基于ZigBee的煤礦數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張橫云

四川科技職工大學(xué)計(jì)算機(jī)系 四川 610101

0 引言

無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)既能及時(shí)準(zhǔn)確地采集煤礦井下指定地點(diǎn)的電壓、溫度、壓力等信息，又能保證巡檢人員在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的人身安全。現(xiàn)有的采集系統(tǒng)大多采用預(yù)先布線，通過(guò)有線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，主要存在的問(wèn)題：擴(kuò)展性差、布線繁瑣、不能動(dòng)態(tài)聯(lián)接隨時(shí)改變采集地點(diǎn)。為此本文介紹了如何利用射頻芯片CC2520與MSP430F2618實(shí)現(xiàn)基于Zigbee的無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)一般礦井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，按照Z(yǔ)igBee技術(shù)，在坑道頂部設(shè)置ZigBee節(jié)點(diǎn)，由這些節(jié)點(diǎn)執(zhí)行組網(wǎng)、感知、采樣和初步的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。為了避免井下復(fù)雜環(huán)境對(duì)無(wú)線信號(hào)的干擾，所有ZigBee節(jié)點(diǎn)使用的都是抗干擾的直序擴(kuò)頻通信方式，而且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有接收信號(hào)強(qiáng)弱指示功能（RSSI）。為了保證ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性，在布置ZigBee節(jié)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)使每個(gè)節(jié)點(diǎn)要一對(duì)多進(jìn)行通信。另外，礦井安全檢測(cè)人員也可攜帶ZigBee節(jié)點(diǎn)作為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，這些移動(dòng)節(jié)點(diǎn)將自身信息發(fā)送到固定的ZigBee節(jié)點(diǎn)上，再借助固定的ZigBee節(jié)點(diǎn)將自己的信息傳送到地面的控制中心。為了確保通信的可靠性及減輕可能的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸流量，每個(gè)坑道的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，除了自身通過(guò)無(wú)線方式與控制中心相連接以外，還可在適當(dāng)?shù)牡胤脚c有線網(wǎng)絡(luò)相接，以保證和控制中心通信的可靠性（如圖1所示）。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)MCU采用先進(jìn)的MSP430F2618嵌入式單片機(jī)作為核心部件，通過(guò)CC2520與采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并將數(shù)據(jù)采集結(jié)果在LCD液晶屏上顯示。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主要是將捕捉的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換器ADC采樣、量化、編碼后，變成數(shù)字信號(hào)傳給MCU，并無(wú)線發(fā)送數(shù)據(jù)，MCU的主要工作是接收數(shù)據(jù)信息、進(jìn)行數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)管理、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)管理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 基于ZigBee的礦下無(wú)線采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 ZigBee節(jié)點(diǎn)架構(gòu)

MSP430F2618是TI公司推出的最低功耗16位通用高性能微控制器家族的五個(gè)最新產(chǎn)品系列之一。該器件集成了高達(dá)120KB的程序存儲(chǔ)器，并支持20位地址字，因此將總體可尋址存儲(chǔ)容量提升至1MB，從而支持更復(fù)雜程序的開(kāi)發(fā)。另外還包括三通道直接存儲(chǔ)器存取DMA，八通道12位ADC與雙通道12位DAC等。通用串行通信接口（UCSI）能通過(guò)靈活的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施方案來(lái)縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。

CC2520是TI公司的第二代的ZigBee RF收發(fā)器，主要用于2.4GHZ的ISM頻段。CC2520可工作高達(dá)125度，可提供極好的靈敏度和共存性能，有極好的連接性能和可低電壓工作。此外，CC2520支持幀處理，數(shù)據(jù)緩沖，突發(fā)傳輸，數(shù)據(jù)加密，數(shù)據(jù)鑒權(quán)，空閑頻道檢測(cè)，連接質(zhì)量指示以及幀定時(shí)信息等，從而降低了主控制器的加載。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件中包括數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)傳送等功能。系統(tǒng)初始化階段，以串口1為控制接口，串口2為ZigBee模塊的接口。主程序啟動(dòng)后，當(dāng)串口1監(jiān)測(cè)到采集指令時(shí)，通過(guò)串口2配置ZigBee模塊以建立無(wú)線通信鏈路；啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器，將前端傳感器反饋到對(duì)應(yīng)的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以直接處理的數(shù)字信息。軟件流程圖如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

4 測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境是學(xué)校室內(nèi)走廊，氣溫約15度，節(jié)點(diǎn)輸出功耗-27dbm。多個(gè)ZigBee模塊，USB連接線和計(jì)算機(jī)終端設(shè)備。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信測(cè)試和組網(wǎng)通信測(cè)試，并對(duì)傳感器模塊進(jìn)行了測(cè)試。傳感器模塊測(cè)試主要包括采用標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體對(duì)瓦斯?jié)舛炔杉K的測(cè)試以及溫濕度模塊的測(cè)試。由于井下瓦斯的主要成分為甲烷，在瓦斯?jié)舛炔杉K的測(cè)試過(guò)程中，可采用純凈甲烷（99.99%）作為標(biāo)準(zhǔn)氣體，使用玻璃試驗(yàn)裝置來(lái)檢驗(yàn)瓦斯?jié)舛炔杉K能否正常工作，而在溫濕度模塊的測(cè)試中檢驗(yàn)通信接口和時(shí)序是否工作正常即可。如圖4所示是瓦斯?jié)舛炔杉K的測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果，ZigBee節(jié)點(diǎn)采集的差分電壓值Vd（mV）與甲烷濃度值（Vol%）存在基本線性的關(guān)系，能正常工作。

圖4 瓦斯?jié)舛炔杉K試驗(yàn)結(jié)果圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)通過(guò)CC2520+MSP430F2618實(shí)現(xiàn)了無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能，可同時(shí)對(duì)多個(gè)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，安裝維護(hù)簡(jiǎn)單。通過(guò)軟硬件聯(lián)調(diào)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，并實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與顯示，通過(guò)串口可以將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)及路由效果良好。

[1]吳呈瑜.基于ZigBee的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].中北大學(xué).2008.

[2]CC2520專題[EB/OL].http://www.c51rf.com/download/CC2520.aspx.

[3]MSP430專題[EB/OL].http://www.c51rf.com/download/MSP430.aspx.

[4]萬(wàn)志平，金永敏，楊亦紅.基于ZigBee的無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù).2009.

[5]邵清亮，武衛(wèi)東，李軒.基于Adhoc網(wǎng)絡(luò)的礦下無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào).2005.

[6]陳丹陽(yáng).基于Zigbee的瓦斯?jié)舛炔杉到y(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].西安科技大學(xué).2008.