基于ZigBee煤礦井下無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)設計

摘要：針對目前煤礦井下有線(xiàn)監控系統存在的問(wèn)題，在此設計了一種無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)，其特點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)的、移動(dòng)性強、可靠性高、低功耗、實(shí)時(shí)性強等，能夠實(shí)時(shí)監測煤礦井下的環(huán)境參數，包括溫度、濕度和瓦斯濃度，并將采集到的信息通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸方式進(jìn)行發(fā)送。以CC24 30作為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )處理器，負責建立網(wǎng)絡(luò )和傳輸數據，采用SHT11溫濕度傳感器和MJC4/3.0L瓦斯濃度傳感器采集煤礦井下數據，用CC2591芯片作為無(wú)線(xiàn)發(fā)送前端，增強無(wú)線(xiàn)發(fā)送功率;軟件架構采用Z-Stack協(xié)議棧，它是基于一個(gè)輪轉查詢(xún)式操作系統。最后通過(guò)實(shí)驗測試表明，該無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)能實(shí)時(shí)準確地采集環(huán)境參數，有效地實(shí)現實(shí)時(shí)監測煤礦井下的環(huán)境情況。

0 引言

隨著(zhù)國家對煤礦安全生產(chǎn)工作的日益重視，煤礦現代化管理的需求，煤礦安全監測系統越來(lái)越體現出其重要性。目前，我國很多礦山生產(chǎn)現場(chǎng)還處于有線(xiàn)傳感器接到一個(gè)終端進(jìn)行監測和控制，不僅增加了成本而且不利于整體的檢測和控制，有些地方由于環(huán)境因素無(wú)法鋪設有線(xiàn)傳感器和控制終端，因此容易出現監控盲點(diǎn)。所以大多的礦山生產(chǎn)現場(chǎng)需要一個(gè)無(wú)線(xiàn)的、移動(dòng)性強、可靠性高、低功耗、實(shí)時(shí)性強的監控裝置。因此，本文設計了一種基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)，能實(shí)時(shí)監測煤礦井下的環(huán)境參數，主要監測井下的溫度、濕度和瓦斯濃度，并通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸方式進(jìn)行發(fā)送。

1 傳感器節點(diǎn)的硬件設計

無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的硬件總體框圖如圖1所示，該系統由數據采集模塊、CC2430處理器模塊和CC2591無(wú)線(xiàn)模塊及其電源模塊組成。

其中采集模塊由溫濕度傳感器SHT11、瓦斯濃度傳感器MJC4/3.0L和功率放大器組成。溫濕度傳感器SHT11將濕度傳感器、A/D轉換電路、信號放大電路、I2C總線(xiàn)接口全部集成于一個(gè)芯片，可以給出全校準相對濕度和溫度值輸出，帶有工業(yè)標準的I2C總線(xiàn)數字輸出接口，具有可靠的CRC數據傳輸校驗功能，監測得到溫濕度信息，并轉化為數字信號，傳輸到CC2430 I/O口。MJC4/3.0L屬于熱效式瓦斯傳感器，精度高，抗干擾能力強，適合用于煤礦井下特殊環(huán)境。MJC4/3.0L是經(jīng)過(guò)橋路后輸出模擬電壓信號，并且為毫伏級的電壓信號，因此必須經(jīng)過(guò)放大電路放大后再進(jìn)行A/D轉換。為了提高系統的精度，放大器應該選擇具有差動(dòng)輸入，且性能比較穩定的器件。這里選用ANALOG DEVICES公司生產(chǎn)的AD623放大芯片。本設計選用P0.0口作為A/D轉換的接口。

CC2430處理器模塊由CC2430處理器和相關(guān)外圍電路組成。該模塊主要包括3.3 V和1.8 V電源電路、晶振電路、復位電路。電源電路采用TP63001直流降壓芯片，把鋰電池的電源轉換為3.3 V電壓給系統供電。

晶振電路的本振時(shí)鐘信號選擇內部電路提供，外圍電路由晶體振蕩器和2個(gè)負載電容組成。系統由2個(gè)時(shí)鐘信號，分別為32 MHz和32.768 kHz。32 MHz的晶振電路由1個(gè)32 MHz的石英諧振器XTAL1和2只電容構成，32.768 kHz的晶振電路由1個(gè)32.768 kHz的石英諧振器XTAL2和2個(gè)電容構成。

