基于ZigBee的煤礦監控系統設計

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。

　　2．3 一氧化碳和硫化氫測量電路設計

　　一氧化碳和硫化氫濃度測量均選用了國產(chǎn)的電化學(xué)氣體傳感器，電化學(xué)元件根據電化學(xué)的原理工作，利用待測氣體在電解池中工作電極上的電化學(xué)氧化過(guò)程，通過(guò)電子線(xiàn)路將電解池的工作電極和參比電極恒定在一個(gè)適當的電位，在該電位下可以發(fā)生待測氣體的電化學(xué)氧化，由于氧在氧化和還原反應時(shí)所產(chǎn)生的法拉第電流很小，可以忽略不計，于是待測氣體電化學(xué)反應所產(chǎn)生的電流與其濃度成正比并遵循法拉第定律。這樣，通過(guò)測定電流的大小就可以確定待測氣體的濃度。其測量電路如圖3所示。

　　2．4 其他主要元件選擇

　　負壓測量選用Motorola的氣壓傳感器MPX5100，溫度測量選用集成數字溫度傳感器DSl8B20。

　　2．5 電源設計

　　節點(diǎn)供電對于固定節點(diǎn)采用蓄電池供電，對于佩戴型則直接從礦燈去電，由于使用蓄電池供電，因此電源設計時(shí)要考慮其轉換效率。該系統中電源設計選用了CS51412，CS51411，MAX660三種元件，其中CS51411，CS51412芯片為ON半導．體推出的新型補償穩壓器系列產(chǎn)品，精度高，開(kāi)關(guān)頻率性能優(yōu)異，功能完備，專(zhuān)用于蜂窩基站和無(wú)線(xiàn)通信基礎設施，其輸入電壓范圍在4．5～40 V之間。MAX660芯片為MAXIM推出的電源轉換芯片，可以實(shí)現+3 V到-3 V電源的轉換。12 V轉5 V電路如圖4所示。

3 節點(diǎn)軟件設計

　　3．1 通信協(xié)議的制定

　　設計通訊協(xié)議應充分降低通訊雙方之間的耦合性，使得節點(diǎn)增加與減少并不影響監測計算機軟件的正常運行(即不會(huì )因為傳感器個(gè)數、類(lèi)型的改變而需修改上位機軟件)。同時(shí)，上位機監控軟件可以通過(guò)與節點(diǎn)的通信，按照協(xié)議規定自動(dòng)解析傳感器節點(diǎn)相關(guān)信息。結合系統特點(diǎn)，制定了監控系統專(zhuān)用的一套應用層通信協(xié)議，該協(xié)議是運行于ZigBee之上，用于規范應用層的數據交換而制定的協(xié)議。

　　煤礦監控應用系統以幀形式傳輸數據，幀是一個(gè)傳輸單位。發(fā)送幀是在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中實(shí)際傳輸的數據幀，其結構為：前導+UU編碼包。其中前導一個(gè)字節，數據范圍：0x61～0xff，其含義代表無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的不同操作命令，根據操作命令不同在節點(diǎn)系統中UU編碼包中的數據可以分為設備描述包、環(huán)境數據包、控制指令包、時(shí)間同步包、應答包；后面緊跟UU編碼包，需要發(fā)送的所有數據即實(shí)際數據按照UuEncode的方式編碼得到UU編碼包，其中最大80個(gè)字節，每個(gè)字節的數據范圍為0x20～0x5f的打印字符?？梢酝ㄟ^(guò)比較接收數據中的字符是否大于0x61來(lái)搜索幀頭。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中實(shí)際要發(fā)送的16進(jìn)制數據在這里叫做實(shí)際幀，其結構見(jiàn)表1所示。這些數據在發(fā)送前首先要經(jīng)過(guò)編碼，編碼后填入發(fā)送幀的UU編碼包。其中實(shí)際幀中的每3個(gè)字節變換為UU編碼包的中的4個(gè)字節，所以實(shí)際幀中的最大容量為60 B。

　　3．2 A／D采集程序設計

　　A／D采集程序包含兩部分：AD7708的初始化配置和AD中斷數據讀取。A／D初始化流程圖如圖5所示。

　　3. 3 節點(diǎn)主程序設計

　　節點(diǎn)主程序主要包括幾個(gè)部分：節點(diǎn)初始化、發(fā)送設備描述包申請加入網(wǎng)絡(luò )、讀A／D數據、發(fā)送數據包。其流程圖如圖6所示。

　　4 結語(yǔ)

　　基于ZigBee的煤礦綜合監控系統終端傳感器節點(diǎn)能實(shí)時(shí)全面監測煤礦井下生產(chǎn)各種信息，能及時(shí)發(fā)現安全隱患并及時(shí)發(fā)送給井上監控計算機，從而可以及時(shí)有效地做出防護措施。該節點(diǎn)放置方便，數據通信可靠，具備自動(dòng)入網(wǎng)能力；可以隨意增加和去除節點(diǎn)，組網(wǎng)方便；解決了有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)麻煩，節點(diǎn)安置不靈活等諸多弊端。該節點(diǎn)的設計為建立煤礦安全綜合監測系統提供了良好的解決方案。