基于無線Mesh網絡技術的一氧化碳傳感器設計

趙慶川

(中煤科工集團重慶研究院有限公司， 重慶　400039)

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基于無線Mesh網絡技術的一氧化碳傳感器設計

趙慶川

(中煤科工集團重慶研究院有限公司， 重慶400039)

摘要：針對傳感設備在煤礦工作面移動環境中使用的特點，設計了一種基于無線Mesh網絡技術的一氧化碳傳感器，詳細介紹了傳感器硬件電路設計及各部分電路低功耗工作機制等。測試結果表明，該傳感器實現了對煤礦井下一氧化碳濃度的實時、準確在線監測，具有組網速度快、抗干擾能力和避障能力強、無線通信距離遠、功耗低的特點，特別適合在工作面等設備多、環境復雜的地方應用。

關鍵詞：一氧化碳傳感器; 無線Mesh網絡; 低功耗; 光控電路; 自組網

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160705.1455.003.html

0引言

一氧化碳是有毒有害氣體，是導致井下人員中毒傷亡事故的重要原因；同時一氧化碳也是易燃易爆氣體，是引起煤礦爆炸的主要氣體之一[1]。所以，在線實時監測一氧化碳氣體濃度對于保障人員及生產安全都至關重要[2]。現有的礦用一氧化碳傳感器多采用有線通信方式監測一氧化碳濃度,這類傳感器擴展性能差,布線繁瑣[3]。為解決礦用有線一氧化碳傳感器存在的問題，人們研發了基于ZigBee和WiFi等技術的礦用無線傳感器[4]，主要用于回采、掘進工作面等具有瓦斯突出風險的重點區域的一氧化碳濃度監控。但是ZigBee和WiFi等無線通信技術屬于視距傳輸，而回采工作面環境復雜，設備眾多，割煤機、液壓支架等設備位置不斷變化，導致ZigBee和WiFi無線信號差，不適宜在工作面應用。無線Mesh網絡是面向基于IP接入的新型無線移動通信技術[5]，最大的特點是非視距傳輸，同時具有易于安裝、健壯性強、結構靈活、快速部署、帶寬寬等優勢，非常適合在煤礦井下工作面這種需經常移動的環境中使用[6-7]。因此，兼顧功耗和性能，筆者設計了以無線Mesh網絡為基礎，采用電化學檢測原理的一氧化碳傳感器，實現了對煤礦井下一氧化碳濃度的實時、準確在線監測，實現了無線自組網及低功耗運行，能夠保證在不換電池的情況下工作15 d以上。

1傳感器總體設計

基于無線Mesh網絡技術的一氧化碳傳感器原理如圖1所示，主要由電池供電電路、一氧化碳檢測電路、聲光報警電路、顯示電路、光控喚醒電路、無線組網模塊等部分組成。通過合理的低功耗電路設計及傳感器運行工作機制，完全可以保證一氧化碳傳感器在不更換電池的情況下工作15 d以上。

圖1　基于無線Mesh網絡技術的一氧化碳傳感器原理

一氧化碳傳感器以16位PIC24FV32KA304單片機為主控芯片，該芯片具有運行、空閑、休眠3種功耗管理模式，芯片從休眠模式喚醒切換到運行模式只需要1 μs，運行模式下最低電流為3.8 μA，8 MB主頻下最大電流為2.6 mA,非常適合低功耗電路的開發。芯片內置有16路通道的12位模數轉換器，能夠對電池電壓、一氧化碳信號等多路模擬信號依次進行AD轉換；芯片內置有RTCC模塊，可以實現RTCC鬧鐘中斷喚醒功能，具有512 byte E2PROM存儲器，可以存儲傳感器調校、報警點、通信地址等信息，具有SPI，I2C，UART等通信模塊，方便系統拓展開發運用。

2傳感器硬件電路低功耗設計

2.1電池供電電路

單節鋰離子電池的工作電壓一般為3.6 V，經本安處理后其輸出電壓一般為3.52 V。因本文設計選用的單片機PIC24FV32KA304的工作電壓為3 V，檢測一氧化碳濃度的電化學元件的工作電壓也為3.0 V，為了降低信號處理電路的噪聲及實現元件電路供電控制，所以，將采用2個LDO芯片進行電壓轉換。電池供電電路如圖2所示。

圖2　電池供電電路

TLV70430芯片將電壓降為3 V，為單片機及無線組網模塊等電路提供電源。MIC5205-3.0BM5芯片的輸出電壓為3 V，作為一氧化碳元件及其信號處理電路的供電電源。同時MIC5205-3.0BM5芯片具有輸出使能引腳，單片機輸出不同脈寬的脈沖，從而控制一氧化碳元件電路的工作時間，達到既能有效檢測環境一氧化碳濃度，又能最大限度降低功耗的效果，這也是實現傳感器整機低功耗的措施之一。

