基于ZigBee的煤場(chǎng)無(wú)線自燃檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

張晶，呂少勝，盧智嘉，于京生

（1．石家莊學(xué)院機(jī)電學(xué)院，河北石家莊050035；2.河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北石家莊050031）

基于ZigBee的煤場(chǎng)無(wú)線自燃檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

張晶1，呂少勝2，盧智嘉1，于京生1

（1．石家莊學(xué)院機(jī)電學(xué)院，河北石家莊050035；2.河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北石家莊050031）

通過(guò)比較傳統(tǒng)的檢測(cè)方式，采用ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)了煤場(chǎng)無(wú)線自燃檢測(cè)系統(tǒng).以CC2530為主控及通信芯片，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)傳輸模塊、傳感器模塊、天線模塊等硬件電路，并分析了CC2530的組網(wǎng)流程.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)溫度的采集、無(wú)線傳輸及顯示，在試驗(yàn)條件下，系統(tǒng)的通信距離約為60 m.該系統(tǒng)功耗低，穩(wěn)定性高，能夠達(dá)到對(duì)煤場(chǎng)自燃隱患進(jìn)行監(jiān)測(cè)的目的.

ZigBee；無(wú)線自燃檢測(cè)；CC2530；組網(wǎng)流程

0 引言

燃煤的自燃特性會(huì)給煤的存儲(chǔ)帶來(lái)極大的安全隱患.實(shí)時(shí)檢測(cè)煤炭的溫度可以確保電廠安全生產(chǎn)，保障重要原料的安全，并節(jié)約能源.

在傳統(tǒng)的檢測(cè)方式中，通常采用人工巡邏的監(jiān)管模式.這樣不僅耗材耗力，而且由于人工監(jiān)管的時(shí)效性和準(zhǔn)確性較低，很有可能會(huì)因?yàn)橐粫r(shí)的疏忽而導(dǎo)致事故的發(fā)生.也有研究中使用有線溫度監(jiān)控系統(tǒng)的，但是由于儲(chǔ)煤場(chǎng)進(jìn)行日常輸煤、取煤作業(yè)很頻繁，安裝的溫度采集節(jié)點(diǎn)經(jīng)常會(huì)被移動(dòng)，并且大型的機(jī)械設(shè)備較多，干擾較大，所以很難采用有線溫度監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)煤自燃的監(jiān)控[1，2].

現(xiàn)在數(shù)字化儲(chǔ)煤場(chǎng)正在興建，這就需要對(duì)煤場(chǎng)溫度的監(jiān)控智能化，運(yùn)用ZigBee技術(shù)組建的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)有很強(qiáng)的組網(wǎng)、修復(fù)能力和較高的穩(wěn)定性，具有重要的實(shí)用價(jià)值.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)工作流程

整個(gè)無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)的工作流程如圖1所示。

協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的主要功能是組建網(wǎng)絡(luò)和上傳數(shù)據(jù)給上位機(jī).一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)——PAN（Personal Area Network）中有且僅有一個(gè)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，然后用分布式尋址方案來(lái)配置網(wǎng)絡(luò)成員的地址，這樣就可以確保每個(gè)分配出去的網(wǎng)絡(luò)地址在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中都是不同的.路由器主要起到擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)及路由消息的功能，這樣就可以延長(zhǎng)傳輸距離.采集終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集溫度并把數(shù)據(jù)上傳到路由節(jié)點(diǎn).上位機(jī)將數(shù)據(jù)通過(guò)串口調(diào)試助手軟件顯示出來(lái)，供值班人員實(shí)時(shí)觀察現(xiàn)場(chǎng)情況.

圖1 無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)工作流程框圖

1.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

一般的ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有3種，分別是星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3].本次設(shè)計(jì)采用樹(shù)型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，相較于星型結(jié)構(gòu)，樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)增加了路由節(jié)點(diǎn)設(shè)備，且不像網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)那樣復(fù)雜.整個(gè)樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以包括一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、若干個(gè)路由節(jié)點(diǎn)和更多的終端節(jié)點(diǎn).由于出現(xiàn)了3層結(jié)構(gòu)，所以網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍大大增加，所以能夠滿足實(shí)際需求.

