基于ZigBee的礦井中無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計

李巖巖 任玲芝 楊漢生

（巢湖學院電子工程與電氣自動化學院，安徽 巢湖 238000）

1 引言

礦井中瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的硬件主要有兩種類型的結點組成，分別是瓦斯監(jiān)測結點和數(shù)據(jù)接收結點。前者一般放在井下一些比較重要的位置，這些節(jié)點對井下的瓦斯?jié)舛群铜h(huán)境中的溫濕度參數(shù)進行周期性的采集，并將這些信息通過ZigBee網(wǎng)絡發(fā)送給接收節(jié)點。后者主要是建立ZigBee網(wǎng)絡，允許監(jiān)測節(jié)點加入網(wǎng)絡并建立綁定關系，接收監(jiān)測節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息，將數(shù)據(jù)送到PC機中，充當著網(wǎng)關的功能。

2 節(jié)點硬件設計

2.1 微控制器與射頻電路接口設計

礦井中環(huán)境比較復雜和惡劣，在設計時采用CC2430+CC2591組合來達到信號發(fā)射功率大，發(fā)射距離遠的效果。CC2591是TI公司推出的一款高性價比和高性能的2.4GHz的RF前端芯片，主要用于低功耗低電壓的2.4GHz射頻前端，以提高發(fā)射功率和增加發(fā)射距離[1]。CC2430與CC2591接口電路如圖1所示。

圖1 CC2430與CC2591接口電路

2.2 傳感器接口電路設計

2.2.1 瓦斯傳感器接口電路設計

瓦斯傳感器選用MJC4/3.0J型號的催化燃燒式傳感器，采集瓦斯?jié)舛群笠噪妷旱姆绞捷敵龅碾妷褐蹬c瓦斯的濃度值成正比關系。通常情況下，礦井中的瓦斯?jié)舛冗_到5%時，就處于危險情況，5%的瓦斯?jié)舛戎祵妮敵鲭妷菏潜容^小的，所以必須要對輸出的電壓進行高增益放大，才能滿足后續(xù)A/D采樣測量[2]。瓦斯傳感器輸出電壓的信號調(diào)理電路如圖2所示。

圖2 瓦斯傳感器的接口電路

2.2.2 溫濕度傳感器接口電路設計

溫度和濕度值是礦井中兩個重要的環(huán)境參數(shù)。為了避免增加過多的傳感器，選用的溫濕度傳感器采用瑞士Sensirion公司的SHT11產(chǎn)品。礦井內(nèi)溫度和濕度信號經(jīng)由SHT11內(nèi)部的相對濕度傳感器和溫度傳感器轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號，該電壓信號再經(jīng)過SHT11內(nèi)部集成的信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、二線數(shù)字接口后由SHT11的雙向數(shù)據(jù)口DATA端傳送給微控器CC2430的I/O口[3]。SHT11接口電路如圖3所示。

圖3 溫濕度傳感器接口電路

2.3 電源模塊電路設計

電源供電穩(wěn)定程度是整個系統(tǒng)非常重要的部分。射頻芯片CC2430的工作電壓為3.3V和1.8V，采用AMS1117芯片對電池的電壓進行降壓和穩(wěn)壓處理。AMS1117具有寬電壓輸入，功耗低，輸出電壓與輸入電壓差小，并且內(nèi)部置有保護電路[4]。電路中發(fā)光二極管是電源指示燈，電路原理圖如圖4所示。

圖4 電源供電模塊接口電路

2.4 聲光報警模塊

當?shù)V井中的瓦斯?jié)舛冗_到4.9%-16%的范圍時，就隨時都有可能發(fā)生爆炸，情況十分危險，這時的監(jiān)測節(jié)點應能立即啟動報警裝置發(fā)出報警信息提示井下作業(yè)人員立即撤離礦井遠離危險區(qū)，因此在對監(jiān)測節(jié)點設計時應加入一種報警裝置。本文設計聲光報警的方式來提示工作人員危險的存在。聲光報警在發(fā)出報警聲音的同時還結合有發(fā)光二極管的不斷閃爍，使井下工作人員更容易發(fā)現(xiàn)險情。對于個別的特別緊急的狀態(tài)如參數(shù)越限，可以通過主控中心來報警，以便使礦工們及時采取措施免遭危險。圖5是聲光報警接口電路。