為了檢測鋰離子電池的電壓，從而推斷出電池剩余電量，設計由R1、R5、R6、Q1構成的電池電壓檢測電路。單片機通過AD轉換模塊獲取Vbat處的電壓，由電阻分壓關系反推得出電池電壓。

電池供電電路的電流大小基本取決于后續電路的電流消耗，TLV70430的漏電流只有5 μA，因此，在分析整機功耗的時候基本可以忽略電池電壓轉換電路的自身電流消耗。

2.2顯示電路

本文設計的一氧化碳傳感器具有4位LED數碼管，第1位為狀態顯示位，后3位顯示數值。本文采用功耗相對較低的動態電路設計顯示電路，正常顯示時該部分電路的電流消耗為2 mA左右。電路共需要4根LED位選線和8根控制顯示筆劃“a，b，c，d，e，f，g，dp”的段選線，全部為單片機端口直接驅動。

動態顯示電路如圖3所示，正常情況下數碼管全部熄滅，顯示電路電流消耗小于3 μA，當井下工人用頭燈光照喚醒單片機時，顯示電路工作，并實時顯示測量值，延時2 s。

2.3光控喚醒及遙控接收電路

光控喚醒技術是低功耗電路設計的關鍵技術之一，是控制單片機由低功耗休眠狀態轉換到正常運行狀態的觸發源，而遙控接收電路的供電控制技術也是降低整機功耗的重要保證之一。光控喚醒及遙控接收電路如圖4所示，Light-wake為單片機的外部邊沿中斷端口，D5為光電二極管，當無光照時，D5為高阻抗狀態，電流小于1 μA，所以三極管Q10基級電壓低于0.7 V，Q10處于截止狀態，Light-wake處的電壓為高電壓；當有光照到D5時，隨著光照的增強，流過D5的電流逐漸增大到幾百微安培,從而使Q10飽和導通，Light-wake處由高電平變為低電平，觸發單片機的邊沿中斷功能，將單片機由休眠狀態喚醒，進入正常運行狀態，采集一氧化碳檢測元件的信號，同時數碼管全亮顯示測量數據，方便井下工作人員查看實時檢測數據。

4月22日，水利部抗震救災前方領導小組冒著風雪檢查禪古水電站修復工作，督促施工單位保質保量按時完成禪古水電站大壩應急除險恢復重建工程。

圖3　動態顯示電路

(a)光控喚醒電路(b)遙控接收電路

圖4光控喚醒及遙控接收電路

單片機休眠時，HWJSKZ為高電平，Q3截止，遙控接收電路不工作；單片機運行時，HWJSKZ為低電平，Q3飽和導通，遙控接收電路工作，工作電流為3 mA，接收遙控器的相關操作命令。

2.4元件信號處理電路

傳感器采用4CM電化學氣體傳感器作為敏感檢測元件，并且采用LMP91000芯片作為元件信號的可編程模擬前端(AFE)，元件信號處理電路如圖5所示。

在圖2中，CH4EN為單片機控制MIC5205-3.0BM5芯片VCC輸出的使能引腳，每2 s內CH4EN為高電平的時間為0.5 s。當CH4EN為高電平時，元件信號處理電路工作，電流為1.2 mA。REF3025芯片為LMP91000芯片提供高精度低溫漂的2.5 V參考電壓，以設置內部零點電壓偏置。LMP91000芯片通過I2C數字接口與單片機進行數據交互，進行內部零點偏置電壓、信號增益倍數等芯片參數的設置，VOUT_ADC為對應一氧化碳濃度的電壓信號，經單片機AD轉換及運算，得出環境中真正的一氧化碳濃度。當CH4EN為低電平時，MIC5205-3.0BM5芯片無電壓輸出，元件信號處理電路不工作，電流小于1 μA，進入低功耗休眠狀態。

圖5　元件信號處理電路

2.5聲光報警電路

本設計采用3 V有源蜂鳴器作為聲報警，聲音可以達到85 dB以上。光報警采用的是高亮發光二極管，保證光報警時20 m外可見。聲光報警電路在常態下不工作，漏電流只有2 μA,可以忽略不計。當一氧化碳超限報警時，聲光報警電路的電流約為20 mA，因為常態下傳感器不報警，所以，計算電池工作時間時無需考慮這部分電流消耗。

