基于ZigBee的瓦斯無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
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隨著計(jì)算機(jī)和無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算機(jī)、無(wú)線通信技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于礦井安全和生產(chǎn)監(jiān)測(cè),廣泛涉及到計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息傳輸技術(shù)、電氣防爆技術(shù)、應(yīng)用化學(xué)技術(shù)、控制技術(shù)、光纖技術(shù)和嵌入式技術(shù)等多種技術(shù)。ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù),完整的協(xié)議棧只有32KB,可以嵌入各種設(shè)備中,同時(shí)支持地理定位功能。這些特點(diǎn)決定ZigBee技術(shù)非常適合應(yīng)用在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。與現(xiàn)有的各種無(wú)線通信技術(shù)相比,ZigBee技術(shù)在功耗和成本上相對(duì)較低,有很大的優(yōu)勢(shì)。本文研究設(shè)計(jì)的煤礦瓦斯無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦井空氣中的瓦斯?jié)舛?,?shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性、便于安裝性、低成本、節(jié)能和實(shí)際可行性,從而給煤礦生產(chǎn)工作的順利進(jìn)行提供一定的保障,為礦井的防災(zāi)、減災(zāi)以及提高生產(chǎn)效率方面發(fā)揮一定的作用。
煤礦瓦斯無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)是由多個(gè)自給供電的ZigBee節(jié)點(diǎn)組成的,每個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)都可以進(jìn)行周圍環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、簡(jiǎn)單計(jì)算以及與其他節(jié)點(diǎn)及外界進(jìn)行通信,從而使得眾多的傳感器可以通過(guò)協(xié)同工作進(jìn)行高質(zhì)量的傳感,組成一個(gè)容錯(cuò)性較好的采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要包括ZigBee節(jié)點(diǎn)和ZigBee基站節(jié)點(diǎn),整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1,其中ZigBee基站節(jié)點(diǎn)主要用于組合從各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)得到的數(shù)據(jù)以及負(fù)責(zé)與外界的通信,該節(jié)點(diǎn)基于嵌入式系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用部分網(wǎng)狀(Partial Mesh)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其主要好處是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的范圍都成倍地?cái)U(kuò)大了,沒有最大通信距離的限制,因?yàn)樗械墓?jié)點(diǎn)都被用作中繼器或路由器。在圖1中,節(jié)點(diǎn)A通過(guò)以下路徑傳送信號(hào)到ZigBee基站節(jié)點(diǎn):A-B-ZigBee基站節(jié)點(diǎn),另一替代路徑為:A-E-F-ZigBee基站節(jié)點(diǎn),也還有其他幾種冗余的路徑。
1 ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
ZigBee節(jié)點(diǎn)的主要功能是采集瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)發(fā)送給各個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)組的基站。ZigBee節(jié)點(diǎn)主要由傳感器模塊、MSP430F149模塊、CC2420收發(fā)模塊、存儲(chǔ)模塊和電源管理模塊五部分組成,包括電源模塊指示燈/開關(guān)、傳感器模塊接口、USB接口、天線接口等。
ZigBee節(jié)點(diǎn)的傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,本設(shè)計(jì)中傳感器模塊采用瓦斯傳感器和溫濕度傳感器;MSP430F149模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理、任務(wù)管理等,MSP430F149處理器自身具有A/D功能,從傳感器得到的模擬信號(hào)可以直接送到MSP430F149進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,且功耗低;CC2420收發(fā)模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信,交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù),提供SPI接口與MSP430F149通信,而MSP430F149則連接鍵盤、顯示等人機(jī)交互界面、傳感器、控制器等;存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù);電源管理模塊提供能量,選通所用到的傳感器,由兩節(jié)1.5V堿性電池組成。
?、費(fèi)SP430F149模塊
MSP430F149模塊,即MCU模塊,采用TI公司的MSP430F149,如圖2所示。TI公司的MSP430系列單片機(jī)是一種超低功耗的混合信號(hào)控制器,能夠在低電壓下以超低功耗狀態(tài)工作;其控制器具有強(qiáng)大的處理能力和豐富的片內(nèi)外設(shè);帶FLASH存儲(chǔ)器的單片機(jī)還可以方便高效地進(jìn)行在線仿真和編程。MSP430F149是MSP430X1XX系列中功能最強(qiáng)的單片機(jī),而且MSP430F149的運(yùn)行環(huán)境溫度范圍為-40℃~+85℃,可以適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境。
?、贑C2420收發(fā)模塊
CC2420是Chipcon公司推出的首款符合2.4GHz IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。該器件是第一款適用于Zigbee產(chǎn)品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF03技術(shù),以0.18μm CMOS工藝制成,只需極少外部元器件,性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數(shù)超過(guò)了IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求,可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無(wú)線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250Kb/s,可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。它的外圍電路包括晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入/輸出匹配電路和微控制器接口電路三個(gè)部分。芯片本振信號(hào)既可由外部有源晶體提供,也可由內(nèi)部電路提供。由內(nèi)部電路提供時(shí)需外加晶體振蕩器和兩個(gè)負(fù)載電容,電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數(shù)。CC2420收發(fā)模塊的外圍電路如圖3所示。
