基于ZigBee的煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

O 引言
    基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)由井下的傳感器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器和井上監(jiān)控計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器組成。傳感器節(jié)點(diǎn)可以在井下固定放置，也可以由人員佩戴。系統(tǒng)由固定節(jié)點(diǎn)采集井下甲烷、硫化氫、一氧化碳、溫度、濕度等環(huán)境信息，通過由傳感器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將環(huán)境信息數(shù)據(jù)傳送到井上監(jiān)控計(jì)算機(jī)；同時(shí)也可以根據(jù)人員佩戴節(jié)點(diǎn)所在位置信息實(shí)現(xiàn)人員定位，并通過該節(jié)點(diǎn)獲取相應(yīng)人員的身份及當(dāng)時(shí)身體狀況等信息。本文主要介紹傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

1 傳感器節(jié)點(diǎn)功能要求及總體結(jié)構(gòu)
1．1 功能要求
    該系統(tǒng)沒有設(shè)計(jì)專用的路由節(jié)點(diǎn)，因此傳感器節(jié)點(diǎn)不僅要采集傳感器信號，同時(shí)又要充當(dāng)路由器。傳感器信號主要有甲烷濃度、硫化氫濃度、氧氣濃度、溫度、濕度、風(fēng)速、壓力等信號；人員信息包括身高、體重、血型、姓名等基本信息。
1．2 總體結(jié)構(gòu)
    傳感器節(jié)點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括傳感器調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、報(bào)警電路、通用控制輸出電路和電源電路。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
2. 1 處理器及主要元件選擇
    傳感器節(jié)點(diǎn)處理器選擇了英國Jennic公司的JN5121無線模塊，它是業(yè)界第一款兼容于IEEE 802．15．4的低功耗，低成本無線微控制器。該模塊內(nèi)置一款32位的RISC處理器，配置有2．4 GHz頻段的IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器，64 KB的ROM，96 KB的RAM，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供了完善的解決方案，同時(shí)高度集成化的設(shè)計(jì)簡化了總的系統(tǒng)成本。JN5121內(nèi)置的ROM存儲集成了點(diǎn)對點(diǎn)通信與網(wǎng)狀網(wǎng)通信的完整協(xié)議棧；JN5121內(nèi)置的RAM存儲可以支持網(wǎng)絡(luò)路由和控制功能而不需要外部擴(kuò)展任何的存儲空間。JN5121內(nèi)置的硬件MAC地址和高度安全的AES加密算法加速器減小了系統(tǒng)的功耗和處理器的負(fù)載。JN5121可應(yīng)用于運(yùn)行于2．4 GHz頻段的各種ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，包括協(xié)調(diào)器、路由器以及終端設(shè)備。
    A／D轉(zhuǎn)換器選用了ADI公司的AD7708，是美國ADI公司開發(fā)的具有低噪聲、高分辨率、高可靠性及線性度好等優(yōu)點(diǎn)，采用∑-△轉(zhuǎn)換技術(shù)的可配置10通道16位A／D轉(zhuǎn)換器件，其靈活的串行接口使AD7718可以很方便地與微處理器或移位寄存器相連接，可以利用SPI總線完成與微處理器的通信，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制、測量儀表、便攜式測試儀器、智能變送器、應(yīng)變測量等領(lǐng)域。
2．2 甲烷測量電路設(shè)計(jì)
    甲烷濃度測量選用了國產(chǎn)的煤礦甲烷檢測用載體催化元件，催化元件根據(jù)催化燃燒效應(yīng)的原理工作，由檢測元件和補(bǔ)償元件配對組成電橋的兩個(gè)臂，遇可燃性氣體時(shí)檢測元件電阻升高，橋路輸出電壓變化，該電壓變量隨氣體濃度增大而成正比例增大，補(bǔ)償元件起參比及溫濕度補(bǔ)償作用，其測量電路如圖2所示。

2．3 一氧化碳和硫化氫測量電路設(shè)計(jì)
    一氧化碳和硫化氫濃度測量均選用了國產(chǎn)的電化學(xué)氣體傳感器，電化學(xué)元件根據(jù)電化學(xué)的原理工作，利用待測氣體在電解池中工作電極上的電化學(xué)氧化過程，通過電子線路將電解池的工作電極和參比電極恒定在一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娢?，在該電位下可以發(fā)生待測氣體的電化學(xué)氧化，由于氧在氧化和還原反應(yīng)時(shí)所產(chǎn)生的法拉第電流很小，可以忽略不計(jì)，于是待測氣體電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的電流與其濃度成正比并遵循法拉第定律。這樣，通過測定電流的大小就可以確定待測氣體的濃度。其測量電路如圖3所示。

