基于ZigBee的瓦斯無線監(jiān)測系統硬件設計

　　引言

　　隨著計算機和無線通信技術的發(fā)展，計算機、無線通信技術已經開始應用于礦井安全和生產監(jiān)測，廣泛涉及到計算機應用技術、無線通信技術、傳感器技術、信息傳輸技術、電氣防爆技術、應用化學技術、控制技術、光纖技術和嵌入式技術等多種技術。ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，完整的協議棧只有32KB，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。這些特點決定ZigBee技術非常適合應用在無線傳感器網絡中。與現有的各種無線通信技術相比，ZigBee技術在功耗和成本上相對較低，有很大的優(yōu)勢。本文研究設計的煤礦瓦斯無線監(jiān)測系統就是基于ZigBee技術的無線傳感器網絡，用于實時監(jiān)測礦井空氣中的瓦斯濃度，實現系統的可靠性、便于安裝性、低成本、節(jié)能和實際可行性，從而給煤礦生產工作的順利進行提供一定的保障，為礦井的防災、減災以及提高生產效率方面發(fā)揮一定的作用。

　　煤礦瓦斯無線監(jiān)測系統整體設計

　　本系統是由多個自給供電的ZigBee節(jié)點組成的，每個ZigBee節(jié)點都可以進行周圍環(huán)境數據的采集、簡單計算以及與其他節(jié)點及外界進行通信，從而使得眾多的傳感器可以通過協同工作進行高質量的傳感，組成一個容錯性較好的采集系統。本系統主要包括ZigBee節(jié)點和ZigBee基站節(jié)點，整體系統結構見圖1，其中ZigBee基站節(jié)點主要用于組合從各個傳感器節(jié)點得到的數據以及負責與外界的通信，該節(jié)點基于嵌入式系統。本系統采用部分網狀(PartialMesh)拓撲結構，其主要好處是每個節(jié)點的范圍都成倍地擴大了，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。

　　1ZigBee節(jié)點設計

　　ZigBee節(jié)點的主要功能是采集瓦斯?jié)舛葦祿?，并將數據發(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、傳感器模塊接口、USB接口、天線接口等。

　　ZigBee節(jié)點的傳感器模塊負責監(jiān)測區(qū)域內信息的采集和數據轉換，本設計中傳感器模塊采用瓦斯傳感器和溫濕度傳感器；MSP430F149模塊負責控制整個節(jié)點的處理操作、路由協議、同步定位、功耗管理、任務管理等，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進行模數轉換，且功耗低；CC2420收發(fā)模塊負責與其他節(jié)點進行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數據，提供SPI接口與MSP430F149通信，而MSP430F149則連接鍵盤、顯示等人機交互界面、傳感器、控制器等；存儲模塊負責存儲采集到的數據；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；其控制器具有強大的處理能力和豐富的片內外設；帶FLASH存儲器的單片機還可以方便高效地進行在線仿真和編程。MSP430F149是MSP430X1XX系列中功能最強的單片機，而且MSP430F149的運行環(huán)境溫度范圍為-40℃～+85℃，可以適應各種惡劣的環(huán)境。

　?、贑C2420收發(fā)模塊

　　CC2420是Chipcon公司推出的首款符合2.4GHzIEEE802.15.4標準的射頻收發(fā)器。該器件是第一款適用于Zigbee產品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF03技術，以0.18μmCMOS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超過了IEEE802.15.4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設備支持數據傳輸率高達250Kb/s，可以實現多點對多點的快速組網。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，也可由內部電路提供。由內部電路提供時需外加晶體振蕩器和兩個負載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數。CC2420收發(fā)模塊的外圍電路如圖3所示。

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　　存儲模塊采用意法半導體公司的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)，內置I2C雙線串口，是保存參數經常被修改的海量數據的理想選擇，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。128Kb8存儲結構，支持字節(jié)和頁式寫模式，寫操作極快，256B寫操作低于5ms。數據保存能力超過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。

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　　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，采集完數據后自動轉入休眠模式，電流小于1μA。本設計采用SHT11溫濕度傳感器，SHT11是瑞士Scnsirion公司推出的一款數字溫濕度傳感器芯片。該芯片廣泛應用于暖通空調、汽車、消費電子、自動控制等領域。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，專門用于可燃氣濃度檢測的一種半導體型氣體傳感器。它的基本特征是：極高靈敏度和極快的響應速度且低功耗。KGS-20型可燃氣傳感器適用于對瓦斯等可燃氣濃度的檢測，用于瓦斯報警器，可燃氣報警器，瓦斯檢測儀等。該傳感器體積小，耗電低，應用電路簡單，報警濃度為甲烷≥1％，響應時間≤20s，恢復時間≤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的變化表現為負載電阻RL上的電壓變化。驅動電壓VH、負載電阻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)。

　　傳感器電源的供電電路設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口直接驅動；當不用該傳感器時，將I/O口設置為輸入方式。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，電池儲能大小與形狀、活動離子的擴散速度、電極材料的選擇等因素有關。無線傳感器網絡節(jié)點的電池一般不易更換，所以選擇電池非常重要，DCDC模塊的效率也至關重要。本設計采用2節(jié)5號AA電池供電。

　　2ZigBee基站節(jié)點設計

　　ZigBee基站節(jié)點主要由ARM模塊、存儲模塊（NANDFlash，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公司生產的STR710FZ2T6微處理器，STR710FZ2T6是基于ARM7指令集的ARM處理器，片內有256KB的Flash和64KB的SRAM，而且該處理器集成了許多外設接口，包括USB2.0接口和以太網接口。ZigBee基站節(jié)點的設計框圖如圖7所示。

　　煤礦瓦斯無線監(jiān)測系統架構

　　一般煤礦礦井的長度在10km以上，需布設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、感知、采樣和初步的數據處理任務，要求各節(jié)點可以相互通信并具有很強的協同能力，通過轉發(fā)節(jié)點間的信息，節(jié)點間構成多跳的通信網絡。本項目設計的網絡采用MESH網狀網絡結構，保證數據傳輸的可靠性，并在一個區(qū)域設置一個ZigBee基站節(jié)點（網絡終端），通過ZigBee基站節(jié)點將數據通過網絡上傳到控制中心。

　　結論

　　本系統的設計結合現階段煤礦安全生產現狀及ZigBee技術的發(fā)展現狀，應用低功耗微處理器MSP430F149，結合相應外圍電路設計ZigBee節(jié)點，能夠采集溫度、濕度和瓦斯試驗數據，并能通過ZigBee基站節(jié)點傳到上位機。ZigBee技術作為一種短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術，將隨著技術的進一步發(fā)展，成為實現無線監(jiān)測系統最理想的應用方案和發(fā)展趨勢。