基于嵌入式ZigBee 的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

顧榮榮，任 萍，郝 偉

(安徽理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，安徽淮南 232001)

目前，瓦斯災(zāi)害依然是煤礦安全生產(chǎn)的大敵，也是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效工作面、推廣新技術(shù)和新設(shè)備的嚴(yán)重障礙。大多數(shù)煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用有線和固定傳感器組成的網(wǎng)絡(luò)，其缺點(diǎn)是:礦井結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造成通信線路的鋪設(shè)和維護(hù)困難;固定傳感器的接入方式，不符合掘進(jìn)工作面動(dòng)態(tài)延伸的變化要求;固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)，容易出現(xiàn)監(jiān)測(cè)盲區(qū)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為解決當(dāng)前瓦斯監(jiān)測(cè)的難題提供了有效的技術(shù)手段，其以無(wú)線通信的方式形成了一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，彌補(bǔ)了有線設(shè)備的不足。本文提出了一種基于嵌入式ZigBee 的瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為信號(hào)采集、信號(hào)傳輸和信號(hào)處理3個(gè)部分(圖1)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

信號(hào)采集部分由分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，負(fù)責(zé)采集和預(yù)處理區(qū)域內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊臄?shù)據(jù)信息，并通過(guò)無(wú)線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。信號(hào)傳輸部分中由ZigBee中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將所有傳感節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)匯聚起來(lái)，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心。信號(hào)處理部分由PC 主機(jī)實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)對(duì)傳送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，對(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)出相應(yīng)的指令。

2 傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的無(wú)線瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)由微處理器、傳感器模塊、無(wú)線通信模塊和電源模塊4個(gè)部分組成。

2.1 處理器模塊

處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理自身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)。核心處理器采用PHILIPS 公司推出的功能強(qiáng)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(shí)還可以減少系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也便于后期的軟硬件的升級(jí)和擴(kuò)展。把無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和基于ARM 的微控制器的控制技術(shù)結(jié)合起來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)高可靠性、高穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的瓦斯監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。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(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)對(duì)瓦斯氣體濃度的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(dǎo)致阻值變化，從而導(dǎo)致電壓發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電壓就可以檢測(cè)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、穩(wěn)定性好、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，適用于井下瓦斯?jié)舛鹊臋z測(cè)。

2.3 無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。該模塊采用的是CC2430，CC2430 結(jié)合了一個(gè)高性能的2.4GHz 射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級(jí)小巧高效的8051 控制器，具有8Kbyte 的RAM 及強(qiáng)大的外圍模塊，簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)，該芯片十分適合需要超低功耗的系統(tǒng)。

2.4 電源模塊

在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，電源模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，選擇良好的電源模塊對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)而言至關(guān)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(dāng)沒(méi)有外接輔助電源時(shí)，由電池供電，當(dāng)外接輔助電源時(shí)，由外接電源供電。選用型號(hào)為PAM2400 的穩(wěn)壓芯片，其具有超低功耗、封裝最小化等特點(diǎn)，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(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)的通信設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是監(jiān)測(cè)井下的瓦斯?jié)舛龋瑢⒉杉臄?shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee中心節(jié)點(diǎn)。為了降低能耗，傳感節(jié)點(diǎn)在不需要采集或者收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，處于休眠狀態(tài)。如果節(jié)點(diǎn)需要正常工作時(shí)，它會(huì)被喚醒，處于工作狀態(tài)。工作完畢后，節(jié)點(diǎn)再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)的工作程序流程如圖3所示。

3.2 ZigBee中心節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，管理傳感節(jié)點(diǎn)并接收其發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和通訊網(wǎng)絡(luò)之間的連接，把接收來(lái)的瓦斯?jié)舛刃畔⑥D(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)控中心。其工作程序流程如圖4所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于嵌入式ZigBee 模塊的瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和基于ARM 的微控制器的控制技術(shù)相結(jié)合，克服了目前瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的鋪設(shè)通信線路投資大、維護(hù)困難、監(jiān)測(cè)存在盲區(qū)等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦采場(chǎng)瓦斯?jié)舛鹊倪B續(xù)、實(shí)時(shí)、快速監(jiān)測(cè)，并且組網(wǎng)靈活，成本低，可靠性強(qiáng)，系統(tǒng)維護(hù)量低，能夠更好地適應(yīng)采場(chǎng)工作面的動(dòng)態(tài)延伸，為安全生產(chǎn)提供了可靠的保證。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)的工作流程圖

圖4 ZigBee中心節(jié)點(diǎn)工作流程圖

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