③存儲(chǔ)模塊
存儲(chǔ)模塊采用意法半導(dǎo)體公司的1Mb串行EEPROM芯片M24M01,M24M01采用微型SO8N封裝,封裝外殼寬度僅為150mil(3.8mm),內(nèi)置I2C雙線串口,是保存參數(shù)經(jīng)常被修改的海量數(shù)據(jù)的理想選擇,存儲(chǔ)密度從1Kb~1Mb。M24M01支持100kHz和400kHz時(shí)鐘頻率,全面兼容I2C規(guī)范,1.8~5.5V的寬工作電源電壓。128Kb×8存儲(chǔ)結(jié)構(gòu),支持字節(jié)和頁(yè)式寫模式,寫操作極快,256B寫操作低于5ms。數(shù)據(jù)保存能力超過(guò)40年,耐擦寫能力不低于100萬(wàn)次擦寫循環(huán),工作溫度范圍-40℃~+85℃。存儲(chǔ)模塊如圖4所示。
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傳感器有很多種類,可以檢測(cè)溫濕度、光照、噪聲、振動(dòng)、磁場(chǎng)、加速度、氣體濃度等物理量。本系統(tǒng)采用的傳感器模塊采用瓦斯傳感器和溫濕度傳感器。
溫濕度傳感器采用SHTxx系列,該系列支持低功耗模式,采集完數(shù)據(jù)后自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠模式,電流小于1μA。本設(shè)計(jì)采用SHT11溫濕度傳感器,SHT11是瑞士Scnsirion公司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片。該芯片廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)、汽車、消費(fèi)電子、自動(dòng)控制等領(lǐng)域。SHT11溫濕度傳感器采用SMD(LCC)表面貼片封裝形式,接口非常簡(jiǎn)單,如圖5所示。
瓦斯傳感器采用北京東方吉華科技有限公司生產(chǎn)的KGS-20低功耗瓦斯傳感器,如圖6所示。KGS-20以二氧化錫為基本敏感材料,專門用于可燃?xì)鉂舛葯z測(cè)的一種半導(dǎo)體型氣體傳感器。它的基本特征是:極高靈敏度和極快的響應(yīng)速度且低功耗。KGS-20型可燃?xì)鈧鞲衅鬟m用于對(duì)瓦斯等可燃?xì)鉂舛鹊臋z測(cè),用于瓦斯報(bào)警器,可燃?xì)鈭?bào)警器,瓦斯檢測(cè)儀等。該傳感器體積小,耗電低,應(yīng)用電路簡(jiǎn)單,報(bào)警濃度為甲烷≥1%,響應(yīng)時(shí)間≤20s,恢復(fù)時(shí)間≤30s,工作溫度范圍-15℃~+50℃,濕度≤97%RH,靜態(tài)功耗為150mW,報(bào)警狀態(tài)功耗為300mW,供電電壓為3~5VDC。傳感器敏感組件的電阻RS的變化表現(xiàn)為負(fù)載電阻RL上的電壓變化。驅(qū)動(dòng)電壓VH、負(fù)載電阻RL以及檢測(cè)電壓VD的取值參照公司提供的典型資料,以使傳感器處于最佳工作狀態(tài)。
傳感器電源的供電電路設(shè)計(jì)對(duì)傳感器模塊的能量消耗來(lái)說(shuō)非常重要。對(duì)于小電流工作的傳感器(幾百μA),可由處理器I/O口直接驅(qū)動(dòng);當(dāng)不用該傳感器時(shí),將I/O口設(shè)置為輸入方式。這樣外部傳感器沒有能量輸入,也就沒有能量消耗。
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電池種類很多,電池儲(chǔ)能大小與形狀、活動(dòng)離子的擴(kuò)散速度、電極材料的選擇等因素有關(guān)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的電池一般不易更換,所以選擇電池非常重要,DCDC模塊的效率也至關(guān)重要。本設(shè)計(jì)采用2節(jié)5號(hào)AA電池供電。
2 ZigBee基站節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
ZigBee基站節(jié)點(diǎn)主要由ARM模塊、存儲(chǔ)模塊(NAND Flash,64MB-1GB可選)、CC2420收發(fā)模塊、傳感器模塊和電源管理模塊組成。ARM模塊采用ST公司生產(chǎn)的STR710FZ2T6微處理器,STR710FZ2T6是基于ARM7指令集的ARM處理器,片內(nèi)有256KB的Flash和64KB的SRAM,而且該處理器集成了許多外設(shè)接口,包括USB2.0接口和以太網(wǎng)接口。ZigBee基站節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)框圖如圖7所示。
煤礦瓦斯無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)
一般煤礦礦井的長(zhǎng)度在10km以上,需布設(shè)100個(gè)以上ZigBee節(jié)點(diǎn),這些節(jié)點(diǎn)是由電池供電的,執(zhí)行組網(wǎng)、感知、采樣和初步的數(shù)據(jù)處理任務(wù),要求各節(jié)點(diǎn)可以相互通信并具有很強(qiáng)的協(xié)同能力,通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)間的信息,節(jié)點(diǎn)間構(gòu)成多跳的通信網(wǎng)絡(luò)。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)采用MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?,并在一個(gè)區(qū)域設(shè)置一個(gè)ZigBee基站節(jié)點(diǎn)(網(wǎng)絡(luò)終端),通過(guò)ZigBee基站節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳到控制中心。
結(jié)論
本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)合現(xiàn)階段煤礦安全生產(chǎn)現(xiàn)狀及ZigBee技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,應(yīng)用低功耗微處理器MSP430F149,結(jié)合相應(yīng)外圍電路設(shè)計(jì)ZigBee節(jié)點(diǎn),能夠采集溫度、濕度和瓦斯試驗(yàn)數(shù)據(jù),并能通過(guò)ZigBee基站節(jié)點(diǎn)傳到上位機(jī)。ZigBee技術(shù)作為一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),將隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,成為實(shí)現(xiàn)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最理想的應(yīng)用方案和發(fā)展趨勢(shì)。