基于CC2430的煤礦安監信息采集系統設計

摘要：為了解決礦井環(huán)境的實(shí)時(shí)監控問(wèn)題，設計了以CC24430為控制核心的礦井安全監測系統，井下環(huán)境中的溫度、溫度、瓦斯氣體濃度的數據和礦工的生命體征數據由傳感器負責采集，并通過(guò)ZigBee協(xié)議構建樹(shù)簇型無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)并實(shí)現與上位機之間的通信。文章主要介紹了無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )及數據采集與傳輸的軟硬件的設計。該設計方案解決了礦井安全監測傳感網(wǎng)絡(luò )的構建并能在意外發(fā)生時(shí)提供井下人員的位置及生命體征信息為救援工作提供參考。
關(guān)鍵詞：CC2430；ZigBee；礦井安監；無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )

目前，實(shí)際應用中的礦下環(huán)境監測系統存在網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)難度大、可監控地點(diǎn)固定、事故發(fā)生后面網(wǎng)絡(luò )臨癱瘓危險等問(wèn)題。近年來(lái)，隨著(zhù)我國能源需求的日益增加，礦難事故的發(fā)生呈現上升趨勢，如何能夠高效低成本的實(shí)時(shí)監控礦下環(huán)境，并在礦難發(fā)生時(shí)給救援工作提供指導成為應用領(lǐng)域對安全監控系統提出的新需求?；?02．15．4協(xié)議的ZigBee技術(shù)具有低功耗、高網(wǎng)絡(luò )容量、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于布置在井下作業(yè)環(huán)境中的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )。本文設計的基本思想是在井下復雜環(huán)境中利用傳感器和ZigBee模塊CC2430構成的便攜式或固定的終端，通過(guò)自組織方式構成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，將井下環(huán)境的檢測信號發(fā)送到井上安全監測中心，實(shí)現礦下環(huán)境的實(shí)時(shí)監控，并將數據自動(dòng)上傳政府監管部門(mén)，當意外發(fā)生時(shí)可為救援工作及事故原因調查提供參考和指導。

1 ZigBee芯片CC2430
CC2430芯片是挪威chipcon公司提出的首個(gè)單芯片ZigBee SoC解決方案。該芯片內部具有CC2420RF接收器和增強性能的8051MCU、8KBRAM等部件，其增強型8051MCU內核的性能是標準8051內核性能的8倍。CC2430還具有直接存儲器定址(DMA)功能，擁有可編程看門(mén)狗定時(shí)器、32／64／128KB可編程閃存、AES-128安全協(xié)處理器、多達8輸入的8-14位ADC、USART、晶振為32 kHz的睡眠模式定時(shí)器、上電復位、掉電檢測電路(Brown Out Detection)、以及21個(gè)可編程I／O引腳等?？梢员粦糜谒衂igBee TM的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，包括協(xié)調器、路由器、設備終端。在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別小于27 mA或25 mA，并具有較短時(shí)間內從休眠模式轉換到主動(dòng)模式的能力，其低功耗特性非常適合井下無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )應用。
CC2430的主要特點(diǎn)如下：
1)高性能和低功耗的8051微控制器內核。
2)集成符合IEEE802．15．4標準的2．4 GHz的RF無(wú)線(xiàn)收發(fā)機。
3)優(yōu)良的無(wú)線(xiàn)接收靈敏度和強大的抗干擾能力。
4)有工作和休眠雙模式，一般電池工作時(shí)間最長(cháng)可達兩年。
5)網(wǎng)絡(luò )容量大，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器可擴展到支持64 000個(gè)ZigBee節點(diǎn)。
6)具有較高安全系數，采用三級安全保護，可根據需要靈活選擇安全屬性。

2 系統總體設計
該系統采用樹(shù)簇型網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，系統包括一個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器(ZC)、一定數量的路由節點(diǎn)(ZR)及終端節點(diǎn)(ZED)。其中終端節點(diǎn)由ZigBee模塊、各種傳感器及報警器和電源組成，根據功能不同分為固定終端和移動(dòng)終端。固定終端主要作為路由終端，為網(wǎng)絡(luò )提供路由服務(wù)；移動(dòng)終端主要是由礦工佩戴的帶有環(huán)境安全監測傳感器和生命體征傳感器的穿戴式便攜式設備。

礦工佩戴的便攜式終端設備都擁有一個(gè)64的IEEE地址，這樣只要記錄下終端地址就可以很容易的確認礦工身份。意外發(fā)生時(shí)，通過(guò)作為網(wǎng)關(guān)固定終端路由信息的最后記錄，就可以找到礦工具體位置，同時(shí)結合生命體征傳感器采集到的生理信息，便可為營(yíng)救工作提供大量有用信息。

網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器安裝在井上安全監控中心，主要負責建立網(wǎng)絡(luò )和管理網(wǎng)絡(luò )，并將當前井下傳感網(wǎng)絡(luò )收集到的井下安監數據通過(guò)串口與計算機相連，進(jìn)一步通過(guò)網(wǎng)絡(luò )將信息傳輸到政府安全監督部門(mén)。這種實(shí)時(shí)同步的井下數據上傳模式，可大大減小由私營(yíng)礦主主觀(guān)玩忽職守造成的安全隱患，對提高礦下安全監督管理水平有積極意義。