雖然CC2430內部集成無(wú)線(xiàn)收發(fā)器和8051內核，但容易受到干擾，而且通信距離有限。因此在CC2430器件與天線(xiàn)之間加一級接口電路即CC 2591無(wú)線(xiàn)模塊，用來(lái)放大接收和發(fā)送信息的功率，確保數據傳送的距離。

2 傳感器節點(diǎn)的軟件設計

2.1 Z-Stack協(xié)議棧

系統的軟件結構采用TI的Z-Stack協(xié)議棧Z-Stack在硬件上支持CC2430芯片，并采用了操作系統的概念，包含了信息管理、任務(wù)同步、定時(shí)器管理、中斷管理、任務(wù)管理等功能，無(wú)線(xiàn)模塊上電后，Z-Stack執行對應的初始化操作，根據節點(diǎn)的角色組建/加入ZigBee網(wǎng)絡(luò )，并進(jìn)入OSAL事件輪詢(xún)，根據消息響應轉到對應的結構層執行具體操作，具體過(guò)程如圖2所示。

2.2 協(xié)調器的設計

協(xié)調器主要負責無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的創(chuàng )建，數據的接收、處理以及發(fā)送控制指令。協(xié)調器最初發(fā)動(dòng)并創(chuàng )建ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。首先由協(xié)調器的API層通過(guò)NIME-NET-WORK-FORMATION.request原語(yǔ)啟動(dòng)新的網(wǎng)絡(luò );NWK層向MAC層請求進(jìn)行信道能量掃描，具體通過(guò)原語(yǔ)MLME-SCAN.request進(jìn)行，在獲得信道干擾情況后MAC層通過(guò)MLME-SCAN.request原語(yǔ)返回;NWK層根據信道能量檢測值的大小對信道進(jìn)行排序，通過(guò)修改MLME-SCA N.request原語(yǔ)參數，再次對信道進(jìn)行掃描，記錄可利用的信道列表，掃描結果由MAC層通過(guò)MLME-SCAN.request原語(yǔ)返回;NMK層在選擇一個(gè)合適的信道后，根據掃描結果選擇PANID，并且將自己的短地址設為0x0000，并通過(guò)MLME-SET.Request原語(yǔ)完成MAC層中的相關(guān)設置，完成后通過(guò)MLME-SET.confirm原語(yǔ)返回;設置好相關(guān)網(wǎng)絡(luò )參數后，NWK層向MAC層發(fā)送原語(yǔ)MLME-START.request正式啟動(dòng)運行ZigBee網(wǎng)絡(luò )，MAC層通過(guò)MLME-START.confirm原語(yǔ)反饋網(wǎng)絡(luò )的啟動(dòng)狀況;NWK層將獲得的網(wǎng)絡(luò )啟動(dòng)狀況向API層報告，通過(guò)原語(yǔ)NIME-NETWORK-FORMATION.con firm完成，最后完成網(wǎng)絡(luò )的建立。

協(xié)調器節點(diǎn)在創(chuàng )建ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )后，開(kāi)始收發(fā)數據及發(fā)送各種操作指令。首先協(xié)調器判斷當前是否有新的節點(diǎn)加入自己建立的網(wǎng)絡(luò )，如果有則主動(dòng)分配一個(gè)短地址給新加入的節點(diǎn);然后接收節點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數據信號，并通過(guò)串口傳給上位機顯示和處理。其程序流程如圖3所示。

2.3 傳感器的設計

傳感器節點(diǎn)的主要任務(wù)是采集溫濕度、瓦斯濃度等數據且發(fā)送給協(xié)調器，同時(shí)接收執行控制指令。首先傳感器節點(diǎn)開(kāi)啟初始化，接著(zhù)主動(dòng)掃描有效的網(wǎng)絡(luò )信道，尋址最佳的的父節點(diǎn)，NWK層向MAC層發(fā)送MLME-ASSOCIATION.request，由MAC層實(shí)現網(wǎng)絡(luò )的物理連接，MAC層將返回MLME-ASSOCIATION.confirm原語(yǔ)，報告連接狀態(tài)，若連接成功，NWK層將記錄父節點(diǎn)分配的16位短地址，設置鄰接表信息，并向API層發(fā)送確認原語(yǔ)NLME-JOIN.confirm。

