甲烷濃度檢測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

楊志剛，孟立凡，徐　青

(1．中北大學(xué)，儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原　030051；2．中北大學(xué)，電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西太原　030051)

1　多傳感器數(shù)據(jù)融合原理

對于多數(shù)的檢測系統(tǒng)，使用單個傳感器來采集數(shù)據(jù)，然后對循環(huán)采集的N個數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理，所得到均值就是系統(tǒng)所獲得結(jié)果。單個傳感器檢測系統(tǒng)的測試結(jié)果受傳感器可靠性影響較大。選用3個甲烷傳感器對氣體中甲烷濃度進(jìn)行檢測，系統(tǒng)獲得3個傳感器循環(huán)N次采集得到的數(shù)據(jù)，應(yīng)用貝葉斯估計的多傳感器數(shù)據(jù)融合方法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，可以有效改善單個傳感器可靠性對最終測量結(jié)果的影響，提高結(jié)果的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的可靠性[1-2]。數(shù)據(jù)融合的基本過程如圖1所示。

圖1　數(shù)據(jù)融合基本過程

2　傳感器節(jié)點硬件設(shè)計

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實現(xiàn)對空氣中甲烷濃度的采集、處理、通信等功能，節(jié)點的硬件設(shè)計是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的安全性和穩(wěn)定性的重要保障，而低功耗也是系統(tǒng)設(shè)計的要求之一[4]。采用模塊化設(shè)計，包括數(shù)據(jù)采集模塊、MCU模塊、無線通信模塊、電源模塊等。選用ZigBee RF+MCU的方案，傳感器節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

2．1MCU選擇

MSP430系列單片機具有超低功耗，采用1.8～3．6 V的低電壓，且系統(tǒng)有一種活動模式(AM)和5種低功耗模式(LPM0～LPM4)，同時數(shù)字控制振蕩器(DCO)使得從低功耗模式到活動模式的喚醒時間小于6 μs；采用目前流行的精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu)，具有強大的處理能力；集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)?？煽啃阅芎茫訌婋姼蓴_運行不受影響，適應(yīng)工業(yè)級的運行環(huán)境。

選擇MSP430F149作為微控制器，它集成了多種功能模塊：片內(nèi)精密硬件乘法器、2個的16位定時器；一個8路外部通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器；串行通信接口(USART)異步UART及同步SPI接口；6路P口，在線對單片機進(jìn)行調(diào)試和下載，且在線仿真；60 KB+256 B Flash Memory ROM，2 KB RAM等。

2．2甲烷檢測

甲烷檢測采用催化燃燒原理的甲烷傳感器，其原理是：利用甲烷在載體催化元件上發(fā)生氧化燃燒，產(chǎn)生熱量并引起電阻值的變化，然后利用轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)甲烷濃度值的測量[4]。選用MJC4/3．0L型甲烷傳感器，其檢測元件和補償元件配對組成電橋的2個臂，遇到瓦斯等可燃性氣體時檢測元件電阻升高，橋路輸出電壓變化，該電壓變量隨其他濃度增大而呈正比例增大，補償元件起參比及溫濕度補償作用，路橋輸出電壓呈線性，響應(yīng)速度快，具有良好的可重復(fù)性，元件工作穩(wěn)定，可靠。傳感器信號采集及調(diào)理電路如圖3所示，通過更改電位器R1的阻值更改電路的放大倍數(shù)，使輸出的電壓范圍在0～2．5 V之間。

使用MSP430自帶的8路外部通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器，選擇通道A0、A1、A2對3路甲烷檢測信號同時采樣，3路傳感器調(diào)理電路的輸出分別與單片機P6．0/A0、P6．1/A1、P6．2/A2相連。內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換模塊具有內(nèi)部參考電壓發(fā)生器，可以產(chǎn)生1．5 V 、2．5 V的基準(zhǔn)電壓，設(shè)置2．5 V 的內(nèi)部參考電壓為A/D的參考電壓VREF+，而VREF-接地，則A/D的輸入信號范圍為0～2．5 V．

