一種低功耗的無線瓦斯傳感器節(jié)點設(shè)計

摘要：在對比常用瓦斯傳感元件的基礎(chǔ)上，選擇了OPTOSENSE公司最新生產(chǎn)的紅外吸收式甲烷氣體傳感器MIPEX，設(shè)計了無線瓦斯傳感器節(jié)點硬件電路。在ZigBee協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，設(shè)計節(jié)點軟件程序。節(jié)點處于周期約為10 min的工作／休眠交替狀態(tài)，在3節(jié)普通電池供電的情況下，從理論上估計其工作時間可超過10年之久，是采用傳統(tǒng)低功耗瓦斯傳感元件所遠遠不能達到的。
關(guān)鍵詞：無線傳感器節(jié)點；瓦斯；ZigBee協(xié)議棧；紅外甲烷傳感器MIPEX

引言
    瓦斯事故一直是煤礦安全生產(chǎn)的主要威脅。雖然近些年來，瓦斯監(jiān)測技術(shù)不斷發(fā)展，但瓦斯爆炸事件仍頻頻發(fā)生。國內(nèi)外現(xiàn)有的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)均是采用有線連接方式，具有很大的局限性。由于傳感器采用有線連接，這使其主要被限制在主礦道中應(yīng)用。而在高瓦斯?jié)舛鹊牟擅汗ぷ髅嫣帲捎诿旱V的不斷開采，工作面各種大型設(shè)備需要不斷地推進，設(shè)備之間的相互位置也不斷地發(fā)生變化，有線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)不能及時跟進礦道的變化，從而造成監(jiān)測盲區(qū)。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于瓦斯安全監(jiān)測系統(tǒng)中，與現(xiàn)有有線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，構(gòu)建一個更為全面的井下瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，將有助于改善目前瓦斯監(jiān)測領(lǐng)域中存在的問題。
    在這樣的系統(tǒng)中，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用電池供電，其能量十分有限。然而常用低功耗瓦斯傳感元件的功耗高達數(shù)百mW。如何降低節(jié)點能耗是無線瓦斯監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)所要解決的關(guān)鍵問題。

1 硬件電路設(shè)計
    表1列出了目前常用低功耗瓦斯傳感元件及其主要指標。從表中可以看出，常用低功耗瓦斯傳感器的功耗都在100mW以上，這對于由電池供電的無線傳感器節(jié)點來說是非常不利的。而且表中所列傳感元件都有一定的響應(yīng)時間，即傳感元件供電后，需要等待其響應(yīng)一段時間，才能正確地反映瓦斯?jié)舛刃畔?。較長的響應(yīng)時間限制了無線瓦斯傳感器節(jié)點每次采集數(shù)據(jù)時的工作時間不能太短。例如，TP-1．1A非加熱甲烷氣體傳感器的響應(yīng)時間接近20 s。如果瓦斯傳感器節(jié)點采用該傳感元件，當其采集一次數(shù)據(jù)時，從給傳感器供電開始，前20 s采集數(shù)據(jù)是沒有意義的，因為這時傳感元件處于響應(yīng)階段，其電壓值不能準確地反映實際瓦斯?jié)舛刃畔?。因此每采集一次?shù)據(jù)，給傳感元件供電的時間至少持續(xù)20 s以上。對于如此高功耗的傳感元件來說，采集一次數(shù)據(jù)所消耗的能量是非常巨大的。這使得所設(shè)計的無線瓦斯傳感器節(jié)點的工作時間過短，以致不能達到實用化要求。