3 系統硬件設計
系統主要的硬件結構包括信號采集模塊、終端模塊、信號傳輸模塊。網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)均采用CC2430芯片作為硬件基礎。
3．1 信號采集模塊
信號的采集模塊的功能是采集井下的各種環(huán)境參數，通過(guò)CC2430的ZigBee射頻模塊發(fā)送給上位機。根據需要采集的信息選擇適合的傳感器，并進(jìn)一步確定信號轉換及電源電路。礦井安全監測需要采集的數據包括以下幾種：瓦斯濃度、溫度、濕度。井下攜帶人員的生命體征信息如：體溫、脈搏。最后協(xié)調器將采集到的數據通過(guò)串口發(fā)送到上位機。
CC2430外部有20個(gè)通用I／O口，PO口的8個(gè)管腳可以直接連接外部模擬輸入，其內部有14位的A／D轉換器，可以實(shí)現各類(lèi)數字傳感器的直接輸入和數據轉換需要。
溫濕度傳感器采用瑞士SHIRION公司的SHT10一體化溫／濕傳感器采集井下環(huán)境中的溫度和濕度。其供電電壓2．4 V～2．5 V，可直接以終端的電源供電，濕度測量精度±4．5％，溫度測量精度為±0．5℃，滿(mǎn)足井下數據采集精度需要。瓦斯傳感器采用鄭州煒盛電子所生產(chǎn)的催化燃燒式氣敏元件MJC4／2．8J，它的額定工作電流90 mA，額定工作電壓2．8 V。它的內部結構是由一個(gè)不帶催化劑元件的補償元件和一個(gè)帶催化劑傳感元件構成。其中催化元件可以與環(huán)境中的瓦斯氣體如甲烷、一氧化碳反應，引起溫度相對補償元件升高，導致電橋發(fā)生偏移。輸出的電壓模擬信號經(jīng)過(guò)運算放大器TLC279MJ放大以后進(jìn)入CC2430芯片內具有A／D轉換功能的P0口。

體溫傳感器采用Dallas公司生產(chǎn)的DS18B20，只要一條單線(xiàn)就能實(shí)現數據在控制器與其之間的傳輸，因而具有接口簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，檢測到的溫度信息最終以12位二進(jìn)制的數字化讀數輸出，在環(huán)境溫度為30～40℃之間時(shí)，DS18B20的分辨率為0．1℃，平均誤差低于0．2℃，可以滿(mǎn)足設計需求。脈搏傳感器采用HKG-07A紅外脈搏傳感器，該傳感器是基于紅外檢測技術(shù)，通過(guò)檢測由于心臟收縮引起的體表末梢微血管的容積變化來(lái)獲取脈搏信號。比起早期常用的壓電薄膜法測量，該法具有不易受到肢體運動(dòng)干擾的特點(diǎn)，且技術(shù)成熟，信號處理電路相對簡(jiǎn)單。信號采集模塊硬件框圖如圖3所示。
3．2 協(xié)調器模塊
由于系統網(wǎng)絡(luò )終端節點(diǎn)均采用CC2430芯片作為硬件基礎，協(xié)調器節點(diǎn)及路由節點(diǎn)和終端節點(diǎn)設計差別不大，其功能主要是是連接無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )硬件系統與上位機的接口，不同點(diǎn)在于終端節點(diǎn)需要添加傳感器及數據轉換電路，路由節點(diǎn)只需按圖1所示連接簡(jiǎn)單的外圍設備即可。
3．3 信號傳輸模塊
這里的信號傳輸模塊主要是指協(xié)調器與上位機之間的信號傳輸，這主要是由于CC2430芯片的電平與上位機串口電平不相匹配導致的，這里采用FT232RL芯片實(shí)現串口電平轉換，并通過(guò)USB接口完成于上位機之間的串口通信。接入的兩個(gè)LED燈可通過(guò)閃爍來(lái)提示當前存在信號的輸入輸出，電路結構如圖4所示。

4 軟件設計流程
主控軟件需要完成的任務(wù)主要有：實(shí)現對整個(gè)系統的控制，對傳感器網(wǎng)絡(luò )收集到的數據進(jìn)行處理，包括數據比對，存儲和上傳。對系統的控制主要包括控制ZigBee網(wǎng)絡(luò )開(kāi)啟關(guān)閉設置參數及發(fā)送突發(fā)性命令。為方面使用對象操作系統提供兩種操作模式；監管模式和救援調查模式。監管模式下提供以下功能：1)數據處理功能：通過(guò)監測數據與內置的閾值數據的比較決定是否發(fā)出警報；如：對瓦斯濃度進(jìn)行比對已決定是否要切斷電源；對一氧化碳濃度進(jìn)行比對以決定是否要撤離人員；對空氣濕度進(jìn)行比較已決定是否又發(fā)生透水事故的可能。2)數據存儲及上傳功能：對整個(gè)系統的數據進(jìn)行自動(dòng)備份，將監測數據自動(dòng)上傳至安全監督部門(mén)。救援與調查模式主要是在礦難發(fā)生時(shí)，通過(guò)查詢(xún)記錄終端位置的固定路由信息和當前終端監測到的實(shí)時(shí)數據如：當前井下環(huán)境數據和終端佩戴者生命體征數據等，為救援工作提供指導。通過(guò)把安監數據的自動(dòng)上傳到政府監督部門(mén)，即方便政府監管及問(wèn)責也能為事故后救援提供指導。軟件設計流程圖如圖5所示。

5 結束語(yǔ)
文中在了解ZigBee技術(shù)相關(guān)特點(diǎn)的基礎上，以ZigBee模塊CC2430為硬件基礎，利用ZigBee協(xié)議進(jìn)行無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)，設計了一個(gè)基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的礦井安全監管系統。通過(guò)該系統用戶(hù)可以定量定性的對井下安全狀況作出評估，并且采用帶有報警功能的穿戴式終端節點(diǎn)，意外發(fā)生時(shí)可為救援工作及事故原因調查提供依據，可有效提高礦區安全生產(chǎn)監督管理水平。