基于ZigBee的煤層氣體泄漏監(jiān)控系統(tǒng)終端模塊設(shè)計(jì)

賀國(guó)強(qiáng) 陳振宇 史航 孫柏林 瞿聰 韓成浩

摘要：文章介紹了煤層氣體泄露監(jiān)控系統(tǒng)終端模塊設(shè)計(jì)方案，包括其硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，說明該系統(tǒng)的核心技術(shù)是ZigBee技術(shù)。以ZigBee技術(shù)為核心，該系統(tǒng)具備諸多優(yōu)勢(shì)，其功耗、成本都較低，靈敏度、抗干擾能力亦都較強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：ZigBee；煤層氣體泄漏；監(jiān)控系統(tǒng)終端

長(zhǎng)期以來，煤層氣（俗稱瓦斯）事故的數(shù)量在煤礦事故的總數(shù)量中所占比例一直居高不下。根據(jù)記錄顯示，煤礦事故中死亡3人以上的，煤層氣事故占70%之多，10人以上死亡的事故中煤層氣事故更是達(dá)到了90%。提高地下煤礦的工作環(huán)境安全系數(shù)、改善工作條件、提高工作效率，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)越好越快發(fā)展意義重大。

ZigBee是目前廣泛應(yīng)用的一種技術(shù)，其特點(diǎn)是復(fù)雜度低、功耗低、數(shù)據(jù)速率低、成本低，是一種雙向無線通信技術(shù)，ZigBee的完整協(xié)議棧有32 kB，可以嵌入各種設(shè)備中應(yīng)用，并且支持地理定位功能[1]。本系統(tǒng)中煤礦煤層氣無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用低功耗、具有較強(qiáng)抗干擾能力的微控制器為核心，系統(tǒng)可對(duì)煤礦礦井空氣中的煤層氣濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，具有可靠性、便于安裝性、成本低、節(jié)能及實(shí)際可行性等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)可對(duì)煤礦生產(chǎn)工作的進(jìn)行提供一定的保障，提高一定的生產(chǎn)效率，并且在礦井的防災(zāi)、減災(zāi)方面發(fā)揮一定的作用。

1 設(shè)計(jì)方案

監(jiān)控系統(tǒng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分成2層，上層是上位機(jī)，就是由計(jì)算機(jī)及其內(nèi)部的應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息的匯聚點(diǎn)[3]，同時(shí)負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。下層是ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)，由協(xié)調(diào)器、路由器和節(jié)點(diǎn)3個(gè)部分組成。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成呈網(wǎng)狀發(fā)散式結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)信息也由節(jié)點(diǎn)一路由器一協(xié)調(diào)器的方式逐級(jí)傳送。上層計(jì)算機(jī)與下層協(xié)議棧采用TCP/IP有線網(wǎng)絡(luò)連接，以保證數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。

實(shí)際應(yīng)用中，基于考慮一般礦井深度都在10公里以上，故而需要在礦井中安置100個(gè)以上的ZigBee節(jié)點(diǎn)，由這些節(jié)點(diǎn)共同組成ZigBee組網(wǎng)。組網(wǎng)中各個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集各自區(qū)域內(nèi)的煤層氣濃度數(shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)傳送至各個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)組的路由器。每個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)具有各自的傳感器模塊，各個(gè)傳感器模塊由氣體傳感器和溫濕度傳感器組成，負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換，微控制器CC2530模塊則負(fù)責(zé)控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理、任務(wù)管理等[2]，存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)；電源模塊為兩節(jié)1.5 V的堿性電池，負(fù)責(zé)提供能量，選通所用到的傳感器。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 核心控制電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是基于CC2530模塊設(shè)計(jì)的，其中CC2530是整個(gè)系統(tǒng)的核心器件，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)、信息傳輸?shù)裙δ?。同時(shí)，由于CC2530內(nèi)部集成51內(nèi)核，控制程序均寫在其中，實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能。如圖1所示。

2.2 氣體傳感器模塊介紹

本設(shè)計(jì)中，氣體傳感器采用KGS-20半導(dǎo)體傳感器，該傳感器由北京吉華科技有限公司生產(chǎn)，體積小，功耗低，基本材料是二氧化錫。KGS-20是一種專用于可燃?xì)鉂舛葯z測(cè)的傳感器，瓦斯報(bào)警器、瓦斯檢測(cè)儀中都可見到它的身影，它具有極高的靈敏度，響應(yīng)速度也極快，且功耗較低，應(yīng)用電路也簡(jiǎn)單，其報(bào)警濃度為甲烷≥1%，響應(yīng)時(shí)間≤20 s，恢復(fù)時(shí)間≤30 s，工作溫度范圍-15℃?+ 50℃，濕度≤97%RH，靜態(tài)功耗為150 mW，報(bào)警狀態(tài)功耗為300 mW，供電電壓為3?5 VDC。其中PHT04000W是一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換模塊，在其中的作用就是給瓦斯傳感器提供0.9 V的電源。

