于運行于2．4 GHz頻段的各種ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，包括協(xié)調器、路由器以及終端設備。
A／D轉換器選用了ADI公司的AD7708，是美國ADI公司開(kāi)發(fā)的具有低噪聲、高分辨率、高可靠性及線(xiàn)性度好等優(yōu)點(diǎn)，采用∑-△轉換技術(shù)的可配置10通道16位A／D轉換器件，其靈活的串行接口使AD7718可以很方便地與微處理器或移位寄存器相連接，可以利用SPI總線(xiàn)完成與微處理器的通信，可廣泛應用于工業(yè)過(guò)程控制、測量?jì)x表、便攜式測試儀器、智能變送器、應變測量等領(lǐng)域。
2．2 甲烷測量電路設計
甲烷濃度測量選用了國產(chǎn)的煤礦甲烷檢測用載體催化元件，催化元件根據催化燃燒效應的原理工作，由檢測元件和補償元件配對組成電橋的兩個(gè)臂，遇可燃性氣體時(shí)檢測元件電阻升高，橋路輸出電壓變化，該電壓變量隨氣體濃度增大而成正比例增大，補償元件起參比及溫濕度補償作用，其測量電路如圖2所示。