基于WIA-PA 的瓦斯監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)*

劉 剛 ，吳建遠(yuǎn)

(河南機(jī)電高等專科學(xué)校自控系，河南 新鄉(xiāng)453000)

在煤礦安全生產(chǎn)的過程中，由于生產(chǎn)情況的復(fù)雜會(huì)造成一些臨時(shí)施工點(diǎn)。例如，采掘面的大型機(jī)械設(shè)備推進(jìn)的過快、主要設(shè)備的現(xiàn)場檢修等，這些臨時(shí)施工點(diǎn)需要瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)快速有效的布置和實(shí)時(shí)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。目前的傳統(tǒng)監(jiān)控方案采用有線安全監(jiān)控系統(tǒng)。有線監(jiān)控方案具有傳感器節(jié)點(diǎn)無法快速接入和存在監(jiān)測死角等缺點(diǎn)［1-3］。

針對于礦井下臨時(shí)施工點(diǎn)的瓦斯監(jiān)測問題，采用工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)可以有效的解決。工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)中，我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的WIA-PA(Wireless Networks for Industrial Automation)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)受到了廣泛的關(guān)注。網(wǎng)關(guān)設(shè)備則是WIA-PA 的核心設(shè)備，目前符合WIA-PA 標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備研發(fā)尚未成熟。本文提出了以基于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)WIA-PA 的瓦斯監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

井下的瓦斯監(jiān)測WIA-PA 網(wǎng)絡(luò)采用星型-Mesh兩層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1 所示。負(fù)責(zé)采集瓦斯數(shù)據(jù)的瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)設(shè)備和路由設(shè)備構(gòu)成Mesh 結(jié)構(gòu)。在整個(gè)瓦斯監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)關(guān)需要保持與上位機(jī)的通信、完成網(wǎng)絡(luò)管理工作、收發(fā)傳感器網(wǎng)絡(luò)中路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息［4-6］。

圖1 WIA-PA 工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)網(wǎng)關(guān)在WIA-PA 網(wǎng)絡(luò)中的作用和功能，設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)分為主控制器模塊、電源模塊、CAN 總線控制模塊、和無線射頻模塊等幾部分。電源模塊負(fù)責(zé)給主控制器和無線射頻模塊供電。無線射頻模塊負(fù)責(zé)收發(fā)各個(gè)路由節(jié)點(diǎn)和采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。主控制器模塊主要負(fù)責(zé)對讀取和處理無線射頻模塊送入的數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)通過CAN 總線送到上位機(jī)?；蛘咧骺刂破鹘邮丈衔粰C(jī)的控制命令后通過無線射頻模塊送到WIA-PA 網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)路由節(jié)點(diǎn)。

圖2 WIA-PA 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 WIA-PA 網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)

在煤礦井下無線通信的通信頻段在900 MHz ～3 000 MHz，通信效果最好。WIA-PA 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)規(guī)范中定義波段為2. 4 GHz。本文無線射頻模塊采用Chipcon 公司推出的符合2.4 GHz IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片CC2430。無線射頻部分的電路如圖3所示。CC2430 芯片僅需要很少的外圍器件就能實(shí)現(xiàn)信號收發(fā)功能。由于天線部分采用一個(gè)非平衡天線，因此電容C2和電感L1、L2、L3以及λ/4 傳輸線構(gòu)成了非平衡變壓器，使得天線性能更好。CC2430 部分通過SPI 接口與主控制器連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。

圖3 無線射頻模塊電路原理圖

主控制器采用意法半導(dǎo)體(ST)公司的具有ARM Cortex-M3 核的STM32F107。在CAN 總線接口部分，電路圖如圖4 所示。STM32F107 的CAN 控制器引腳與德州儀器公司生產(chǎn)的CAN 收發(fā)器SN65HVD230 連接。6N137 構(gòu)成光耦隔離電路，可以有效的實(shí)現(xiàn)CAN 總線上各個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的電氣隔離，提高信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性。在每個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的兩端連接2 個(gè)120 Ω 的總線匹配電阻，以此避免信號反射。

圖4 CAN 總線控制模塊電路原理圖

電源模塊電路如圖5 所示，設(shè)計(jì)采用鋰電池供電，通過ASM1117 芯片把鋰電池電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V電壓，供給控制器和無線射頻模塊供電。本設(shè)計(jì)中采用美信公司的DS2780 計(jì)算鋰電池剩余電量。DS2780 的DQ 與STM32F107 的PA6 相連，電池的剩余電量信息通過PA6 送入控制器中。上位機(jī)可以及時(shí)的了解各個(gè)網(wǎng)關(guān)的剩余電量。

圖5 電源管理模塊電路原理圖

3 WIA-PA 網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)

WIA-PA 網(wǎng)關(guān)的軟件部分采用模塊化的編程思想，將軟件部分分成CAN 總線通信部分、系統(tǒng)管理模塊、無線通信管理模塊和協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊等。