設備在加入網(wǎng)絡(luò )后，調用osal_start_timerEx()函數啟動(dòng)定時(shí)器，周期觸發(fā)APP_SEND_PERIODIC_MSG_EVT事件的發(fā)生，相當于周期采集煤礦井下的環(huán)境參數，如果定時(shí)器沒(méi)溢出，事件沒(méi)有被觸發(fā)，則節點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，以便節省能源。如果節點(diǎn)在休眠期間，外部中斷或定時(shí)器中斷發(fā)生，節點(diǎn)會(huì )恢復到工作狀態(tài)，開(kāi)始執行任務(wù)。其程序流程如圖4所示。

2.4 節點(diǎn)的通信

Z-Statck協(xié)議棧中，都是通過(guò)調用ProcessEvent()函數來(lái)處理每一個(gè)應用層的任務(wù)事件，在ProcessEvent()函數中有一個(gè)定時(shí)器事件處理循環(huán)檢測事件的發(fā)生。其中傳感器節點(diǎn)(發(fā)送端)直接調用AF_DataRequest()函數來(lái)發(fā)送數據，而接收端(協(xié)調器)則是通過(guò)調用AF_INCOMING _MSG_CMD消息事件來(lái)判斷是否收到傳感器發(fā)送過(guò)來(lái)的數據。

傳感器節點(diǎn)首先將測量的溫濕度、瓦斯濃度等數據轉化為ZigBee協(xié)議包，然后通過(guò)多跳方式將數據包傳送給協(xié)調器。當協(xié)調器接收到傳感器發(fā)送過(guò)來(lái)的數據包之后，解析出數據源的短地址，將溫濕度、瓦斯濃度等信號值上傳給上位機，上位機實(shí)時(shí)顯示當前節點(diǎn)的采集到的數據，同時(shí)協(xié)調器按原路徑返回確認信息給傳感器節點(diǎn)。具體的數據通信流程如圖5所示。

2.5 數據傳輸協(xié)議

本系統涉及數據在井下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的傳輸，以及井下數據到地面監控系統的傳輸。需要傳輸的數據包括有通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )計算的環(huán)境參數監控數據(如溫度、濕度、瓦斯濃度等)。

數據以字節為單位，根據不同節點(diǎn)承擔的具體任務(wù)覺(jué)得實(shí)際數據包的內容和長(cháng)度，用表1所示格式表示。

其中數據類(lèi)型以及其對應數據長(cháng)度如表2所定義。

Z-Stack協(xié)議棧采用分層的結構，以事件為驅動(dòng)，符合操作系統的消息機制，ZigBee節點(diǎn)間的數據傳輸，首先需要確定接收數據所處的結構層以及所屬的事件ID，OSAL才能將數據傳送到正確的位置。

本系統ZigBee節點(diǎn)的嵌入式代碼在Z-Stack的基礎上進(jìn)行編寫(xiě)，每一結構層的操作中看作一個(gè)任務(wù)，定義任務(wù)ID;每一層中分為不同的事件，定義事件ID，系統任務(wù)ID的定義以及應用層中的事件ID如表3和表4所示。

3 實(shí)驗研究與分析

在實(shí)驗中，將設計的節點(diǎn)組成測試網(wǎng)絡(luò )，在實(shí)驗室的不同位置放置了協(xié)調器節點(diǎn)和傳感器節點(diǎn)，協(xié)調器通過(guò)串口與PC機相連，將接收到的數據在串口中顯示出來(lái)。首先打開(kāi)協(xié)調器的開(kāi)關(guān)，幾秒鐘后，綠色LED燈點(diǎn)亮，表明協(xié)調器建立無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )成功。然后打開(kāi)傳感器節點(diǎn)的開(kāi)關(guān)，幾秒鐘后，綠色LED燈點(diǎn)亮，表明協(xié)調器節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )成功，傳感器節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )后將自己的短地址和采集到的數據發(fā)送給協(xié)調器，協(xié)調器通過(guò)串口上傳到上位機。圖7是通過(guò)串口調試工具查看采集數據。

通過(guò)以上實(shí)驗測試分析，得到無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的性能指標如表5所示。

4 結語(yǔ)

本文設計了一種煤礦井下無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)，采用CC2430芯片為核心處理器，采集模塊采用高集成度的溫濕度傳感器SHT11和瓦斯傳感器MJC4/3.0L，能實(shí)時(shí)監測煤礦井下的環(huán)境參數。ZigBee網(wǎng)絡(luò )具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、開(kāi)銷(xiāo)小、自組織能力強，非常適合于煤礦井下特殊的環(huán)境。因此煤礦井下無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的應用將使得煤礦井下的安全監控更加的自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò )化和智能化，進(jìn)一步有效地保障井下工作人員的安全。