    在無線傳感器節(jié)點的設(shè)計中，還存在一個問題，即傳感元件的工作電壓與節(jié)點電路中微處理器及無線收發(fā)電路工作電壓不一致。如果節(jié)點中不同模塊的供電電壓不同，則電路需要進行電壓轉(zhuǎn)換。而不同電壓的轉(zhuǎn)換將會增加電路設(shè)計的復(fù)雜度，從而使得節(jié)點能耗增加。
    俄羅斯OPTOSENSE公司生產(chǎn)的紅外吸收式甲烷氣體傳感器MIPEX采用非色散紅外技術(shù)(NDIR)原理進行設(shè)計，其光源采用非傳統(tǒng)的節(jié)能LED光源。該光源系統(tǒng)采用了先進的算法產(chǎn)生優(yōu)化的輻射光譜，光線通過布滿甲烷的光學(xué)系統(tǒng)后到達含有硒化鉛和硒化鎘的光敏二極管上，從而對甲烷濃度進行監(jiān)測。傳感器內(nèi)置溫度傳感器，并且內(nèi)部集成信號處理和溫度補償系統(tǒng)，自行輸出數(shù)字信號。數(shù)字信號可以有效地避免外部環(huán)境對其輸出信號的影響。傳感器輸出的數(shù)字信號遵循UART格式。
    本文所選用的無線收發(fā)芯片是CC2430，電源采用電池組供電。隨著電池能量的消耗，電池組輸出的電壓變化較大，很容易超出傳感元件所要求的工作電壓范圍，因此需要選擇合適的穩(wěn)壓器件，給傳感器元件和無線收發(fā)電路提供穩(wěn)定的工作電壓。主要考慮如下：
    ①節(jié)點擬采用3～4節(jié)5號電池供電，即對于穩(wěn)壓器件來說，其輸入電壓范圍為4．5～6 V；
    ②MIPEX傳感器工作電壓范圍為3～4．5 V，而CC2430無線收發(fā)芯片的工作電壓范嗣為2～3．6 V，這里將兩者電壓統(tǒng)一選擇為3．3 V，這就要求穩(wěn)壓器輸出電壓為3．3 V；
    ③無線收發(fā)模塊最大工作電流為27mA，MIPEX傳感器平均工作電流為1 mA，所以要求所選擇的穩(wěn)壓器件能提供不低于28 mA的輸出電流；
    ④所選擇的穩(wěn)壓器件靜態(tài)時的工作電流一定要盡可能小，以便節(jié)省能量。
    考慮到同時滿足以上4點要求，本文選擇了深圳明和科技公司生產(chǎn)的低壓差線性穩(wěn)壓器MH5333。
    它的輸入電壓最高可達10V，輸出電壓為3．3V；最大輸出電流達500mA，靜態(tài)電流為1μA?？梢奙H5333穩(wěn)壓器件能較好地滿足上述要求。
    由3～4節(jié)5號電池串聯(lián)作為穩(wěn)壓器MH5333的輸入，其輸出(3．3 V)為無線收發(fā)電路和傳感器元件提供電源。無線收發(fā)電路與傳感器元件之間通過串口進行數(shù)據(jù)傳輸。CC2430的引腳P0．0和P0．1分別連接了一個LED燈，方便后面調(diào)試程序及觀察程序的執(zhí)行情況。為了降低能耗，這里采用CC2430的一個引腳控制MIPEX傳感器的電源。MIPEX傳感器對其電源的要求是電源電壓在3～4．5 V范圍內(nèi)，輸出功率在0．02～0．25 W。CC2430的P1．0和P1．1兩個引腳可以提供20 mA的驅(qū)動電流，可見CC2430的P1．0和P1．1兩個引腳的輸出功率能夠滿足這一要求。這里選
擇CC2430的P1．0引腳控制MIPEX傳感器的電源。甲烷傳感器MIPEX的TXD和RXD引腳分別連接CC2430的P0．2和P0．3引腳，即連接到CC2430的異步串行接口0的RXD和TXD端。

