基于CC2630的低成本井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

宋珍偉, 李莉, 黃友銳

(1.南通科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 南通 226007；2.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001)

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基于CC2630的低成本井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

宋珍偉1, 李莉1, 黃友銳2

(1.南通科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 南通 226007；2.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001)

針對(duì)大中型煤礦監(jiān)控系統(tǒng)成本高功耗高的問題，基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感技術(shù)提出了一種低成本監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)闡述了CC2630協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)方案與軟件控制流程，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)LabView主控制界面對(duì)井下環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與控制的功能，并給出了測(cè)試結(jié)果。測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性、較遠(yuǎn)的無(wú)線傳輸距離以及較低的成本。

LabView; 監(jiān)控;CC2630;傳感器；ZigBee；礦井

0 引 言

礦井中的有害氣體統(tǒng)稱為瓦斯，主要成份為甲烷，煤礦事故80%以上發(fā)生在高瓦斯或有突出危險(xiǎn)的礦井，而又以瓦斯爆炸事故為主，因此有必要對(duì)甲烷、一氧化碳等有害氣體進(jìn)行隨時(shí)監(jiān)測(cè)[1]，當(dāng)前相當(dāng)部分的中小煤企井下監(jiān)控及信息處理手段落后，對(duì)于井下環(huán)境數(shù)據(jù)不能有效地監(jiān)測(cè)與綜合處理。因此,針對(duì)中小礦井引入一種低成本的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提高中小礦井的整體監(jiān)測(cè)水平。本文針對(duì)瓦斯以及與礦工生命行為密切相關(guān)的溫濕度、氧氣量等環(huán)境參量進(jìn)行實(shí)時(shí)有效監(jiān)測(cè)，基于CC2630開發(fā)井下環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 整體方案設(shè)計(jì)

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

有線方式井下環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng),布線困難，系統(tǒng)可擴(kuò)展性較差，相比無(wú)線技術(shù)則具有非常大的優(yōu)勢(shì)，避免了重復(fù)布線的麻煩又能夠適應(yīng)移動(dòng)變化的工作現(xiàn)場(chǎng)，降低了成本提高數(shù)據(jù)傳輸效率[2]。本系統(tǒng)由上位機(jī)監(jiān)控中心、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)三部分構(gòu)成，基于ZigBee無(wú)線技術(shù)，以CC2630協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)為中心組建拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)分布在各個(gè)區(qū)域， 負(fù)責(zé)采集甲烷、CO、氧氣、溫濕度等參量，并將數(shù)據(jù)以無(wú)線的方式發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，CC2630協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收傳感器數(shù)據(jù)信息，并把接收到的信息通過(guò)串口發(fā)送函數(shù)發(fā)送到上位機(jī)監(jiān)控中心，上位機(jī)監(jiān)控中心主要完成數(shù)據(jù)的集中處理與集中控制的功能(如圖1所示)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2．1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

圖2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)框圖

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以CC2630為控制核心，主要負(fù)責(zé)建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)、調(diào)度各傳感器節(jié)點(diǎn)、發(fā)送和接收指令并通過(guò)串口通信模塊與PC上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，如圖2所示。CC2630具有較高的接收靈敏度和優(yōu)異的抗干擾能力；具有超低的功耗；集成了強(qiáng)大的32位ARM Cortex-M3微控制器；128 kB系統(tǒng)可編程內(nèi)存以及8 kB RAM,具備在各種供電方式下的數(shù)據(jù)保持能力；強(qiáng)大的5通道DMA功能，MAC定時(shí)器以及4個(gè)32位定時(shí)器；具有可配置的12位ADC以及最高多達(dá)31個(gè)的通用I/O引腳，CC2630能夠以非常低的成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2630集成了32位ARM Cortex-M3 處理器，與主處理器工作頻率同為 48 MHz，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，僅需要很少的外部器件就能夠擴(kuò)展一片CC2592模塊，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要由串口通信模塊、LED顯示模塊、電源模塊以及CC2592射頻前端構(gòu)成，如圖2所示。LED模塊主要是用來(lái)顯示ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接的狀態(tài)；CC2592射頻前端用來(lái)提高信號(hào)發(fā)射功率以及增強(qiáng)接收機(jī)靈敏度；串口通信模塊主要是負(fù)責(zé)將收集到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口上傳到上位機(jī)。

2.2 傳感器終端節(jié)點(diǎn)

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)框圖

傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)甲烷、一氧化碳、氧氣、溫濕度等參數(shù)數(shù)據(jù)的采集、處理與發(fā)送[3]。終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)上要盡可能的高度集成，便于礦井工人攜帶；具有較低的功耗，要能夠使用電池供電，在無(wú)人值守的地方要能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的工作；具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與準(zhǔn)確度；盡可能低的成本。綜合以上考慮，傳感器節(jié)點(diǎn)以TI公司的CC2630為核心并通過(guò)擴(kuò)展相應(yīng)的傳感器模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。