2.3 溫濕度傳感器SHT75模塊

本設(shè)計(jì)中，溫濕度傳感器采用SHT75數(shù)字溫濕度傳感器，該傳感器由瑞士 Scnsirion公司推出。該傳感器包含兩部分——電容性測(cè)濕敏感元件和用能隙材料制成的測(cè)溫元件。傳感器將傳感元件及信號(hào)處理電路集成在一塊微小電路板上，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可穩(wěn)定輸出標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)，傳感器具有極高的可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，采用專利CMOSens技術(shù)，支持低功耗，并且在同一芯片上可實(shí)現(xiàn)14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路的無縫連接，而且，傳感器芯片是在超精確的濕度腔室中進(jìn)行標(biāo)定，校準(zhǔn)系數(shù)以程序形式儲(chǔ)存在一次性可編程（One Time Programable，OTP）內(nèi)存中，來用于內(nèi)部信號(hào)校準(zhǔn)。兩線制的串行接口與內(nèi)部的電壓調(diào)整，使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡(jiǎn)單。故而，該傳感器具有幾大優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)迅速、性價(jià)比高、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、功耗低等。

2.4 聲、光報(bào)警電路設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)運(yùn)行中，一旦發(fā)生煤層氣濃度超標(biāo)，不僅要將此報(bào)警信息上傳到上層計(jì)算機(jī)中。同時(shí)，還要警告附近的工作人員，故而設(shè)計(jì)了聲、光報(bào)警電路。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee協(xié)調(diào)器程序

協(xié)調(diào)器是整個(gè)組網(wǎng)的核心部分，主要用來初始化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，在整個(gè)井下組網(wǎng)中作為管理者存在。其中ZigBee協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)主程序流程如圖2所示。ZigBee協(xié)調(diào)器啟動(dòng)之后首先開始初始化設(shè)備，然后執(zhí)行中斷程序，判斷主機(jī)是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送，如果主機(jī)有數(shù)據(jù)信息需要發(fā)送則用無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)出去，發(fā)完數(shù)據(jù)之后進(jìn)行校驗(yàn)，看是否已經(jīng)發(fā)送成功。如果不成功則重復(fù)運(yùn)行發(fā)送數(shù)據(jù)模式。當(dāng)協(xié)調(diào)器處在空閑狀態(tài)時(shí)，本身沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，它就會(huì)掃描整個(gè)信號(hào)看是否有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，如果發(fā)現(xiàn)有則和上面一樣執(zhí)行接收這個(gè)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過校驗(yàn)、數(shù)據(jù)包解壓，最后通過數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)骄媳O(jiān)控子系統(tǒng)。

3.2 ZigBee組網(wǎng)流程

在給系統(tǒng)通電之后，ZigBee的無線傳感器會(huì)自動(dòng)執(zhí)行掃描信道，看是否已經(jīng)存在建好的網(wǎng)絡(luò)，如果掃描到信道已經(jīng)有建好的網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)無線傳感器會(huì)選擇一個(gè)父節(jié)點(diǎn)對(duì)其發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，協(xié)調(diào)器收到請(qǐng)求信號(hào)之后會(huì)給這個(gè)節(jié)點(diǎn)分配地址并確認(rèn)確實(shí)存在這個(gè)地址，這樣就成功地加入了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。如果在系統(tǒng)通電掃描信道之后，發(fā)現(xiàn)信道中沒有已經(jīng)建好的網(wǎng)絡(luò)，則它將自己設(shè)定為協(xié)調(diào)器，建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，它也可以接受其他的節(jié)點(diǎn)加入請(qǐng)求并分配網(wǎng)絡(luò)地址給節(jié)點(diǎn)。所以說它具有自組織網(wǎng)絡(luò)的功能。

4 結(jié)語

本研究項(xiàng)目煤礦煤層氣無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用低功耗、具有較強(qiáng)抗干擾能力的微控制器為核心，結(jié)合靈敏度很高的氣體傳感器和單總線技術(shù)及控制算法，對(duì)周圍環(huán)境的空氣濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)具有便于安裝性、成本低、節(jié)能及實(shí)際可行性等優(yōu)點(diǎn)，本項(xiàng)目的研制成功會(huì)使報(bào)警控制設(shè)備更趨近于現(xiàn)代化、智能化，進(jìn)一步提高煤礦工作環(huán)境的安全系數(shù)，提高工作效率?，F(xiàn)在，ZigBee技術(shù)因?yàn)槠渚哂械莫?dú)特優(yōu)勢(shì)技術(shù)，彌補(bǔ)了短距離無線網(wǎng)絡(luò)通信方面市場(chǎng)的空白，低功耗、低速率和低成本的特點(diǎn)在各個(gè)方面得到應(yīng)用，相信在很短的時(shí)間內(nèi)，該技術(shù)會(huì)在社會(huì)的多個(gè)方面發(fā)展和運(yùn)用。

[參考文獻(xiàn)]

[1]王權(quán)平，王莉.ZigBee技術(shù)及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代電信科技，2004（1）：33-37.

[2]周怡颋.ZigBee無線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討[D].上海：華東理工大學(xué)，2002.

[3]周怡颋，凌志浩，吳勤勤.ZigBee無線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討[J].自動(dòng)化儀表，2005（6）：5-9.

[4]張心泉，左蕓，凌志浩.基于ZigBee的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀器儀表智能化，2007（6）：197-201.

[5]孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[6]王小強(qiáng)，歐陽俊，黃寧淋.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.