基于ZigBee的煤礦數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

張橫云

四川科技職工大學計算機系 四川 610101

0 引言

無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)既能及時準確地采集煤礦井下指定地點的電壓、溫度、壓力等信息，又能保證巡檢人員在現(xiàn)場檢測的人身安全。現(xiàn)有的采集系統(tǒng)大多采用預先布線，通過有線方式進行數(shù)據(jù)采集，主要存在的問題：擴展性差、布線繁瑣、不能動態(tài)聯(lián)接隨時改變采集地點。為此本文介紹了如何利用射頻芯片CC2520與MSP430F2618實現(xiàn)基于Zigbee的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)一般礦井現(xiàn)場實際需要，按照ZigBee技術(shù)，在坑道頂部設(shè)置ZigBee節(jié)點，由這些節(jié)點執(zhí)行組網(wǎng)、感知、采樣和初步的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。為了避免井下復雜環(huán)境對無線信號的干擾，所有ZigBee節(jié)點使用的都是抗干擾的直序擴頻通信方式，而且每個節(jié)點都有接收信號強弱指示功能（RSSI）。為了保證ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性，在布置ZigBee節(jié)點時，應(yīng)使每個節(jié)點要一對多進行通信。另外，礦井安全檢測人員也可攜帶ZigBee節(jié)點作為移動節(jié)點，這些移動節(jié)點將自身信息發(fā)送到固定的ZigBee節(jié)點上，再借助固定的ZigBee節(jié)點將自己的信息傳送到地面的控制中心。為了確保通信的可靠性及減輕可能的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸流量，每個坑道的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，除了自身通過無線方式與控制中心相連接以外，還可在適當?shù)牡胤脚c有線網(wǎng)絡(luò)相接，以保證和控制中心通信的可靠性（如圖1所示）。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)MCU采用先進的MSP430F2618嵌入式單片機作為核心部件，通過CC2520與采集節(jié)點進行數(shù)據(jù)通信，并將數(shù)據(jù)采集結(jié)果在LCD液晶屏上顯示。數(shù)據(jù)采集節(jié)點主要是將捕捉的現(xiàn)場信號經(jīng)轉(zhuǎn)換器ADC采樣、量化、編碼后，變成數(shù)字信號傳給MCU，并無線發(fā)送數(shù)據(jù)，MCU的主要工作是接收數(shù)據(jù)信息、進行數(shù)據(jù)采集節(jié)點管理、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)管理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 基于ZigBee的礦下無線采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 ZigBee節(jié)點架構(gòu)

MSP430F2618是TI公司推出的最低功耗16位通用高性能微控制器家族的五個最新產(chǎn)品系列之一。該器件集成了高達120KB的程序存儲器，并支持20位地址字，因此將總體可尋址存儲容量提升至1MB，從而支持更復雜程序的開發(fā)。另外還包括三通道直接存儲器存取DMA，八通道12位ADC與雙通道12位DAC等。通用串行通信接口（UCSI）能通過靈活的標準實施方案來縮短開發(fā)時間。

CC2520是TI公司的第二代的ZigBee RF收發(fā)器，主要用于2.4GHZ的ISM頻段。CC2520可工作高達125度，可提供極好的靈敏度和共存性能，有極好的連接性能和可低電壓工作。此外，CC2520支持幀處理，數(shù)據(jù)緩沖，突發(fā)傳輸，數(shù)據(jù)加密，數(shù)據(jù)鑒權(quán)，空閑頻道檢測，連接質(zhì)量指示以及幀定時信息等，從而降低了主控制器的加載。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件中包括數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)傳送等功能。系統(tǒng)初始化階段，以串口1為控制接口，串口2為ZigBee模塊的接口。主程序啟動后，當串口1監(jiān)測到采集指令時，通過串口2配置ZigBee模塊以建立無線通信鏈路；啟動A/D轉(zhuǎn)換器，將前端傳感器反饋到對應(yīng)的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為可以直接處理的數(shù)字信息。軟件流程圖如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

4 測試

系統(tǒng)測試環(huán)境是學校室內(nèi)走廊，氣溫約15度，節(jié)點輸出功耗-27dbm。多個ZigBee模塊，USB連接線和計算機終端設(shè)備。對系統(tǒng)進行了點對點通信測試和組網(wǎng)通信測試，并對傳感器模塊進行了測試。傳感器模塊測試主要包括采用標準甲烷氣體對瓦斯?jié)舛炔杉K的測試以及溫濕度模塊的測試。由于井下瓦斯的主要成分為甲烷，在瓦斯?jié)舛炔杉K的測試過程中，可采用純凈甲烷（99.99%）作為標準氣體，使用玻璃試驗裝置來檢驗瓦斯?jié)舛炔杉K能否正常工作，而在溫濕度模塊的測試中檢驗通信接口和時序是否工作正常即可。如圖4所示是瓦斯?jié)舛炔杉K的測試試驗結(jié)果，ZigBee節(jié)點采集的差分電壓值Vd（mV）與甲烷濃度值（Vol%）存在基本線性的關(guān)系，能正常工作。

圖4 瓦斯?jié)舛炔杉K試驗結(jié)果圖

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)通過CC2520+MSP430F2618實現(xiàn)了無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能，可同時對多個區(qū)域進行監(jiān)測，安裝維護簡單。通過軟硬件聯(lián)調(diào)，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，并實現(xiàn)簡單的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與顯示，通過串口可以將數(shù)據(jù)上傳至上位機，網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)及路由效果良好。

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[2]CC2520專題[EB/OL].http://www.c51rf.com/download/CC2520.aspx.

[3]MSP430專題[EB/OL].http://www.c51rf.com/download/MSP430.aspx.

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