2 硬件電路設(shè)計(jì)

主控及傳輸芯片使用CC2530F256，其中256指的是芯片的閃存大小為256 kB.在此基礎(chǔ)上外接晶振電路、電源模塊、天線模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊（PL2320HX、USB接口，只有在協(xié)調(diào)器上使用）、I/O口模塊（用來(lái)外接傳感器、按鍵、液晶屏等），系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 ZigBee芯片CC2530F256

作為該系統(tǒng)的主控及通訊芯片，CC2530芯片采用的是高性能、低功耗的8051微控制器內(nèi)核，它擁有能夠適應(yīng)2.4 GHz IEEE802.15.4的RF收發(fā)器.電源電壓范圍為2.0-3.6 V.芯片具有看門狗、電池監(jiān)視器、溫度傳感器和高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）協(xié)處理器、1個(gè)通用的16位和2個(gè)8位定時(shí)器.同時(shí)擁有8路輸入8-14位模數(shù)變換器（ADC）、2個(gè)串行、21個(gè)通用I/O引腳和1個(gè)紅外發(fā)生電路[4，5].該芯片具有低功耗、外圍設(shè)備強(qiáng)大、集成度高、無(wú)線收發(fā)電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等顯著優(yōu)勢(shì).

2.2 主要外圍電路

2.2.1 電源模塊

采用AMS1117-3.3的正向低壓降穩(wěn)壓器，它在1 A電流的情況下壓降為1.2 V，固定輸出電壓為3.3 V.該穩(wěn)壓器擁有限流和過(guò)熱保護(hù)電路，可為計(jì)算機(jī)和電池供電.

采集終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)可使用3節(jié)7號(hào)電池或USB口供電.而為了傳輸數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)必須使用USB口供電.

2.2.2 晶振模塊

CC2530內(nèi)部有16 MHz和32 kHz兩個(gè)RC振蕩器，外部振蕩器采用32 MHz和32.768 kHz兩個(gè)晶體振蕩器，電路連接如圖3所示.32 MHz或16 MHz振蕩器用來(lái)作為系統(tǒng)時(shí)鐘提供源，而32 kHz或32.768 kHz振蕩器則可以為看門狗定時(shí)器提供標(biāo)記或者驅(qū)動(dòng)睡眠定時(shí)器進(jìn)行工作.對(duì)于部分應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)，32 MHz晶振的啟動(dòng)時(shí)間相對(duì)來(lái)說(shuō)或許比較長(zhǎng)，所以可以先使設(shè)備運(yùn)行內(nèi)部的16 MHz RC振蕩器，一直到晶振穩(wěn)定.雖然16 MHz RC振蕩器的功耗比晶體振蕩器低，但它不像晶振那樣準(zhǔn)確，所以不能用來(lái)進(jìn)行RF收發(fā)器的操作.

圖3 晶振模塊

32 kHz RC振蕩器功耗較少，但不如32.768 kHz晶體振蕩器精確.這兩個(gè)振蕩器不能夠同時(shí)使用.

2.2.3 天線模塊

天線模塊采用的是SMA接口的桿狀天線，電路圖如圖4所示.在接收數(shù)據(jù)模式下，正、負(fù)RF輸入信號(hào)分別從RF_P、RF_N引腳進(jìn)入芯片；在發(fā)送數(shù)據(jù)模式時(shí)，正、負(fù)RF輸出信號(hào)又分別從RF_P、RF_N引腳輸出.

圖4 天線模塊

2.2.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊由USB接口、PL2303HX芯片及芯片外圍電路組成，PL2303HX是RS232-USB接口轉(zhuǎn)換器，提供RS232全雙工異步串行通信裝置與USB功能接口的連接，這里主要用來(lái)上傳數(shù)據(jù).PL2303HX使用了28腳貼片SOIC封裝的形式，其工作頻率為12 MHz，滿足USB 1.1通信協(xié)議的要求，能夠用來(lái)直接將USB信號(hào)轉(zhuǎn)換成串口信號(hào)，波特率的范圍為75-1 228 800，總共可以有22種供選擇使用，而且還支持5、6、7、8、16等5種數(shù)據(jù)比特位，是一種非常好的USB轉(zhuǎn)串口芯片.其中PL2303HX芯片的TXD、RXD引腳分別接到CC2530的P0_2/RX、P0_3/TX引腳上.

因?yàn)镃C2530傳輸數(shù)據(jù)需要用串口，但是作為上位機(jī)的計(jì)算機(jī)很可能沒(méi)有配置串口，而USB接口是每個(gè)計(jì)算機(jī)必有的，所以上位機(jī)接收數(shù)據(jù)可以通過(guò)USB口.這樣協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)模塊與上位機(jī)之間的連接就需要進(jìn)行串口與USB口之間的轉(zhuǎn)換.

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試得知，CP2102不能夠進(jìn)行在線系統(tǒng)編程（ISP）下載，雖然FT232可以下載，但是它的價(jià)格太高.根據(jù)試驗(yàn)條件，最終選擇PL2303，其下載比較穩(wěn)定，而且還能夠支持多種操作系統(tǒng).

