基于嵌入式ZigBee 的瓦斯監(jiān)控系統的設計

顧榮榮，任 萍，郝 偉

(安徽理工大學計算機科學與工程學院，安徽淮南 232001)

目前，瓦斯災害依然是煤礦安全生產的大敵，也是實現高產高效工作面、推廣新技術和新設備的嚴重障礙。大多數煤礦瓦斯監(jiān)測系統采用有線和固定傳感器組成的網絡，其缺點是:礦井結構復雜，造成通信線路的鋪設和維護困難;固定傳感器的接入方式，不符合掘進工作面動態(tài)延伸的變化要求;固定監(jiān)測點，容易出現監(jiān)測盲區(qū)。無線傳感器網絡技術為解決當前瓦斯監(jiān)測的難題提供了有效的技術手段，其以無線通信的方式形成了一個多跳自組織網絡，彌補了有線設備的不足。本文提出了一種基于嵌入式ZigBee 的瓦斯監(jiān)測系統的設計。

1 系統整體結構

本監(jiān)測系統主要分為信號采集、信號傳輸和信號處理3個部分(圖1)。

圖1 系統結構圖

信號采集部分由分布在監(jiān)測區(qū)域的無線傳感節(jié)點構成，負責采集和預處理區(qū)域內瓦斯?jié)舛鹊臄祿畔ⅲ⑼ㄟ^無線通信模塊將數據發(fā)送出去。信號傳輸部分中由ZigBee中心節(jié)點負責將所有傳感節(jié)點采集的數據匯聚起來，通過工業(yè)以太網傳輸到現場監(jiān)控中心。信號處理部分由PC 主機實現，負責對傳送來的數據進行分析處理，根據數據處理的結果，對傳感網絡發(fā)出相應的指令。

2 傳感器節(jié)點的設計

該系統的無線瓦斯傳感器節(jié)點由微處理器、傳感器模塊、無線通信模塊和電源模塊4個部分組成。

2.1 處理器模塊

處理器模塊負責控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理自身采集的數據以及其他節(jié)點發(fā)來的數據。核心處理器采用PHILIPS 公司推出的功能強大、超低功耗的32 位微控制器LPC2478。它具有豐富的片上資源，完全可以滿足一般的工業(yè)控制需要，同時還可以減少系統硬件設計的復雜度，提高系統的穩(wěn)定性，也便于后期的軟硬件的升級和擴展。把無線傳感網絡技術和基于ARM 的微控制器的控制技術結合起來，可以實現高可靠性、高穩(wěn)定性和實時準確的瓦斯監(jiān)測網絡系統。微處理器功能如圖2所示。

圖2 微處理器功能圖

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊負責監(jiān)測區(qū)域內對瓦斯氣體濃度的采集和數據轉換。瓦斯傳感器的工作原理是利用熱催化元件在瓦斯的作用下發(fā)生燃燒，引起元器件溫度升高，導致阻值變化，從而導致電壓發(fā)生變化，通過測量電壓就可以檢測到瓦斯?jié)舛鹊淖兓１疚倪x用LXK－6 催化元件，它是一種廣譜性的氣敏元件，具有結構簡單、靈敏度高、穩(wěn)定性好、低功耗等優(yōu)點，適用于井下瓦斯?jié)舛鹊臋z測。

2.3 無線通信模塊

無線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數據。該模塊采用的是CC2430，CC2430 結合了一個高性能的2.4GHz 射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051 控制器，具有8Kbyte 的RAM 及強大的外圍模塊，簡化了外圍電路的設計，該芯片十分適合需要超低功耗的系統。

2.4 電源模塊

在無線傳感網絡中，電源模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量，選擇良好的電源模塊對整個網絡而言至關重要。該模塊采用電池供電和外部輔助供電兩種供電模式，當沒有外接輔助電源時，由電池供電，當外接輔助電源時，由外接電源供電。選用型號為PAM2400 的穩(wěn)壓芯片，其具有超低功耗、封裝最小化等特點，可以將電壓穩(wěn)定在3.0V，提高了電源的使用壽命。

3 傳感器節(jié)點的軟件設計

3.1 傳感器節(jié)點的通信設計

傳感器節(jié)點的主要任務是監(jiān)測井下的瓦斯?jié)舛龋瑢⒉杉臄祿l(fā)送到ZigBee中心節(jié)點。為了降低能耗，傳感節(jié)點在不需要采集或者收發(fā)數據時，處于休眠狀態(tài)。如果節(jié)點需要正常工作時，它會被喚醒，處于工作狀態(tài)。工作完畢后，節(jié)點再次進入休眠狀態(tài)。節(jié)點的工作程序流程如圖3所示。

3.2 ZigBee中心節(jié)點軟件設計

ZigBee中心節(jié)點負責組建無線網絡，管理傳感節(jié)點并接收其發(fā)送來的數據，實現無線網絡和通訊網絡之間的連接，把接收來的瓦斯?jié)舛刃畔⑥D發(fā)至監(jiān)控中心。其工作程序流程如圖4所示。

4 結語

本文設計的基于嵌入式ZigBee 模塊的瓦斯監(jiān)控系統，將無線傳感網絡技術和基于ARM 的微控制器的控制技術相結合，克服了目前瓦斯監(jiān)測系統存在的鋪設通信線路投資大、維護困難、監(jiān)測存在盲區(qū)等缺點，實現了對煤礦采場瓦斯?jié)舛鹊倪B續(xù)、實時、快速監(jiān)測，并且組網靈活，成本低，可靠性強，系統維護量低，能夠更好地適應采場工作面的動態(tài)延伸，為安全生產提供了可靠的保證。

圖3 傳感器節(jié)點的工作流程圖

圖4 ZigBee中心節(jié)點工作流程圖

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