基于ZigBee的煤礦綜合監控系統節點設計

摘 要:針對目前有線煤礦安全監控系統存在網絡布線麻煩、節點數量有限、安裝不夠靈活、組網不便等諸多弊端，設計了基于ZigBee的煤礦綜合監控系統傳感器節點，該節點能監測井下多種環境信息，可實現人員的大致定位，與監控軟件配合，能夠自動入網、自動組態。同時，根據煤礦實際情況，制定了一套專用通信協議，在保證數據傳輸可靠的前提下支持節點上述功能，實際運行證明，該節點工作穩定可靠。

關鍵詞:無線傳感器節點; ZigBee; 無線監控; 無線傳感器網絡; 煤礦安全

中圖分類號:TN915-36文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)17-0184-03

Design of ZigBee-based Sensor Nodes for Comprehensive Monitoring Systems in Coal Mines

WANG Kai1， LIANG Wan-yong2， HU Zhi-hong2

(1. Zhengzhou GL Tech Company， Zhengzhou 450001， China;

2. Institute of Electrical and Information Engineering， Zhengzhou Light Industry University， Zhengzhou 450002， China)

Abstract: Aiming at many disadvantages exiting in the wired safety monitoring systems in coal mines such as troublesome network cabling， limited quantity of nodes， inflexible installation and inconvenient network construction， the ZigBee-based sensor nodes of comprehensive monitoring systems for coal mines are designed. The node can monitor much environment information in underground coal mines， perform personal position， automatically get into the network and is automatically configured in combination with the monitoring software. At the same time， a special set of communication protocol is established according to the actual condition in coal mines， which support the above functions of each node on the premise of assuring the reliability of data transmission. The practical operation shows that the node is reliable and stable.

Keywords: wireless sensor node; ZigBee; wireless monitoring; wireless sensor network; coal mine safety

0 引 言

基于無線傳感器網絡的煤礦綜合監控系統由井下的傳感器節點、路由器節點、協調器和井上監控計算機、數據中心、網絡服務器組成。傳感器節點可以在井下固定放置，也可以由人員佩戴。系統由固定節點采集井下甲烷、硫化氫、一氧化碳、溫度、濕度等環境信息，通過由傳感器節點、路由器節點和協調器構成的無線傳感器網絡將環境信息數據傳送到井上監控計算機;同時也可以根據人員佩戴節點所在位置信息實現人員定位，并通過該節點獲取相應人員的身份及當時身體狀況等信息[1-3]。本文主要介紹傳感器節點設計。

1 傳感器節點功能要求及總體結構

1.1 功能要求

該系統沒有設計專用的路由節點，因此傳感器節點不僅要采集傳感器信號，同時又要充當路由器。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。

圖1 傳感器節點結構框圖

2 硬件電路設計[4-6]

2.1 處理器及主要元件選擇

傳感器節點處理器選擇了英國Jennic公司的JN5121無線模塊，它是業界第一款兼容于IEEE 802.15.4的低功耗，低成本無線微控制器。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標準的射頻收發器，64 KB的ROM，96 KB的RAM，為無線傳感器網絡應用提供了完善的解決方案，同時高度集成化的設計簡化了總的系統成本。JN5121內置的ROM存儲集成了點對點通信與網狀網通信的完整協議棧; JN5121內置的RAM存儲可以支持網絡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無線傳感器網絡節點，包括協調器、路由器以及終端設備[7-9]。

A/D轉換器選用了ADI公司的AD7708，是美國ADI公司開發的具有低噪聲、高分辨率、高可靠性及線性度好等優點，采用Σ-Δ轉換技術的可配置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總線完成與微處理器的通信，可廣泛應用于工業過程控制、測量儀表、便攜式測試儀器、智能變送器、應變測量等領域[10]。

2.2 甲烷測量電路設計

甲烷濃度測量選用了國產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臂，遇可燃性氣體時檢測元件電阻升高，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。

圖2 甲烷測量電路

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的電化學氣體傳感器，電化學元件根據電化學的原理工作，利用待測氣體在電解池中工作電極上的電化學氧化過程，通過電子線路將電解池的工作電極和參比電極恒定在一個適當的電位，在該電位下可以發生待測氣體的電化學氧化，由于氧在氧化和還原反應時所產生的法拉第電流很小，可以忽略不計，于是待測氣體電化學反應所產生的電流與其濃度成正比并遵循法拉第定律。這樣，通過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。

圖3 一氧化碳和硫化氫測量電路

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DS18B20。

2.5 電源設計

節點供電對于固定節點采用蓄電池供電，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品，精度高，開關頻率性能優異，功能完備，專用于蜂窩基站和無線通信基礎設施，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，可以實現+3 V到-3 V電源的轉換。12 V轉5 V電路如圖4所示。

圖4 12 V轉5 V電路

3 節點軟件設計

3.1 通信協議的制定

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

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

表1 實際幀結構

1 B1 B2 B2 B2 B2 B2 B

幀長預留目的地址發送地址總卷數分卷號數據包校驗

從幀長開始到末尾的字節數填充0數據接收節點的APPAD數據發送節點的APPAD本幀數據的所有總卷數將大量數據分多卷傳輸最大數據包長度48 B16位CRC校驗值

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 節點主程序設計

節點主程序主要包括幾個部分:節點初始化、發送設備描述包申請加入網絡、讀A/D數據、發送數據包。其流程圖如圖6所示。

圖5 傳感器采集流程圖

圖6 主程序流程圖

4 結 語

基于ZigBee的煤礦綜合監控系統終端傳感器節點能實時全面監測煤礦井下生產各種信息，能及時發現安全隱患并及時發送給井上監控計算機，從而可以及時有效地做出防護措施。該節點放置方便，數據通信可靠，具備自動入網能力;可以隨意增加和去除節點，組網方便;解決了有線網絡布線麻煩，節點安置不靈活等諸多弊端。該節點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。

參考文獻

[1]劉威，趙亮方，何俊芬. 基于ZigBee 技術的熱計量遠程抄表系統研究[J].現代電子技術，2010，33(3):128-130.

[2]王琳，別紅霞，李錦濤，等.煤礦瓦斯報警無線傳感器網絡節點設計與實現[J].電子技術應用，2006(5):71-73.

[3]柯建華，申紅軍，魏學業.基于ZigBee技術的煤礦井下人員定位系統研究[J].現代電子技術，2006，29(23):12-14.

[4]夏恒星，馬維華.基于CC2430的無線傳感器網絡節點設計[J].電子技術應用，2007(5):45-54.

[5]王戈，張效義.可用于環境監測的無線傳感器網絡節點的設計[J].傳感器與微系統，2007，26(10):117-120.

[6]張任，王堅鋒，嚴海.基于ZigBee的無線傳感器網絡節點設計[J].機電工程，2008，25(8):18-20.

[7]朱向慶，王建明.ZigBee協議網絡層的研究與實現[J].電子技術應用，2006(1):28-30.

[8]金海紅.基于ZigBee的無線傳感器網絡節點的設計及其通信的研究[D].合肥:合肥工業大學，2007.

[9]吳昌平.CC2510在無線傳感器網絡節點中的應用研究[J].微計算機信息，2008，24(11):130-132.

[10]Analog Devices Inc.. 8/10 channel， low voltage， low po-wer， Σ-Δ ADCs AD7708/AD7718[M]. Dallas: Analog Devices Inc.， 2001.