基于CC2430的煤礦安監(jiān)信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了解決礦井環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控問(wèn)題，設(shè)計(jì)了以CC24430為控制核心的礦井安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，井下環(huán)境中的溫度、溫度、瓦斯氣體濃度的數(shù)據(jù)和礦工的生命體征數(shù)據(jù)由傳感器負(fù)責(zé)采集，并通過(guò)ZigBee協(xié)議構(gòu)建樹(shù)簇型無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)并實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的通信。文章主要介紹了無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)能浻布脑O(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)方案解決了礦井安全監(jiān)測(cè)傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建并能在意外發(fā)生時(shí)提供井下人員的位置及生命體征信息為救援工作提供參考。
關(guān)鍵詞：CC2430；ZigBee；礦井安監(jiān)；無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)

目前，實(shí)際應(yīng)用中的礦下環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在網(wǎng)絡(luò)布線(xiàn)難度大、可監(jiān)控地點(diǎn)固定、事故發(fā)生后面網(wǎng)絡(luò)臨癱瘓危險(xiǎn)等問(wèn)題。近年來(lái)，隨著我國(guó)能源需求的日益增加，礦難事故的發(fā)生呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，如何能夠高效低成本的實(shí)時(shí)監(jiān)控礦下環(huán)境，并在礦難發(fā)生時(shí)給救援工作提供指導(dǎo)成為應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Π踩O(jiān)控系統(tǒng)提出的新需求。基于802．15．4協(xié)議的ZigBee技術(shù)具有低功耗、高網(wǎng)絡(luò)容量、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于布置在井下作業(yè)環(huán)境中的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)。本文設(shè)計(jì)的基本思想是在井下復(fù)雜環(huán)境中利用傳感器和ZigBee模塊CC2430構(gòu)成的便攜式或固定的終端，通過(guò)自組織方式構(gòu)成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，將井下環(huán)境的檢測(cè)信號(hào)發(fā)送到井上安全監(jiān)測(cè)中心，實(shí)現(xiàn)礦下環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳政府監(jiān)管部門(mén)，當(dāng)意外發(fā)生時(shí)可為救援工作及事故原因調(diào)查提供參考和指導(dǎo)。

1 ZigBee芯片CC2430
CC2430芯片是挪威chipcon公司提出的首個(gè)單芯片ZigBee SoC解決方案。該芯片內(nèi)部具有CC2420RF接收器和增強(qiáng)性能的8051MCU、8KBRAM等部件，其增強(qiáng)型8051MCU內(nèi)核的性能是標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核性能的8倍。CC2430還具有直接存儲(chǔ)器定址(DMA)功能，擁有可編程看門(mén)狗定時(shí)器、32／64／128KB可編程閃存、AES-128安全協(xié)處理器、多達(dá)8輸入的8-14位ADC、USART、晶振為32 kHz的睡眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位、掉電檢測(cè)電路(Brown Out Detection)、以及21個(gè)可編程I／O引腳等?？梢员粦?yīng)用于所有ZigBee TM的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，包括協(xié)調(diào)器、路由器、設(shè)備終端。在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別小于27 mA或25 mA，并具有較短時(shí)間內(nèi)從休眠模式轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的能力，其低功耗特性非常適合井下無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。
CC2430的主要特點(diǎn)如下：
1)高性能和低功耗的8051微控制器內(nèi)核。
2)集成符合IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的2．4 GHz的RF無(wú)線(xiàn)收發(fā)機(jī)。
3)優(yōu)良的無(wú)線(xiàn)接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾能力。
4)有工作和休眠雙模式，一般電池工作時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)兩年。
5)網(wǎng)絡(luò)容量大，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可擴(kuò)展到支持64 000個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)。
6)具有較高安全系數(shù)，采用三級(jí)安全保護(hù)，可根據(jù)需要靈活選擇安全屬性。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)采用樹(shù)簇型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)包括一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(ZC)、一定數(shù)量的路由節(jié)點(diǎn)(ZR)及終端節(jié)點(diǎn)(ZED)。其中終端節(jié)點(diǎn)由ZigBee模塊、各種傳感器及報(bào)警器和電源組成，根據(jù)功能不同分為固定終端和移動(dòng)終端。固定終端主要作為路由終端，為網(wǎng)絡(luò)提供路由服務(wù)；移動(dòng)終端主要是由礦工佩戴的帶有環(huán)境安全監(jiān)測(cè)傳感器和生命體征傳感器的穿戴式便攜式設(shè)備。