CC2630通過(guò)擴(kuò)展相應(yīng)的傳感模塊與CC2592射頻模塊一起構(gòu)成了整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，瓦斯傳感器模塊基于MJC4/3.0L載體催化元件進(jìn)行設(shè)計(jì)，MJC4根據(jù)催化燃燒效應(yīng)的原理工作，具有良好的元件工作穩(wěn)定性和可靠性，由檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件構(gòu)成了惠斯通電橋的兩個(gè)橋臂，若被探測(cè)區(qū)域內(nèi)無(wú)瓦斯氣體存在則電橋保持平衡無(wú)電壓信號(hào)輸出；若空氣中有瓦斯氣體存在，檢測(cè)元件表面發(fā)生無(wú)焰催化燃燒致其阻值增大，電橋失去平衡，輸出一個(gè)與瓦斯?jié)舛瘸烧鹊碾娦盘?hào)，但此信號(hào)非常微弱，需經(jīng)過(guò)放大器電路放大之后再送入CC2630進(jìn)行無(wú)線傳輸。放大電路為一片AD623，AD623是一個(gè)集成單電源儀表放大器，它能在單電源(+3 V到+12 V)下提供滿電源幅度的輸出，具有較寬的共模輸入范圍，可以放大低于地電平150 mV共模電壓信號(hào)。

氧氣傳感模塊基于Alphasense公司的O2-A3進(jìn)行設(shè)計(jì)，O2-A3根據(jù)電化學(xué)原電池的原理工作，通過(guò)測(cè)量對(duì)象氣體在陰極上的電化學(xué)還原和陽(yáng)極的氧化過(guò)程，產(chǎn)生電流，得出對(duì)象氣體的濃度，O2-A3具有長(zhǎng)壽命(4年左右)以及長(zhǎng)期的工作穩(wěn)定性且無(wú)漂移、較高的測(cè)量精度與靈敏度、優(yōu)異的抗干擾能力，適合礦下氧氣濃度的檢測(cè)，將O2-A3產(chǎn)生的微弱電流經(jīng)放大電路放大之后送給CC2630控制芯片。

溫濕度傳感器模塊選用Sensirion公司SHT11進(jìn)行設(shè)計(jì)，SHT11傳感器將溫度與濕度一體化測(cè)量，電路連接方便只需要將SHT11的DATA、SCK端連接到控制芯片的相應(yīng)的引腳，降低了硬件成本[4]。SHT11傳感器具有極強(qiáng)的抗干擾能力、超快的響應(yīng)時(shí)間、較高的測(cè)量精度和長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性，微小的體積和低功耗等特點(diǎn)使得SHT11傳感器非常適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)應(yīng)用。

3 軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的硬件部分進(jìn)行軟件編程，來(lái)實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立；傳感器數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)處理[5]。本文采用TI公司的Z-STACK協(xié)議棧，Z-STACK協(xié)議棧嵌入了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，能夠通過(guò)對(duì)任務(wù)的事件觸發(fā)來(lái)完成任務(wù)調(diào)度，軟件設(shè)計(jì)主要包括終端節(jié)點(diǎn)程序、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序(如圖4所示)以及LabView監(jiān)控主界面程序三部分構(gòu)成。

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)

如圖5所示,傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)完成瓦斯、一氧化碳、溫濕度等數(shù)據(jù)的采集，圖6所示為瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)采集的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，同時(shí)負(fù)責(zé)接收來(lái)自協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的相關(guān)指令。節(jié)點(diǎn)通電之后，首先完成相應(yīng)的初始化工作，包括ZigBee協(xié)議棧的初始化和硬件外設(shè)的初始化。查詢信道選擇合適的網(wǎng)絡(luò)，向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，入網(wǎng)成功后即進(jìn)入休眠模式。圖4所示，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求時(shí)，由終端節(jié)點(diǎn)完成對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)參量的實(shí)時(shí)采集，并將采集到的參量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理以無(wú)線方式發(fā)送到CC2630協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，當(dāng)終端傳感器節(jié)點(diǎn)沒有數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入睡眠模式。采用此種工作模式，傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗可保持在很低的水平。

圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)流程圖 圖5 傳感器節(jié)點(diǎn)流程圖

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)建立并維護(hù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行、處理傳感器節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求和接收轉(zhuǎn)發(fā)傳感器節(jié)點(diǎn)的參量數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)上電后，首先初始化CC2630芯片以及ZigBee協(xié)議棧，接著查詢信道，選擇合適的信道建立網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)置協(xié)調(diào)器地址，對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不斷的進(jìn)行監(jiān)聽。當(dāng)有CC2630傳感器終端節(jié)點(diǎn)的加入請(qǐng)求時(shí)，允許節(jié)點(diǎn)加入并給節(jié)點(diǎn)并分配網(wǎng)絡(luò)地址,如圖5所示。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并調(diào)用發(fā)送函數(shù)通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)。