2 節(jié)點軟件設(shè)計
    紅外甲烷氣體傳感器MIPEX輸出的數(shù)字信號遵循UART格式，要求波特率為9 600，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位，無奇偶校驗位。MIPEX傳感器的控制指令遵循ASCII碼，并且每一個控制命令末尾都要以回車結(jié)尾。每個MIPEX傳感器都有自己的地址，其范圍為00～FF。出廠時默認地址為00，用戶可以自己改寫。由于每個無線瓦斯傳感器節(jié)點只帶有一個MIPEX傳感器，不需要修改其地址。
    MIPEX傳感器的數(shù)據(jù)查詢命令為DATA。當CC2430需要查詢MIPEX傳感器中的濃度信息時，首先要向MIPEX傳感器發(fā)送一組命令：44 41 54 41 0D。其中前4個字節(jié)分別是“D A T A”所對應(yīng)的ASCII碼值，最后的“0D”為回車符的ASCII碼。MIPEX傳感器接收到查詢命令后，其返回值為Concl。該返回值是以一個5位的ASCII碼來表示濃度信息的，結(jié)尾仍然是一個回車符(0Dh)。例如，甲烷氣體濃度為1．86％，傳感器的返回值為00186。48 48 49 56 54分別為0 0 1 8 6的ASCII碼，如下所示。

    傳感器上電后，需要60 s的熱身時間。在這期間，傳感器輸出的不是濃度信息，一般為FFFF。60 s過后，傳感器才輸出正確的測量值。因此在設(shè)計讀寫傳感器的程序時，等傳感器上電1 min后，再向其發(fā)送數(shù)據(jù)查詢及讀取命令，否則讀取的數(shù)據(jù)沒有意義。
    無線收發(fā)芯片CC2430有4種工作模式：PM0、PM1、PM2和PM3。其中PM3模式最省電，但只能被外部中斷喚醒；PM2模式比較省功耗而且可以被定時喚醒。這里的低功耗設(shè)置是讓CC2430工作于PM2模式。ZigBee協(xié)議棧的低功耗實現(xiàn)分為兩個部分：一個是沒有任務(wù)需要執(zhí)行時，自動進入低功耗模式；另一個是CC2430周期性采集瓦斯?jié)舛刃畔r的低功耗設(shè)計。ZigBee協(xié)議棧在進行任務(wù)輪詢時，如果沒有需要執(zhí)行的任務(wù)，其會自動進入低功耗模式。具體實現(xiàn)是在協(xié)議棧主循環(huán)程序osal_start_system中調(diào)用osal_pwrmgr_powerconserve()低功耗函數(shù)。該函數(shù)把獲取OS層timer下一次到時的時間作為參數(shù)，調(diào)用hal_sleep()進入PM2睡眠模式。如果當前沒有任務(wù)，那么將進入PM3。在后續(xù)程序中，每次都設(shè)置一個傳感器讀取事件，即如果自動進入睡眠模式，則一定是進入PM2模式。睡眠前設(shè)置Timer2(睡眠定時器)，醒來的時間剛好等于下次任務(wù)到來的時間，當完成任務(wù)后再次進入睡眠。
    根據(jù)傳感器的操作要求，設(shè)置無線瓦斯傳感器按照以下的流程進行工作。節(jié)點處于工作／休眠交替狀態(tài)，一個工作周期約為10 min。在前8分30秒中CC2430的P1．0引腳輸出低電平，控制MIPEX傳感器不工作。緊接著，CC2430進入低功耗運行模式。8分30秒過后，CC2430被喚醒，P1．0引腳輸出高電平，即給MIPEX傳感器供電。此時CC2430進入PM1低功耗模式。由于MIPEX傳感器的熱身時間為1min，這里設(shè)置70s后，CC2430被喚醒，開始讀取MIPEX中的瓦斯?jié)舛刃畔?，然后將其無線發(fā)送出去。待發(fā)送完畢后，設(shè)置下一次瓦斯?jié)舛茸x取事件，周期為20 s，這20 s內(nèi)，CC2430自動進入低功耗模式。20 s之后，觸發(fā)該事件，并送給應(yīng)用層處理，開始了上述循環(huán)過程。程序設(shè)計的具體流程如圖1所示。

    無線瓦斯傳感器節(jié)點的工作流程主要是在zb_HandieOsalEvent(events)編程實現(xiàn)的，具體程序為：
     
   

