基于ZigBee的瓦斯無線監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

引言 

隨著計算機(jī)和無線通信技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)、無線通信技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于礦井安全和生產(chǎn)監(jiān)測，廣泛涉及到計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、無線通信技術(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，同時支持地理定位功能。這些特點決定ZigBee技術(shù)非常適合應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。與現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)在功耗和成本上相對較低，有很大的優(yōu)勢。本文研究設(shè)計的煤礦瓦斯無線監(jiān)測系統(tǒng)就是基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，用于實時監(jiān)測礦井空氣中的瓦斯?jié)舛?，實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性、便于安裝性、低成本、節(jié)能和實際可行性，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。 

煤礦瓦斯無線監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計 

本系統(tǒng)是由多個自給供電的ZigBee節(jié)點組成的，每個ZigBee節(jié)點都可以進(jìn)行周圍環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、簡單計算以及與其他節(jié)點及外界進(jìn)行通信，從而使得眾多的傳感器可以通過協(xié)同工作進(jìn)行高質(zhì)量的傳感，組成一個容錯性較好的采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要包括ZigBee節(jié)點和ZigBee基站節(jié)點，整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，其中ZigBee基站節(jié)點主要用于組合從各個傳感器節(jié)點得到的數(shù)據(jù)以及負(fù)責(zé)與外界的通信，該節(jié)點基于嵌入式系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用部分網(wǎng)狀(Partial Mesh)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其主要好處是每個節(jié)點的范圍都成倍地擴(kuò)大了，沒有最大通信距離的限制，因為它所有的節(jié)點都被用作中繼器或路由器。在圖1中，節(jié)點A通過以下路徑傳送信號到ZigBee基站節(jié)點：A－B－ZigBee基站節(jié)點，另一替代路徑為：A－E－F－ZigBee基站節(jié)點，也還有其他幾種冗余的路徑。 

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 

1 ZigBee節(jié)點設(shè)計 

ZigBee節(jié)點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ZigBee節(jié)點組的基站。ZigBee節(jié)點主要由傳感器模塊、MSP430F149模塊、CC2420收發(fā)模塊、存儲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。 

圖2 MSP430F149模塊 

ZigBee節(jié)點的傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，本設(shè)計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)控制整個節(jié)點的處理操作、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)點進(jìn)行無線通信，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；存儲模塊負(fù)責(zé)存儲采集到的數(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。 

圖3 CC2420收發(fā)模塊 

①M(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。 

②CC2420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)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250Kb/s，可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)。它的外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和微控制器接口電路三個部分。芯片本振信號既可由外部有源晶體提供，也可由內(nèi)部電路提供。由內(nèi)部電路提供時需外加晶體振蕩器和兩個負(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存儲模塊 

圖4 存儲模塊 

存儲模塊采用意法半導(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，存儲密度從1Kb～1Mb。M24M01支持100kHz和400kHz時鐘頻率，全面兼容I2C規(guī)范，1.8～5.5V的寬工作電源電壓。128Kb×8存儲結(jié)構(gòu)，支持字節(jié)和頁式寫模式，寫操作極快，256B寫操作低于5ms。數(shù)據(jù)保存能力超過40年，耐擦寫能力不低于100萬次擦寫循環(huán)，工作溫度范圍-40℃～+85℃。存儲模塊如圖4所示。 

④傳感器模塊 

圖5 溫濕度傳感器模塊 

傳感器有很多種類，可以檢測溫濕度、光照、噪聲、振動、磁場、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)后自動轉(zhuǎn)入休眠模式，電流小于1μA。本設(shè)計采用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用于對瓦斯等可燃?xì)鉂舛鹊臋z測，用于瓦斯報警器，可燃?xì)鈭缶鳎咚箼z測儀等。該傳感器體積小，耗電低，應(yīng)用電路簡單，報警濃度為甲烷≥1％，響應(yīng)時間≤20s，恢復(fù)時間≤30s，工作溫度范圍-15℃～+50℃，濕度≤97％RH，靜態(tài)功耗為150mW，報警狀態(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)動電壓VH、負(fù)載電阻RL以及檢測電壓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)。 

圖6 KGS-20低功耗瓦斯傳感器 

傳感器電源的供電電路設(shè)計對傳感器模塊的能量消耗來說非常重要。對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；當(dāng)不用該傳感器時，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。 

⑤電源管理模塊 
電池種類很多，電池儲能大小與形狀、活動離子的擴(kuò)散速度、電極材料的選擇等因素有關(guān)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點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)計采用2節(jié)5號AA電池供電。 

2 ZigBee基站節(jié)點設(shè)計 
ZigBee基站節(jié)點主要由ARM模塊、存儲模塊（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)點的設(shè)計框圖如圖7所示。 

圖7 ZigBee基站原理圖框圖 

煤礦瓦斯無線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu) 

一般煤礦礦井的長度在10km以上，需布設(shè)100個以上ZigBee節(jié)點，這些節(jié)點是由電池供電的，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)點可以相互通信并具有很強(qiáng)的協(xié)同能力，通過轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點間的信息，節(jié)點間構(gòu)成多跳的通信網(wǎng)絡(luò)。本項目設(shè)計的網(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)目煽啃裕⒃谝粋€區(qū)域設(shè)置一個ZigBee基站節(jié)點（網(wǎng)絡(luò)終端），通過ZigBee基站節(jié)點將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)上傳到控制中心。 

結(jié)論 
本系統(tǒng)的設(shè)計結(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ZigBee節(jié)點，能夠采集溫度、濕度和瓦斯試驗數(shù)據(jù)，并能通過ZigBee基站節(jié)點傳到上位機(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，成為實現(xiàn)無線監(jiān)測系統(tǒng)最理想的應(yīng)用方案和發(fā)展趨勢。