圖3　傳感器信號采集及調(diào)理電路

2．3無線通信模塊

ZigBee是具有短距離、低速率、低功耗、低成本和低復(fù)雜度等特點的無線傳輸技術(shù)，由IEEE802．15．4和ZigBee聯(lián)盟共同制訂完成。ZigBee協(xié)議采用2．4 GHz ISM頻段時，傳輸速率為250 kb/s，傳輸距離為10～75 m；ZigBee的協(xié)議架構(gòu)由用戶層、應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、MAC層和物理層組成[5]。

節(jié)點中的無線通信單元采用無線收發(fā)芯片CC2420，它基于Smart RF03技術(shù)。CC2420是一兼容2．4 GHz IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)芯片，專為低功耗和低電壓無線應(yīng)用所設(shè)計。 圖4是無線通信模塊與MSP430單片機連接電路，CC2420 與MCU之間通過SPI接口通信：SCLK 為SPI時鐘信號；CSn為片選信號，低電平有效；SI為SPI輸入；SO為SPI輸出。另外采用6個I/O 口控制CC2420以及接收CC2420狀態(tài)信號：VREG_EN啟動CC2420的電壓調(diào)整器使其正常工作，高電平有效；RESETn用于復(fù)位，低電平有效；FIFO指示接收緩沖區(qū)RX FIFO 是否為空；FIFOP 指示是否超過接收緩沖區(qū)RX FIFO 的臨界值或者收到新的數(shù)據(jù)包；SFD 為當(dāng)發(fā)送或者接受幀起始分隔符SFD ( Start of Frame Delimiter)時為高，當(dāng)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)包時為低；CCA指示信道是否為空閑，若空閑則為高電平。無線傳輸過程：

(1)使CSn變低，這是為了告知CC2420新的SPI通信周期開始了。

(2)在芯片“被選”以后，開始驅(qū)動SCLK時鐘信號。SCLK不需要用固定頻率驅(qū)動并且可以有一個可變的服務(wù)周期。在SCLK信號上升沿，CC2420對SI、SO上的數(shù)據(jù)進(jìn)行取樣。在SCLK信號下降沿，如果SO的操作模式是輸出，CC2420將改變SO上的數(shù)據(jù)。

(3)當(dāng)這一周期完成時，停止SCLK的驅(qū)動并將CSn信號變高。

圖4　無線通信模塊與MSP430單片機連接電路

2．4數(shù)據(jù)存儲模塊

為使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能記錄較長時間的被測物理量，數(shù)據(jù)存儲器應(yīng)具有較大的容量和較低的功耗[6]。系統(tǒng)采用 SanDisk 公司生產(chǎn)的 SD 卡(容量 2 G)，SD 卡具有高容量、高性能和安全性高等特點，其工作電壓為 2．7～3．6 V．SD 卡工作在 SPI模式，其 SPI接口利用 SD 卡的 CS、SCLK、DATAI．、DATAOUT 與 MSP430 進(jìn)行通信，其中DATAI．和 DATAOUT 是數(shù)據(jù)的輸入和輸出信號線，CS 是 SD 片的片選信號線，在整個SPI操作過程中，CS 必須保持低電平有效，SCLK 是外部控制器提供的時鐘信號，SD 卡與 MSP430F149的接口電路如圖5 所示。數(shù)據(jù)采用FAT16文件系統(tǒng)的格式存儲于SD卡上，文件系統(tǒng)在SD卡上的表現(xiàn)形式為．txt文本文件的格式，用戶能夠很容易地取出SD卡，使用SD讀卡器在PC機上查看或者拷貝存儲歷史數(shù)據(jù)的文件。