3.1 CAN 總線通信模塊

為了提高WIA-PA 網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，CAN 報(bào)文的接收發(fā)送均采用中斷方式。CAN 通信模塊開啟CAN 中斷需要調(diào)用STM32F107 的固件庫函數(shù)void CAN_IT(CAN_Ty-pedef* CANx，uint32_t CAN_IT)。在接收發(fā)送報(bào)文通過判斷標(biāo)志位來確定是否產(chǎn)生CAN 中斷，進(jìn)入中斷處理函數(shù)發(fā)送報(bào)文或者接收報(bào)文。

3.2 系統(tǒng)軟件管理模塊

WIA-PA 網(wǎng)關(guān)的管理模塊具有3 個(gè)功能:

(1)網(wǎng)關(guān)軟件系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理，即對整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)的接入和離開進(jìn)行管理，對設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由配置等。

(2)網(wǎng)關(guān)軟件系統(tǒng)安全管理，即負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全。

(3)網(wǎng)絡(luò)信息庫的維護(hù)，即為網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備提供資源信息。

網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)軟件管理模塊流程圖如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)軟件管理模塊流程圖

3.3 無線通信模塊

按照WIA-PA 標(biāo)準(zhǔn)將無線通信模塊分成物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層［7-8］。數(shù)據(jù)實(shí)體接口和管理實(shí)體接口是協(xié)議棧各層的兩個(gè)接口。數(shù)據(jù)實(shí)體接口主要為上層提供數(shù)據(jù)服務(wù)，兒管理實(shí)體接口主要為上層提供內(nèi)部層參數(shù)配置。模塊的流程圖如圖7 所示。

表1 網(wǎng)關(guān)接收的采樣數(shù)據(jù)/mV

圖7 無線通信模塊模塊流程圖

4 測試實(shí)驗(yàn)

對設(shè)計(jì)完成的網(wǎng)進(jìn)行了功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。功能測試實(shí)驗(yàn)的原理是用信號發(fā)生器輸出一個(gè)幅值0 ～2.5 V，頻率為200 Hz 的正弦信號到無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)以2 kHz 的采樣頻率采樣信號，得到的數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送到網(wǎng)關(guān)。根據(jù)網(wǎng)關(guān)得到的數(shù)據(jù)用Matlab 軟件畫出對應(yīng)波形，和原始波形進(jìn)行比較。表1 是網(wǎng)關(guān)通過無線得到的數(shù)據(jù)。圖8 為原始波形和Matlab 繪制出的波形。

圖8 原始波形和還原波形對比

由圖8 可以看出，網(wǎng)關(guān)得到的無線數(shù)據(jù)可以較好的還原出正弦波。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》以及AQ6201標(biāo)準(zhǔn)要求，2 kHz 的采樣頻率完全能夠滿足要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于WIA-PA 的瓦斯監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)。通過實(shí)驗(yàn)表明該網(wǎng)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)關(guān)設(shè)備與現(xiàn)場各個(gè)瓦斯節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通信。與傳統(tǒng)有線方式監(jiān)測瓦斯?jié)舛仍O(shè)備相比，大大減少了線路連接的復(fù)雜程度，減少了礦井下臨時(shí)施工點(diǎn)的監(jiān)測盲區(qū)。下一步將對WIA-PA 網(wǎng)絡(luò)的安全性進(jìn)行深入研究。

［1］ 李紀(jì)榕，李福進(jìn)，吳艷微，等.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，24(9):1336-1338.

［2］ 蔡文晶，秦會(huì)斌，程春榮，等. 基于CC2430 片內(nèi)溫度傳感器的溫度監(jiān)測系統(tǒng)［J］.電子器件，2011，33(3):295-297.

［3］ 楊淼，梁瑋，徐偉杰，等.基于WIA-PA 的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)設(shè)備［J］.計(jì)算機(jī)工程，2010，36(23):258-261.

［4］ 石家駿，鐘俊，易平，等.基于Zigbee 的無線抄表系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2011，32(3):875-878.

［5］ 鄭茂全，侯媛彬.基于CC2530 的井下人員信息采集模塊設(shè)計(jì)［J］.工礦自動(dòng)化，2012(6):7-10.

［6］ 王華，劉楓，楊頌華，等.工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA-PA 網(wǎng)絡(luò)研究與設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化與儀表，2009(7):17-21.

［7］ 蒲曉湘，劉珍杰.基于WIA-PA 工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的硬件平臺(tái)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2011(4):60-62.

［8］ 汪勇，殷志祥，丁嘯，等.基于WIA 和GPRS 的無線網(wǎng)絡(luò)煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.煤炭工程，2010(11):8-10.