基于ZigBee技術(shù)的無線紅外瓦斯傳感器智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：給出了以AT86RF212為核心的ZigBee無線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)紅外檢測(cè)終端的組網(wǎng)監(jiān)測(cè)方法，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)架構(gòu)及終端紅外檢測(cè)模塊的硬件設(shè)計(jì)及軟件架構(gòu)。該方法可以很好地實(shí)現(xiàn)井下特殊環(huán)境下的檢測(cè)布控，從而有效監(jiān)控井下各點(diǎn)的瓦斯突變。
關(guān)鍵詞：Zigbee；紅外無線通信；瓦斯傳感器；智能監(jiān)控

0 引言
    在煤礦開采過程中，礦井瓦斯?jié)舛鹊臏y(cè)量對(duì)煤礦安全生產(chǎn)非常重要。對(duì)煤礦井下瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行精確測(cè)量和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制是防止煤礦瓦斯爆炸、確保人身安全的重要措施。但目前我國(guó)礦井存在不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下的瓦斯、溫濕度等信息，瓦斯檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)滯后等問題，給礦井安全帶來重大隱患。因此，本文采用IEEE 802．15．4／ZigBee協(xié)議，設(shè)計(jì)了一種以基于ATMEL公司AT86RF212為核心的無線監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

1 ZigBee協(xié)議簡(jiǎn)介
    ZigBee是ZigBee聯(lián)盟定義的無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee聯(lián)盟的主要目標(biāo)是通過加入無線網(wǎng)絡(luò)功能，為消費(fèi)者提供更富有彈性、更容易使用的電子產(chǎn)品。ZigBee技術(shù)能融入各類電子產(chǎn)品，應(yīng)用范圍橫跨全球的民用、商用、公共事業(yè)以及工業(yè)等市場(chǎng)，使得聯(lián)盟會(huì)員可以利用ZigBee這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化無線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單、可靠、便宜又節(jié)省電力的各種產(chǎn)品。
    ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)有兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和對(duì)等的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由一個(gè)叫做PAN主協(xié)調(diào)器的中央控制器和多個(gè)從設(shè)備組成。主協(xié)調(diào)器必須為一個(gè)完整功能的設(shè)備；從設(shè)備既可為完整功能設(shè)備，也可為簡(jiǎn)化功能設(shè)備。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用情況，采用不同功能的設(shè)備，合理地構(gòu)造通信網(wǎng)絡(luò)。

2 無線瓦斯傳感器監(jiān)控系統(tǒng)組成
    圖1所示是本無線瓦斯傳感器監(jiān)控系統(tǒng)的組成框圖。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括監(jiān)控節(jié)點(diǎn)模塊、數(shù)據(jù)接收模塊及井上信息綜合處理中心等部分，主要是利用不同的瓦斯采集終端對(duì)各采集點(diǎn)進(jìn)行瓦斯采集，通過建立的Mesh無線通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼傳輸，逐級(jí)路由最終到達(dá)地面監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示、分析及其他處理。Mesh網(wǎng)絡(luò)有效縮短了信息傳輸?shù)难訒r(shí)，并提高了網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。基于ZigBee技術(shù)的中繼器由節(jié)點(diǎn)除負(fù)責(zé)發(fā)送本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)外，還負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)至中心節(jié)點(diǎn)，從而形成無線通訊網(wǎng)絡(luò)。

3 終端采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
    終端采集節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、無線通訊模塊和電源模塊組成。基于ATMEL公司的AT86RF212 RF射頻芯片及PIC18F4580 CPU構(gòu)成的終端瓦斯數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了將井下各工作面和巷道點(diǎn)的瓦斯數(shù)據(jù)及其他溫濕度數(shù)據(jù)信息通過各中繼模塊上傳地面綜合信息處理中心。該終端節(jié)點(diǎn)采用了紅外氣體檢測(cè)技術(shù)來進(jìn)行瓦斯氣體檢測(cè)，克服了原來催化燃燒傳感器檢測(cè)精度低、高濃度易中毒等缺點(diǎn)，更好地實(shí)現(xiàn)了井下瓦斯數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)。圖2所示為該節(jié)點(diǎn)的整體設(shè)計(jì)框圖。

    對(duì)于無線射頻電路來說，需要特別注意電路中的器件間相互干擾。在設(shè)計(jì)無線模塊電路部分，需要采用雙層PCB架構(gòu)，Toplayer層主要用于信號(hào)線的布線，Bottomlayer層主要用于電源線和地線的布線，在無線的區(qū)域需要打少量過孔。另外，AT86RF212芯片為了避免干擾，芯片底部必須接地，這樣在芯片底部也需要打少量過孔與地相連。芯片的電源管腳需相連去耦電容，外圍器件采用0402封裝的阻容器件。PCB天線采用FR4普通板材，可使天線獲得最佳性能，其介電常數(shù)要求為4．5，板材厚度為1 mm，敷銅厚度為0．35 μm。

4 ZigBee軟件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
    整個(gè)軟件包含的子程序有AD測(cè)量濃度模塊、無線收發(fā)模塊、終端顯示模塊等幾部分組成。系統(tǒng)每隔500 mS采集一次井下終端所處環(huán)境的瓦斯?jié)舛鹊饶M量，30 s濾波處理后顯示。其軟件流程圖如圖3所示，圖4所示是ZigBee收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)流程。

5 結(jié)語
    在礦井采煤及掘進(jìn)面上，由于放炮會(huì)造成傳感器通信線路的損壞，影響傳感器正常的使用問題，本文提出的以AT86RF212為核心，基于ZigBee無線通信技術(shù)的解決方案具有低功耗、低成本的優(yōu)勢(shì)。該方案設(shè)計(jì)的無線紅外傳感器比傳統(tǒng)的瓦斯傳感器，在監(jiān)控組網(wǎng)的便捷性及終端設(shè)備的使用壽命上都有很大的優(yōu)勢(shì)。用ZigBee的無線通信方式代替原來使用的有線通信方式，大大提高了監(jiān)控系統(tǒng)的性能。實(shí)驗(yàn)證明，設(shè)計(jì)的無線紅外瓦斯傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能更加穩(wěn)定，更適應(yīng)煤礦井下惡劣工作環(huán)境。