圖5 聲光報警接口電路

2.5 串口通信電路設計

在CC2430芯片和PC機之間設計了串口通信電路，該電路的功能主要是進行電平轉(zhuǎn)換，利用MAX232芯片來完成這樣功能。CC2430芯片把采集到的參數(shù)值通過串口通信送到上位機中，CC2430的工作電壓與上位機的工作不同，不能直接連接，采用MAX232芯片進行工作電壓的轉(zhuǎn)換，該芯片外圍電路連接非常簡單，只需要五個0.1uF的小電容即可[5]。串口通信電路如圖6所示。

圖6 串口通信模塊電路

3 系統(tǒng)接口驅(qū)動程序設計

在硬件電路搭建完成的條件下，要想實現(xiàn)硬件結點的基本操作和結點節(jié)的無線通信還必須進行相應的接口驅(qū)動程序的編寫。

3.1 監(jiān)測節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)驅(qū)動程序設計

監(jiān)測節(jié)點主要負責加入ZigBee網(wǎng)絡，并讀取傳感器模塊采集到的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡發(fā)送出去。由于Zstack協(xié)議棧是半開源的，對于網(wǎng)絡層（NWK）是不開源的，用戶看不到建立ZigBee網(wǎng)絡程序，只需要調(diào)用網(wǎng)絡層的API函數(shù)即可，因此只需要對監(jiān)測節(jié)點的發(fā)送數(shù)據(jù)程序進行設計，監(jiān)測節(jié)點的發(fā)送數(shù)據(jù)程序流程圖如圖7所示。

圖7 監(jiān)測節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)程序流程圖

3.2 接收節(jié)點接收數(shù)據(jù)驅(qū)動程序設計

接收節(jié)點主要負責建立ZigBee網(wǎng)絡，允許監(jiān)測節(jié)點加入網(wǎng)絡，接收監(jiān)測節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并對其進行相關的處理，再通過串口通信方式送到上位機中將數(shù)據(jù)顯示出來。接收發(fā)送節(jié)點傳來的傳感器采集到的數(shù)據(jù)，然后通過串口傳送給PC機并顯示出來。接收節(jié)點的程序流程圖如圖8所示。

圖8 接收節(jié)點接收數(shù)據(jù)程序流程圖

4 系統(tǒng)驅(qū)動程序仿真調(diào)試

監(jiān)測節(jié)點采集溫濕度傳感器的溫度值和濕度值，并將采集到的這些值通過網(wǎng)絡發(fā)送出去。接收結點收到這些數(shù)據(jù)后會把它們發(fā)送給PC機，這是借助與串口通信電路來完成的，PC機接收到這些收據(jù)后再借助串口調(diào)試助手把這些數(shù)據(jù)顯示出來。圖9所示是接收到監(jiān)測節(jié)點發(fā)送的溫濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)。

圖9 溫濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)

5 結束語

為了解決礦井中安全監(jiān)測時有線方案的布線復雜、維護困難和維護成本高的問題，利用Zigbee技術設計一種適用于礦井中的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，負責采集礦井環(huán)境參數(shù)，給管理人員實時提供了礦井中是否處于安全狀況信息。該節(jié)點能夠放置在礦井中任一位置，不受地理條件限制，具有擴展性強，經(jīng)濟效益好的特點。

[1] 黃玉立，童玲，田雨.基于CC2531+CC2591的WSN節(jié)點通信模塊設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2011，（1）：71-73

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