礦工佩戴的便攜式終端設(shè)備都擁有一個(gè)64的IEEE地址，這樣只要記錄下終端地址就可以很容易的確認(rèn)礦工身份。意外發(fā)生時(shí)，通過(guò)作為網(wǎng)關(guān)固定終端路由信息的最后記錄，就可以找到礦工具體位置，同時(shí)結(jié)合生命體征傳感器采集到的生理信息，便可為營(yíng)救工作提供大量有用信息。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器安裝在井上安全監(jiān)控中心，主要負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)，并將當(dāng)前井下傳感網(wǎng)絡(luò)收集到的井下安監(jiān)數(shù)據(jù)通過(guò)串口與計(jì)算機(jī)相連，進(jìn)一步通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸?shù)秸踩O(jiān)督部門(mén)。這種實(shí)時(shí)同步的井下數(shù)據(jù)上傳模式，可大大減小由私營(yíng)礦主主觀(guān)玩忽職守造成的安全隱患，對(duì)提高礦下安全監(jiān)督管理水平有積極意義。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)主要的硬件結(jié)構(gòu)包括信號(hào)采集模塊、終端模塊、信號(hào)傳輸模塊。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均采用CC2430芯片作為硬件基礎(chǔ)。
3．1 信號(hào)采集模塊
信號(hào)的采集模塊的功能是采集井下的各種環(huán)境參數(shù)，通過(guò)CC2430的ZigBee射頻模塊發(fā)送給上位機(jī)。根據(jù)需要采集的信息選擇適合的傳感器，并進(jìn)一步確定信號(hào)轉(zhuǎn)換及電源電路。礦井安全監(jiān)測(cè)需要采集的數(shù)據(jù)包括以下幾種：瓦斯?jié)舛?、溫度、濕度。井下攜帶人員的生命體征信息如：體溫、脈搏。最后協(xié)調(diào)器將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)。
CC2430外部有20個(gè)通用I／O口，PO口的8個(gè)管腳可以直接連接外部模擬輸入，其內(nèi)部有14位的A／D轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn)各類(lèi)數(shù)字傳感器的直接輸入和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換需要。
溫濕度傳感器采用瑞士SHIRION公司的SHT10一體化溫／濕傳感器采集井下環(huán)境中的溫度和濕度。其供電電壓2．4 V～2．5 V，可直接以終端的電源供電，濕度測(cè)量精度±4．5％，溫度測(cè)量精度為±0．5℃，滿(mǎn)足井下數(shù)據(jù)采集精度需要。瓦斯傳感器采用鄭州煒盛電子所生產(chǎn)的催化燃燒式氣敏元件MJC4／2．8J，它的額定工作電流90 mA，額定工作電壓2．8 V。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是由一個(gè)不帶催化劑元件的補(bǔ)償元件和一個(gè)帶催化劑傳感元件構(gòu)成。其中催化元件可以與環(huán)境中的瓦斯氣體如甲烷、一氧化碳反應(yīng)，引起溫度相對(duì)補(bǔ)償元件升高，導(dǎo)致電橋發(fā)生偏移。輸出的電壓模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器TLC279MJ放大以后進(jìn)入CC2430芯片內(nèi)具有A／D轉(zhuǎn)換功能的P0口。

