基于WIA-PA 的瓦斯監測傳感器網絡網關設計*

劉 剛 ，吳建遠

(河南機電高等專科學校自控系，河南 新鄉453000)

在煤礦安全生產的過程中，由于生產情況的復雜會造成一些臨時施工點。例如，采掘面的大型機械設備推進的過快、主要設備的現場檢修等，這些臨時施工點需要瓦斯傳感器節點快速有效的布置和實時將監測數據傳送給上位機。目前的傳統監控方案采用有線安全監控系統。有線監控方案具有傳感器節點無法快速接入和存在監測死角等缺點［1-3］。

針對于礦井下臨時施工點的瓦斯監測問題，采用工業無線網絡可以有效的解決。工業無線網絡標準中，我國具有自主知識產權的WIA-PA(Wireless Networks for Industrial Automation)工業網絡標準受到了廣泛的關注。網關設備則是WIA-PA 的核心設備，目前符合WIA-PA 標準的網關設備研發尚未成熟。本文提出了以基于工業控制網絡WIA-PA 的瓦斯監測傳感器網絡網關設計。

1 系統總體結構設計

井下的瓦斯監測WIA-PA 網絡采用星型-Mesh兩層拓撲結構，如圖1 所示。負責采集瓦斯數據的瓦斯傳感器節點和路由節點構成星型網絡，網關設備和路由設備構成Mesh 結構。在整個瓦斯監測傳感器網絡結構中，網關需要保持與上位機的通信、完成網絡管理工作、收發傳感器網絡中路由節點的數據信息［4-6］。

圖1 WIA-PA 工業無線網絡系統結構圖

根據網關在WIA-PA 網絡中的作用和功能，設計的網關總體結構如圖2 所示。網關結構分為主控制器模塊、電源模塊、CAN 總線控制模塊、和無線射頻模塊等幾部分。電源模塊負責給主控制器和無線射頻模塊供電。無線射頻模塊負責收發各個路由節點和采集節點的數據信息。主控制器模塊主要負責對讀取和處理無線射頻模塊送入的數據，并將處理后的數據通過CAN 總線送到上位機。或者主控制器接收上位機的控制命令后通過無線射頻模塊送到WIA-PA 網絡的各個路由節點。

圖2 WIA-PA 網關系統結構圖

2 WIA-PA 網關的硬件設計

在煤礦井下無線通信的通信頻段在900 MHz ～3 000 MHz，通信效果最好。WIA-PA 網絡技術規范中定義波段為2. 4 GHz。本文無線射頻模塊采用Chipcon 公司推出的符合2.4 GHz IEEE802.15.4 標準的射頻芯片CC2430。無線射頻部分的電路如圖3所示。CC2430 芯片僅需要很少的外圍器件就能實現信號收發功能。由于天線部分采用一個非平衡天線，因此電容C2和電感L1、L2、L3以及λ/4 傳輸線構成了非平衡變壓器，使得天線性能更好。CC2430 部分通過SPI 接口與主控制器連接，實現數據傳送。

圖3 無線射頻模塊電路原理圖

主控制器采用意法半導體(ST)公司的具有ARM Cortex-M3 核的STM32F107。在CAN 總線接口部分，電路圖如圖4 所示。STM32F107 的CAN 控制器引腳與德州儀器公司生產的CAN 收發器SN65HVD230 連接。6N137 構成光耦隔離電路，可以有效的實現CAN 總線上各個網關節點的電氣隔離，提高信號傳輸的穩定性和安全性。在每個網關節點的兩端連接2 個120 Ω 的總線匹配電阻，以此避免信號反射。

圖4 CAN 總線控制模塊電路原理圖

電源模塊電路如圖5 所示，設計采用鋰電池供電，通過ASM1117 芯片把鋰電池電壓轉換成3.3 V電壓，供給控制器和無線射頻模塊供電。本設計中采用美信公司的DS2780 計算鋰電池剩余電量。DS2780 的DQ 與STM32F107 的PA6 相連，電池的剩余電量信息通過PA6 送入控制器中。上位機可以及時的了解各個網關的剩余電量。

圖5 電源管理模塊電路原理圖

3 WIA-PA 網關的軟件設計

WIA-PA 網關的軟件部分采用模塊化的編程思想，將軟件部分分成CAN 總線通信部分、系統管理模塊、無線通信管理模塊和協議轉換模塊等。

3.1 CAN 總線通信模塊

為了提高WIA-PA 網關數據傳輸的實時性，CAN 報文的接收發送均采用中斷方式。CAN 通信模塊開啟CAN 中斷需要調用STM32F107 的固件庫函數void CAN_IT(CAN_Ty-pedef* CANx，uint32_t CAN_IT)。在接收發送報文通過判斷標志位來確定是否產生CAN 中斷，進入中斷處理函數發送報文或者接收報文。

3.2 系統軟件管理模塊

WIA-PA 網關的管理模塊具有3 個功能:

(1)網關軟件系統的網絡管理，即對整個無線傳感器網絡的設備節點的接入和離開進行管理，對設備節點進行路由配置等。

(2)網關軟件系統安全管理，即負責整個網絡安全。

(3)網絡信息庫的維護，即為網絡中的所有設備提供資源信息。

網關的系統軟件管理模塊流程圖如圖6 所示。

圖6 系統軟件管理模塊流程圖

3.3 無線通信模塊

按照WIA-PA 標準將無線通信模塊分成物理層、數據鏈路層、網絡層和應用層［7-8］。數據實體接口和管理實體接口是協議棧各層的兩個接口。數據實體接口主要為上層提供數據服務，兒管理實體接口主要為上層提供內部層參數配置。模塊的流程圖如圖7 所示。

表1 網關接收的采樣數據/mV

圖7 無線通信模塊模塊流程圖

4 測試實驗

對設計完成的網進行了功能驗證實驗。功能測試實驗的原理是用信號發生器輸出一個幅值0 ～2.5 V，頻率為200 Hz 的正弦信號到無線數據采集節點，節點以2 kHz 的采樣頻率采樣信號，得到的數據通過無線發送到網關。根據網關得到的數據用Matlab 軟件畫出對應波形，和原始波形進行比較。表1 是網關通過無線得到的數據。圖8 為原始波形和Matlab 繪制出的波形。

圖8 原始波形和還原波形對比

由圖8 可以看出，網關得到的無線數據可以較好的還原出正弦波。根據《煤礦安全規程》以及AQ6201標準要求，2 kHz 的采樣頻率完全能夠滿足要求。

5 結論

本文設計了基于WIA-PA 的瓦斯監測傳感器網絡網關。通過實驗表明該網關能夠實現網關設備與現場各個瓦斯節點、路由節點、上位機之間實現數據的雙向通信。與傳統有線方式監測瓦斯濃度設備相比，大大減少了線路連接的復雜程度，減少了礦井下臨時施工點的監測盲區。下一步將對WIA-PA 網絡的安全性進行深入研究。

［1］ 李紀榕，李福進，吳艷微，等.基于無線傳感網絡的煤礦安全監測系統設計［J］.傳感技術學報，2011，24(9):1336-1338.

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