2.2.5 按鍵及LED模塊

LED連接如圖5所示，其中RX為接收指示，TX為發(fā)送指示，PWR為電源指示，而D1、D2、D3則根據(jù)具體的需要進(jìn)行配置.所有指示燈均在I/O口低電壓時(shí)點(diǎn)亮.

按鍵的連接如圖6所示，其中S1、S2可以根據(jù)需要進(jìn)行配置，S3為復(fù)位鍵.當(dāng)按鍵被按下時(shí)，I/O口會(huì)檢測(cè)到低電壓，即I/O置0，這樣CC2530F256就可以了解具體是哪個(gè)按鍵被按下了.需要提及的是，令CC2530F256的RESET_N引腳為低電壓時(shí)，就可以使芯片復(fù)位.

圖5 LED連接圖

圖6 按鍵連接圖

除此之外還有一個(gè)開(kāi)關(guān)被用在電源模塊的電路中，作為供電口的總開(kāi)關(guān).當(dāng)其關(guān)閉時(shí)，圓孔電源口和USB口均被關(guān)閉.

2.2.6 液晶屏模塊

該模塊只安裝在采集終端節(jié)點(diǎn)上，可以使值班人員在現(xiàn)場(chǎng)方便地了解煤堆的溫度.將薄膜晶體管（TFT）彩屏模塊按照?qǐng)D7所示連接到CC2530F256芯片，可以配合取模軟件PCtoLCD2002對(duì)所顯示的字符進(jìn)行修改.

TFT彩屏模塊的DC為數(shù)據(jù)/命令選擇引腳，置1為寫入數(shù)據(jù)，置0為寫入命令；RST為復(fù)位引腳，控制彩屏的復(fù)位；SDA為雙向數(shù)據(jù)接口，置1為輸出數(shù)據(jù)，置0為寫入數(shù)據(jù)；SCL為時(shí)鐘接口.

2.2.7 蜂鳴器模塊

蜂鳴器主要分為有源蜂鳴器和無(wú)源蜂鳴器兩種.區(qū)別在于，前者可以直接接上額定電源進(jìn)行連續(xù)發(fā)聲，而后者則必須接在音頻輸出電路中才能夠產(chǎn)生聲音.因?yàn)镮/O引腳輸出的電流較小，無(wú)法驅(qū)動(dòng)有源蜂鳴器，所以這里選擇了無(wú)源蜂鳴器，然后接入一個(gè)電流放大電路.蜂鳴器模塊只安裝在采集終端節(jié)點(diǎn)模塊上，用于當(dāng)采集終端節(jié)點(diǎn)所測(cè)得溫度超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)進(jìn)行報(bào)警，提醒值班人員采取措施.

2.2.8 傳感器模塊

目前應(yīng)用較為廣泛的溫度傳感器是DS18B20，主要用于測(cè)量環(huán)境溫度或物體表面溫度，不適合檢測(cè)深層煤堆的內(nèi)部溫度.鉑電阻溫度傳感器是利用自身的電阻隨溫度變化而變化的特性做成的測(cè)溫元件，其中的PT100鉑熱電阻具有精度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，而且可以做成1-2 m的插入式探頭，符合實(shí)際測(cè)量需求.

常見(jiàn)的PT100連接方式有三線制和兩線制，而三線制的優(yōu)勢(shì)是可以消除導(dǎo)線電阻.電路中使用TL431和電位器VR1來(lái)配合調(diào)節(jié)出4.096 V的參考電源.R1、R2、VR2（100 Ω）、PT100構(gòu)成了測(cè)量電橋.R3、R4、R5、R6構(gòu)成了差動(dòng)放大電路，放大倍數(shù)為R5/R3.當(dāng)PT100電阻值與VR2不相等時(shí)，電橋就會(huì)輸出一個(gè)mV級(jí)的電壓差信號(hào)，該信號(hào)可以直接送到CC2530F256中進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換.

溫度傳感器模塊安裝在采集終端節(jié)點(diǎn)上.電路采用5 V供電，數(shù)據(jù)傳輸引腳為P0_7.溫度傳感器的連接圖如圖8所示.