體溫傳感器采用Dallas公司生產(chǎn)的DS18B20，只要一條單線(xiàn)就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在控制器與其之間的傳輸，因而具有接口簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，檢測(cè)到的溫度信息最終以12位二進(jìn)制的數(shù)字化讀數(shù)輸出，在環(huán)境溫度為30～40℃之間時(shí)，DS18B20的分辨率為0．1℃，平均誤差低于0．2℃，可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。脈搏傳感器采用HKG-07A紅外脈搏傳感器，該傳感器是基于紅外檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)檢測(cè)由于心臟收縮引起的體表末梢微血管的容積變化來(lái)獲取脈搏信號(hào)。比起早期常用的壓電薄膜法測(cè)量，該法具有不易受到肢體運(yùn)動(dòng)干擾的特點(diǎn)，且技術(shù)成熟，信號(hào)處理電路相對(duì)簡(jiǎn)單。信號(hào)采集模塊硬件框圖如圖3所示。
3．2 協(xié)調(diào)器模塊
由于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)均采用CC2430芯片作為硬件基礎(chǔ)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)及路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)差別不大，其功能主要是是連接無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)與上位機(jī)的接口，不同點(diǎn)在于終端節(jié)點(diǎn)需要添加傳感器及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路，路由節(jié)點(diǎn)只需按圖1所示連接簡(jiǎn)單的外圍設(shè)備即可。
3．3 信號(hào)傳輸模塊
這里的信號(hào)傳輸模塊主要是指協(xié)調(diào)器與上位機(jī)之間的信號(hào)傳輸，這主要是由于CC2430芯片的電平與上位機(jī)串口電平不相匹配導(dǎo)致的，這里采用FT232RL芯片實(shí)現(xiàn)串口電平轉(zhuǎn)換，并通過(guò)USB接口完成于上位機(jī)之間的串口通信。接入的兩個(gè)LED燈可通過(guò)閃爍來(lái)提示當(dāng)前存在信號(hào)的輸入輸出，電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4 軟件設(shè)計(jì)流程
主控軟件需要完成的任務(wù)主要有：實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制，對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括數(shù)據(jù)比對(duì)，存儲(chǔ)和上傳。對(duì)系統(tǒng)的控制主要包括控制ZigBee網(wǎng)絡(luò)開(kāi)啟關(guān)閉設(shè)置參數(shù)及發(fā)送突發(fā)性命令。為方面使用對(duì)象操作系統(tǒng)提供兩種操作模式；監(jiān)管模式和救援調(diào)查模式。監(jiān)管模式下提供以下功能：1)數(shù)據(jù)處理功能：通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與內(nèi)置的閾值數(shù)據(jù)的比較決定是否發(fā)出警報(bào)；如：對(duì)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行比對(duì)已決定是否要切斷電源；對(duì)一氧化碳濃度進(jìn)行比對(duì)以決定是否要撤離人員；對(duì)空氣濕度進(jìn)行比較已決定是否又發(fā)生透水事故的可能。2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及上傳功能：對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)備份，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳至安全監(jiān)督部門(mén)。救援與調(diào)查模式主要是在礦難發(fā)生時(shí)，通過(guò)查詢(xún)記錄終端位置的固定路由信息和當(dāng)前終端監(jiān)測(cè)到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)如：當(dāng)前井下環(huán)境數(shù)據(jù)和終端佩戴者生命體征數(shù)據(jù)等，為救援工作提供指導(dǎo)。通過(guò)把安監(jiān)數(shù)據(jù)的自動(dòng)上傳到政府監(jiān)督部門(mén)，即方便政府監(jiān)管及問(wèn)責(zé)也能為事故后救援提供指導(dǎo)。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

5 結(jié)束語(yǔ)
文中在了解ZigBee技術(shù)相關(guān)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，以ZigBee模塊CC2430為硬件基礎(chǔ)，利用ZigBee協(xié)議進(jìn)行無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的礦井安全監(jiān)管系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)用戶(hù)可以定量定性的對(duì)井下安全狀況作出評(píng)估，并且采用帶有報(bào)警功能的穿戴式終端節(jié)點(diǎn)，意外發(fā)生時(shí)可為救援工作及事故原因調(diào)查提供依據(jù)，可有效提高礦區(qū)安全生產(chǎn)監(jiān)督管理水平。