本文所用的無線組網模塊完全為自主設計，其核心RF芯片為CC1110。該模塊是低功耗分布式無線自組網模塊，工作在433 MHz免費頻段，發射電流為33 mA，接收電流為20 mA，休眠電流為0.5 μA，視距通信距離達150 m。內嵌無線Mesh網絡自組網私有協議IPMKMesh，理論無線路由級數達255級，網絡內節點數量達到65 535個。

單片機與無線自組網模塊接口連接如圖6所示，UART的波特率為19 200 bit/s。無線組網模塊鏈路層采用智能的同步校時喚醒算法及碰撞避免算法，具有優異的抗干擾能力，所有組網的設備都可以同步工作、休眠，保證一氧化碳監測數據通過無線多跳鏈路傳輸到無線數據接收終端。

圖6　單片機與無線組網模塊接口連接

3電池容量計算與選型

元件信號處理電路每間隔2 s 上電工作0.5 s，因此，該部分電路平均工作電流Ia為0.3 mA；單片機電路及遙控接收電路部分工作電流為5.6 mA，每間隔2 s上電工作0.5 s，其余時間休眠，因此，這部分電路的平均工作電流Ib為1.4 mA；無線組網模塊發射電流為33 mA，接收電流為20 mA，每2 s發送1次測量數據，發射、接收大約各工作0.2 s，因此，無線組網模塊平均工作電流Ic為5.3 mA；考慮到其他電路漏電流及單片機、無線組網模塊的休眠電流，假設這部分平均電流Id為1 mA，那么整個傳感器的平均工作電流I為上述4項平均電流之和，即8 mA。

傳感器每天消耗的電量為24I，即192 mA·h，工作15 d需要的電量為2.88 A·h。一般情況下，電池只能釋放自身85%的電量，因此，選用的電池額定電量應不低于3.4 A·h。經查找對比，電池選用ER18505型一次鋰亞硫酰氯電池，該電池額定容量為3.8 A·h，滿足設計要求。

4傳感器軟件設計

基于無線Mesh網絡技術的一氧化碳傳感器的程序采用C語言設計，主程序主要是進行單片機初始化及休眠等待中斷，軟件程序的核心是2個中斷程序的處理，一個是實現RTCC鬧鐘周期性中斷喚醒，以執行一氧化碳濃度采集及運算、超限報警、UART發送濃度數據到無線組網模塊等任務；另一個是實現光控邊沿中斷喚醒單片機執行濃度顯示、紅外遙控響應等任務，具體軟件流程如圖7所示。

5結語

基于無線Mesh網絡技術的一氧化碳傳感器采用電化學檢測原理，實現了對煤礦井下一氧化碳濃度的實時、準確在線監測，已在實驗室條件下進行了測試。測試結果表明， 該傳感器組網速度快，抗干擾能力和避障能力強，特別適合在工作面等設備多、環境復雜的地方應用。在模擬煤礦巷道環境下對5個傳感器進行測試，無線通信距離達到100 m，至少能夠達到5級路由深度的數據傳輸，電池工作時間最短為18 d，最長為21 d。該傳感器在煤礦井下具有廣闊的推廣應用前景。

圖7　傳感器軟件流程

參考文獻：

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Design of carbon monoxide sensor based on wireless Mesh network technology

ZHAO Qingchuan

(CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China)

Abstract:A carbon monoxide sensor based on wireless Mesh network technology was designed according to usage characteristics of sensor equipment in mobile environment of coal mine working face, and hardware circuit design and its low power consumption work mechanism were introduced in details. The test results show that the sensor realizes real-time and accurate on-line monitoring of underground carbon monoxide concentrations and has characteristics of fast networking speed, strong ability of anti-interference and obstacle avoidance, long wireless communication distance and low power consumption, which especially is suitable for application on working face with more equipment and complex environment.

Key words:carbon monoxide sensor; wireless Mesh network; low power consumption; light control circuit; Ad-Hoc network

文章編號：1671-251X(2016)07-0008-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.07.003

收稿日期：2016-01-12；修回日期：2016-05-25；責任編輯：張強。

基金項目：2014年國家物聯網發展補助資金支持項目(2014083105)；重慶市煤監局2014年煤炭發展專項資金項目(渝煤[2014]-kj-09)；中國煤炭科工集團有限公司科技創新基金面上項目(2014MS025)。

作者簡介：趙慶川(1984-)，男，山東濟寧人，助理研究員，碩士，主要研究方向為礦用智能儀器儀表設計及電氣控制技術、傳感器無線通信技術，E-mail:zhaoqich@163.com。

中圖分類號：TD679

文獻標志碼：A網絡出版時間：2016-07-05 14:55

趙慶川.基于無線Mesh網絡技術的一氧化碳傳感器設計[J].工礦自動化，2016,42(7)：8-11.