圖7 液晶屏連接圖

圖8 溫度傳感器連接圖

3 系統(tǒng)組網(wǎng)過(guò)程

3.1 Z-Stack工作流程

Z-Stack是TI公司開(kāi)發(fā)的開(kāi)源ZigBee協(xié)議棧，并且通過(guò)了ZigBee聯(lián)盟的認(rèn)可，協(xié)議棧采用分層的軟件結(jié)構(gòu)，定義了通信硬件和軟件在每個(gè)分層里怎樣協(xié)調(diào)工作.協(xié)議棧的各層相對(duì)獨(dú)立，每一層都提供了一些服務(wù)，這些服務(wù)由協(xié)議定義，設(shè)計(jì)者只需要關(guān)心與其工作直接相關(guān)的那些層的協(xié)議，為其設(shè)計(jì)和調(diào)試帶來(lái)極大的方便.Z-Stack協(xié)議棧的每個(gè)工程都包含用戶應(yīng)用層APP、硬件抽樣層HAL、物理層MAC、網(wǎng)絡(luò)層NWK、操作系統(tǒng)抽樣層OSAL和ZigBee設(shè)備對(duì)象層ZDO等14個(gè)目錄文件.Z-Stack下任務(wù)的執(zhí)行是通過(guò)系統(tǒng)消息進(jìn)行傳遞調(diào)用，當(dāng)有事件發(fā)生時(shí)就會(huì)去執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù).Z-Stack工作流程圖如圖9所示.

3.2 數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)程

數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，為每個(gè)終端采集節(jié)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)編號(hào).協(xié)調(diào)器收到上位機(jī)的命令有兩種形式：一種是不帶編號(hào)的參數(shù)，需要所有終端節(jié)點(diǎn)處理；一種帶編號(hào)的參數(shù)，只有相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處理.協(xié)調(diào)器收到上位機(jī)的命令，以廣播形式發(fā)送出去，終端節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)做出相應(yīng)判斷.終端節(jié)點(diǎn)以點(diǎn)播的形式向路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，路由節(jié)點(diǎn)再將各終端節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)上傳給協(xié)調(diào)器，終端節(jié)點(diǎn)之間不進(jìn)行通信.數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)程如圖10所示.

試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，一個(gè)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，傳輸距離約為60 m，實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)被測(cè)煤場(chǎng)區(qū)域大小，增加路由節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，從而增加傳輸距離.

圖9 Z-Stack工作流程圖

4 結(jié)論

基于ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，采用樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用CC2530作為主要控制和通信芯片，設(shè)計(jì)了各個(gè)模塊的硬件電路，通過(guò)試驗(yàn)過(guò)程測(cè)試，確定各個(gè)模塊的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了煤場(chǎng)的無(wú)線溫度檢測(cè).該系統(tǒng)體積小、功耗低、穩(wěn)定性高，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，但也有不足和待改進(jìn)之處，如結(jié)果顯示不能隨時(shí)隨地觀察、協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題引起的系統(tǒng)故障等，后續(xù)將繼續(xù)對(duì)這些問(wèn)題開(kāi)展研究.

圖10 數(shù)據(jù)收發(fā)示意圖

[1]鞏娜，張素娟，雷勇，等.基于CC2530的智能溫度傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].氣象科技，2014，42（5）：764-768.

[2]趙琳娜，高力寶，孫可，等.基于ZigBee的火電廠儲(chǔ)煤自燃監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，30（4）：287-291.

[3]范燕，俞洋，李永義，等.基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016，35（1）：80-84.

[4]李建勇，李洋，劉雪梅.基于ZigBee的糧庫(kù)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42（1）：65-67.

[5]楊萌，趙亮.基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)研究[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015，（1）：34-34.

（責(zé)任編輯鈕效鹍）

Hardware Design of Coal Mine Wireless Spontaneous Combustion Detection System Based on ZigBee

ZHANG Jing1,LV Shao-sheng2,LU Zhi-jia1,YU Jing-sheng1
(1.School of Mechanical&Electronic Engineering,Shijiazhuang University,Shijiazhuang,Hebei 050035,China; 2.Hebei Electric Power Design&Research Institute,Shijiazhuang,Hebei 050031,China)

By comparing the traditional detection methods,the ZigBee technology is used to design the wireless spontaneous combustion detection system.CC2530 is used as the main control and communication chip,and the hardware circuits of data transmission module,sensor module,antenna module and so on are designed.The networking process based on CC2530 is analyzed.The functions of collecting,transmitting and displaying the temperature of the target node are realized.Under the experimental conditions,the communication distance is about 60 m.The system has low power consumption and high stability,which can achieve the purpose of monitoring the hidden danger of coal spontaneous combustion.

ZigBee;wireless spontaneous combustion detection;CC2530;networking process

TN915

A

1673-1972（2017）03-0033-06

2017-03-20

河北省科技廳項(xiàng)目（15270349、15220353）；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)研究計(jì)劃（ZC2016107、QN2016324）

張晶（1981-），女，河北滄州人，講師，主要從事信息處理與傳輸研究.