圖5　數(shù)據(jù)存儲模塊與MSP430單片機連接電路

2．5電源模塊

兼顧到有穩(wěn)定電源和采用電池供電兩種工作方式。外部輸入電源直接由有線電源供電，非電池供電時輸入電壓為3．3 V，電池供電采用2節(jié)1．5 V電池，每組電源都能夠單獨關(guān)閉[7]。電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　電源結(jié)構(gòu)

3　軟件設(shè)計

傳感器節(jié)點負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和上傳任務(wù)，節(jié)點在正常狀態(tài)和休眠狀態(tài)間進(jìn)行切換，其中工作時間和休眠周期由網(wǎng)關(guān)節(jié)點控制并實現(xiàn)同步，軟件設(shè)計考慮協(xié)議棧和應(yīng)用程序的實現(xiàn)，并采用低功耗工作模式。采集和整個軟件系統(tǒng)分為初始化、入網(wǎng)、命令處理、數(shù)據(jù)采集等部分，其工作流程圖如圖7。

圖7　傳感器節(jié)點軟件流程

傳感器節(jié)點的軟件設(shè)計采用模塊化程序設(shè)計，包括傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊。主程序首先完成初始化工作，初始化包括配置時鐘，配置單片機ADC12的寄存器，SD存儲FAT16文件系統(tǒng)的初始化，配置無線通信模塊等。初始化后定時采集數(shù)據(jù)，當(dāng)中斷產(chǎn)生時，啟動 A/D，采集完成后存儲在片內(nèi)Flash中，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，得到甲烷的濃度值，并以．txt文件的形式存儲在SD卡內(nèi)，如果測量值高于瓦斯上限則報警，完成以上工作中斷返回，數(shù)據(jù)采集流程如圖8所示。利用單片機內(nèi)部的定時器產(chǎn)生準(zhǔn)確的時間延遲，每隔一定時間就對處理對象進(jìn)行采樣，且計數(shù)時不占用CPU的時間。

4　結(jié)論

節(jié)點采用多個甲烷傳感器對同一位置空氣中甲烷濃度進(jìn)行檢測，對MSP430單片機采集的數(shù)據(jù)，應(yīng)用貝葉斯估計的多傳感器數(shù)據(jù)融臺方法，充分利用了先驗知識，降低傳感器故障對檢測系統(tǒng)的影響，提高檢測的準(zhǔn)確性和可靠性。系統(tǒng)通過片內(nèi)定時器每間隔一段時間進(jìn)行采集甲烷濃度的檢測，并把此次檢測的結(jié)果通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心和把此次結(jié)果存儲在SD存儲卡內(nèi)，在其他時間系統(tǒng)處于低功耗睡眠狀態(tài)，實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗。若空氣中甲烷濃度超過設(shè)定值時，將進(jìn)行報警，監(jiān)控中心及時給出必要措施。該傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點安裝方便，功耗低，造價低，對預(yù)防由于甲烷含量過高而引起的事故有很好的應(yīng)用前景。

圖8　甲烷數(shù)據(jù)采集流程圖

參考文獻(xiàn)：

[1]林孝工，劉月棠，王宏建．多維置信距離方法的研究．自動化技術(shù)與應(yīng)用，1997，16(3)：33-35．

[2]張曉東，施云．基于Bayes信息融合的幾何產(chǎn)品測量不確定度評定方法．中國儀器儀表，2010(3)：67-70．

[3]李劍，姚金杰．無線振動傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計．儀表技術(shù)與傳感器，2011(10)：25-31．

[4]孫忠坦，劉福強．煤礦常用甲烷檢測儀器的校準(zhǔn)和管理．山東煤炭科技，2009(1)：150-151．

[5]吳瓊．基于甲烷監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件設(shè)計．儀表技術(shù)與傳感器，2012(8)：239-241．

[6]蔡巍巍，湯寶平，黃慶卿．面向機械振動信號采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計．振動與沖擊，2013，32(1)：73-77．

[7]虞致國，魏斌，萬書芹，等．面向多傳感器模塊接入的低功耗無線傳感器節(jié)點．電子與封裝，2011，11 (10)：23-27．