3 節(jié)點能耗估計
    在所設(shè)計的電路中，消耗能量的部分是穩(wěn)壓電路、CC2430芯片和MIPEX傳感器。CC2430芯片在一個工作／休眠周期(10 min)內(nèi)，至少有8分30秒處于PM2低功耗狀態(tài)，本文設(shè)定的是PM2低功耗狀態(tài)，在此期間電流為0．9μA。有70 s的時間處于PM1低功耗狀態(tài)，其余20 s處于PM0狀態(tài)。MIPEX傳感器正常工作時，其電流為1 mA。
    一般電池的能量采用mAh的方法進行表示，為了便于估計所設(shè)計的節(jié)點電路工作壽命，這里也采用mAh的方法來表示能量。根據(jù)上面的分析，可以計算出在一個工作／休眠周期內(nèi)，節(jié)點電路所消耗的能量。CC2430在一個周期的能耗約為：
    Q1=0．9μA×510 s+0．2 mA×70 s+25 mA×20 s=514．459 mAs
    MIPEX傳感器在一個周期內(nèi)的能耗約為：
    Q2=1 mA×90 s=90 mAs
    文中所設(shè)計的電路采用3節(jié)1．5 V電池供電，即輸入為4．5 V，輸出為3．3 V。MH5333穩(wěn)壓器的效率與其壓差有關(guān)，線性穩(wěn)壓器件(LDO)的效率一般在85％～90％之問，且隨著壓差的減小，其效率會有所增加。這里假設(shè)其轉(zhuǎn)換效率為85％，則整個節(jié)點電路在一個周期(10 min)內(nèi)的能耗可以表示為：
   
    一節(jié)普通5號電池的能量在600～700mAh，由此可以估算出所設(shè)計的節(jié)點電路在3節(jié)電池供電情況下的工作時間為：
   
    由此可見，本文所設(shè)計的無線瓦斯傳感器節(jié)點具有很低的能量消耗，3節(jié)普通5號電池供電的情況下，工作時間可達3 797天即10年之多。文中設(shè)定丁作／休眠周期可適當縮短，以提高監(jiān)測情況的實時性。如果設(shè)置周期為5 min，那么工作時間也有5年左右。
    傳統(tǒng)的低功耗瓦斯傳感元件功耗都在百mW以上，且有至少10 s的響應(yīng)時間，所以僅傳感元件本身的能耗就非常大。如果再加上信號放大電路、無線收發(fā)電路的能耗，仍沒定工作／休眠周期為10 min，那么普通3節(jié)1．5 V電池儀能維持一個月左右。因此與傳統(tǒng)瓦斯傳感元件相比，MIPEX傳感元件的低功耗性能表現(xiàn)非常優(yōu)越。這也為低功耗無線瓦斯傳感器節(jié)點實用化提供了一條行之有效的途徑。

結(jié)語
    本文采用低功耗紅外瓦斯傳感器MIPEX和CC2430設(shè)計的無線瓦斯傳感器節(jié)點，能夠維持足夠長的工作時間，是采用傳統(tǒng)低功耗瓦斯傳感元件所遠遠不能達到的，這對于推進無線瓦斯傳感器節(jié)點進一步走向?qū)嵱没哂兄匾饬x。不過論文所設(shè)計的傳感器節(jié)點對瓦斯?jié)舛软憫?yīng)的實時性有待進一步提高。當瓦斯?jié)舛瘸迺r，能夠向CC2430發(fā)出中斷觸發(fā)信號，將其從休眠中喚醒。不過，需要增加硬件電路，才能實現(xiàn)該功能。傳感器節(jié)點也可以根據(jù)瓦斯?jié)舛鹊母叩图白兓俾剩畞泶_定其工作／休眠周期。如果瓦斯?jié)舛鹊停易兓俾什淮?，則可以設(shè)置較長的工作／休眠周期；如果瓦斯?jié)舛茸兓^大，則設(shè)置較短的工作／休眠周期；如果瓦斯?jié)舛瘸?，則應(yīng)處于實時工作狀態(tài)。