3.3 基于LabView的監(jiān)控界面軟件

LabView是NI公司基于圖形化G語(yǔ)言的編程軟件，與傳統(tǒng)編程語(yǔ)言相比，界面更加友好，利用模塊化和遞歸方式可以在很短的時(shí)間內(nèi)構(gòu)建、設(shè)計(jì)和更新自己的軟件系統(tǒng)，提高程序編寫的效率。LabView是一款針對(duì)測(cè)試及自動(dòng)化領(lǐng)域而專門設(shè)計(jì)的程序開發(fā)環(huán)境，帶有龐大的函數(shù)庫(kù)，能夠很方便的完成數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等相應(yīng)工作，基于以上考慮選用LabView作為上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)的開發(fā)環(huán)境[6]。

圖6 瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

系統(tǒng)采集的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳到上位機(jī)，通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控界面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理與顯示，監(jiān)控界面的主要功能：對(duì)采集與傳輸系統(tǒng)上傳的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和顯示,并支持環(huán)境參數(shù)的查詢功能;通過(guò)數(shù)據(jù)分析對(duì)礦井內(nèi)的執(zhí)行器件發(fā)出相應(yīng)的控制命令；串口通訊參數(shù)設(shè)置和節(jié)點(diǎn)管理等功能。

4 測(cè)試及結(jié)果分析

ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，傳感器節(jié)點(diǎn)與相應(yīng)的瓦斯、氧氣以及溫濕度傳感器相連接，協(xié)調(diào)器通過(guò)串口線與上位機(jī)相連接,通過(guò)TIZ-NETWORK工具查看各節(jié)點(diǎn)信息。經(jīng)測(cè)試可正常組網(wǎng)，控制臺(tái)正確顯示遠(yuǎn)程ZigBee節(jié)點(diǎn)上的傳感器設(shè)備，測(cè)試傳感器正常工作情況。測(cè)試數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸丟包率和傳輸速度，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與各終端節(jié)點(diǎn)周期性互發(fā)固定大小的數(shù)據(jù)包，記錄數(shù)據(jù)包收發(fā)情況，實(shí)際測(cè)得的穩(wěn)定速率22 kb/s左右，傳輸速率越高，穩(wěn)定性越差。

測(cè)試結(jié)果可知，僅有主芯片CC2630時(shí)傳輸距離超過(guò)60 m信號(hào)就變得不穩(wěn)定甚至收不到信號(hào)，無(wú)法滿足井下數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，增加CC2592功放后傳輸距離明顯延長(zhǎng)如表1所示，穩(wěn)定傳輸距離可以達(dá)到500米左右，增加功放之后傳輸距離得到了明顯的改善但總成本并沒有增加太多。

表1 數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以CC2630為控制核心擴(kuò)展一片CC2592，充分利用CC2630強(qiáng)大的處理能力結(jié)合Z-Stack協(xié)議棧構(gòu)建了煤礦井下環(huán)境參數(shù)無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)，經(jīng)測(cè)試該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確提供井下各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并提供報(bào)警功能，加射頻功放之后的無(wú)線傳輸距離能夠滿足中小煤礦井下數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

[1] 魏作輝,艾惠明.基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化,2008,36(3):41-43.

[2] 倪冠華,張超.中小型煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].煤礦安全,2011,42(3):58-71.

[3] 張睿,王建中.基于CC2530的無(wú)線溫度傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2014,34(3):87-90.

[4] 衣翠平,柏逢明.基于ZigBee技術(shù)的CC2530糧庫(kù)溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)研究[J]. 長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào),2011,34(4):53-56.

[5] 章偉聰,俞新武,李忠成.基于CC2530及ZigBee協(xié)議棧設(shè)計(jì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2011，20(7)：184-187.

[6] 劉圓,朱華.基于ZigBee技術(shù)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)[J].工礦自動(dòng)化,2007,35(4)：1-3.

Research on System of Environment Monitoring of Mine Based on CC2630

Song Zhenwei1,Li Li1,Huang Yourui2

(1.Nantong Science and Technology Institute, Nantong Jiangsu 226007, China;2.Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)

For the high-cost and high-power of the mine monitoring, this paper introduces a design of wireless network environment monitoring system with lower costs based on ZigBee and Sensor. It elaborated the hardware design and software flow chart of senor node, realized the environmental data acquisition and control functions by LabView main control interface .Test results have proved that the system is appropriate for small coal mines with good stability and accuracy, farther transmission distance of wireless data, lower costs.

LabView; monitoring; CC2630; sensor; ZigBee; mine

國(guó)家自然科學(xué)基金(51274011)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.04.017

TD676

A

1000-3886(2016)04-0054-02

宋珍偉 ( 1979 - ) ,男,江蘇銅山人, 講師,碩士生, 研究方向?yàn)橹悄軆x器與測(cè)控技術(shù)。

定稿日期: 2016-02-04