2．4 其他主要元件選擇
    負(fù)壓測量選用Motorola的氣壓傳感器MPX5100，溫度測量選用集成數(shù)字溫度傳感器DSl8B20。
2．5 電源設(shè)計(jì)
    節(jié)點(diǎn)供電對于固定節(jié)點(diǎn)采用蓄電池供電，對于佩戴型則直接從礦燈去電，由于使用蓄電池供電，因此電源設(shè)計(jì)時(shí)要考慮其轉(zhuǎn)換效率。該系統(tǒng)中電源設(shè)計(jì)選用了CS51412，CS51411，MAX660三種元件，其中CS51411，CS51412芯片為ON半導(dǎo)．體推出的新型補(bǔ)償穩(wěn)壓器系列產(chǎn)品，精度高，開關(guān)頻率性能優(yōu)異，功能完備，專用于蜂窩基站和無線通信基礎(chǔ)設(shè)施，其輸入電壓范圍在4．5～40 V之間。MAX660芯片為MAXIM推出的電源轉(zhuǎn)換芯片，可以實(shí)現(xiàn)+3 V到-3 V電源的轉(zhuǎn)換。12 V轉(zhuǎn)5 V電路如圖4所示。

3 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
3．1 通信協(xié)議的制定
    設(shè)計(jì)通訊協(xié)議應(yīng)充分降低通訊雙方之間的耦合性，使得節(jié)點(diǎn)增加與減少并不影響監(jiān)測計(jì)算機(jī)軟件的正常運(yùn)行(即不會因?yàn)閭鞲衅鱾€(gè)數(shù)、類型的改變而需修改上位機(jī)軟件)。同時(shí)，上位機(jī)監(jiān)控軟件可以通過與節(jié)點(diǎn)的通信，按照協(xié)議規(guī)定自動解析傳感器節(jié)點(diǎn)相關(guān)信息。結(jié)合系統(tǒng)特點(diǎn)，制定了監(jiān)控系統(tǒng)專用的一套應(yīng)用層通信協(xié)議，該協(xié)議是運(yùn)行于ZigBee之上，用于規(guī)范應(yīng)用層的數(shù)據(jù)交換而制定的協(xié)議。
    煤礦監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)以幀形式傳輸數(shù)據(jù)，幀是一個(gè)傳輸單位。發(fā)送幀是在無線網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀，其結(jié)構(gòu)為：前導(dǎo)+UU編碼包。其中前導(dǎo)一個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)范圍：0x61～0xff，其含義代表無線網(wǎng)絡(luò)中的不同操作命令，根據(jù)操作命令不同在節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中UU編碼包中的數(shù)據(jù)可以分為設(shè)備描述包、環(huán)境數(shù)據(jù)包、控制指令包、時(shí)間同步包、應(yīng)答包；后面緊跟UU編碼包，需要發(fā)送的所有數(shù)據(jù)即實(shí)際數(shù)據(jù)按照UuEncode的方式編碼得到UU編碼包，其中最大80個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)范圍為0x20～0x5f的打印字符?？梢酝ㄟ^比較接收數(shù)據(jù)中的字符是否大于0x61來搜索幀頭。無線網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際要發(fā)送的16進(jìn)制數(shù)據(jù)在這里叫做實(shí)際幀，其結(jié)構(gòu)見表1所示。這些數(shù)據(jù)在發(fā)送前首先要經(jīng)過編碼，編碼后填入發(fā)送幀的UU編碼包。其中實(shí)際幀中的每3個(gè)字節(jié)變換為UU編碼包的中的4個(gè)字節(jié)，所以實(shí)際幀中的最大容量為60 B。

3．2 A／D采集程序設(shè)計(jì)
    A／D采集程序包含兩部分：AD7708的初始化配置和AD中斷數(shù)據(jù)讀取。A／D初始化流程圖如圖5所示。

3. 3 節(jié)點(diǎn)主程序設(shè)計(jì)
    節(jié)點(diǎn)主程序主要包括幾個(gè)部分：節(jié)點(diǎn)初始化、發(fā)送設(shè)備描述包申請加入網(wǎng)絡(luò)、讀A／D數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)包。其流程圖如圖6所示。

4 結(jié)語
    基于ZigBee的煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)終端傳感器節(jié)點(diǎn)能實(shí)時(shí)全面監(jiān)測煤礦井下生產(chǎn)各種信息，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患并及時(shí)發(fā)送給井上監(jiān)控計(jì)算機(jī)，從而可以及時(shí)有效地做出防護(hù)措施。該節(jié)點(diǎn)放置方便，數(shù)據(jù)通信可靠，具備自動入網(wǎng)能力；可以隨意增加和去除節(jié)點(diǎn)，組網(wǎng)方便；解決了有線網(wǎng)絡(luò)布線麻煩，節(jié)點(diǎn)安置不靈活等諸多弊端。該節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)為建立煤礦安全綜合監(jiān)測系統(tǒng)提供了良好的解決方案。