煤矿瓦斯预警系统节点设计.pdf

珑 e roco m P ut e rAPPUc a 6on sVO I . 2 5, No . 7 , 2 00 9 开 发应 用傲型 电脑应用2 0 0 9 年第 25 卷第 , 期 文章编号 1 0 0 7 一 7 5 7 X 2 0 0 9 7 ,0 0 2 1 一 0 3 煤矿瓦斯预警系统节点设计 吴海龙孙运 强姚 爱琴 摘要 介 绍 了一种 基于Z l gB ee 的无线传感器 网络节点的设计 “ 节点利用 瓦斯 传感器采集煤矿 内的瓦斯 浓度, 并监测是 否达 到预设 的安 全阂值 ,当浓度超 过 了这个值 , 就通过无线 网络通知 各个节点发 出警报 , 及时让工作 人 员撤 离 “ 针 村煤矿 瓦斯监 测 的应 用, 详 细讨论 了预 警系统节点的硬件设计部分 “ 关键词 AT me g a l 2 8 L;C C 2 4 2 O ;Z l g B ee; 瓦斯 传感器;预 警 中图分类号T N g 巧.02文献标志码B 0 引言 示灯/ 开关 传感器模块接口 R S 2 3 2 与刀,AG接口和天线接 口等 “ 节点结构如 图2 所示 “ 随着无线通信技术的发展, 无线通信技术已经开始应用 于矿井安全和生产监测 “ Z lg Bee是一种短距离 低复杂度 低功耗 低数据速率 低成本的无线网络技术, 它的基础是 IEE E 8 0 2巧.4 无线个人域网标准 “ 8 02. 巧t4 包括用于低速无 线个人域网 LR 一 认叹AN的物理层和媒体接入控制层两个 规范“它能支持消耗功率少, 一 般在个人活动空间工作的简 单器件 节点可以组成三种拓扑结构星型结构 S tar 网 状结构 Me s h 和簇状结构 C his t e r tree “ 节点以自组织 形式构成网络, 每个节点都可以自主采集数据, 数据通过单 跳方式或多跳中继方式送到汇聚节点 sink 节点“ 汇聚节 点将收集的数据发送到远程的监控中心,或把数据发送给 P C 机进行数据处理和存储“L 凡WR A N中的器件既可以使用 6 4 位IEE E 地址,也可以使用在关联过程中指配的16位短地 址,一个8 02 巧4 网络 可以容纳多达6 5 5 3 6 个器件“ zig B ee作为一种短距离 低速率无线网络技术, 它在 L 业控制 交通监控 仓储物流 环境监测 抢险救灾 以及军 事等多个方面有着广泛的应用前景“ 随着技术的进一步发 展, Zig B ee将成 为实现 无线 监测系统最 理想的应 用方 案和 发 展趋势 “ 监 控 中 心 l -介 21 又 b亡 e- 竹点浑 “ 一 - 愁 2 i g b e e J 击 站 2l g he 户 丁 点 人 2i g br c 牡 2x g b e 妙 点- 21 只h 户户 点 图1总体设计示意图 曰曰叼 ccZ 伽 } 愁 , 信 , 州. 倒 夕 A T I E G A1 2 8 控制模块 一 ,朴 } } 勘 { 专 感器 报弊 设备 才 J T A G R 5 2 3 2 ,} 一丁 塑 l一]一丸 , zL 一 _ 电 参 供 电__ 一二 -翔 总体设计 Zig B ee节点的主要功能是采集瓦斯浓度数据, 并将数据 发送给 各个Zig B ee节点的纂站, 同时每 个节点都有 自我分析 能力, 当节点所监测到的瓦斯浓度达到预设的安全浓度闭值 时, 将立 即向各个节 点和井 上 监 测中心发送 信号, 通 知各 个 节点发出警报,以便让工作人员即时撤离并采取有效的措 施, 避 免重大事故的发生 “ 总体 设公 卜 如图l 所示 “ 2 节点设计 Z l g B e e 节, l5主要子 ] . AT me g a l 2 8 L 控制模块 C C 2 4 2 o 通信 模块 存储模块 和传感器模块组成 , 还包括 电源 供电模块指 图2 节点结 构框 图 zig B ee节点的传感器模块负责监测区域 内瓦斯浓度的 数据采集和传送 “ A T mage l28 L 控制模块负责控制整个节点 的 处 理 操 作 路 由 协 议 功 耗 管 理 任 务 管 理 等 , AT mega 1 2 8L处理器 自身具有A江2 功能,从传感器得到的模 拟信号可以直接送到AT megal2 8 L 进行模数转换,且功耗 低;C C 2 4 2 0 收发模块负责与其他节点进行无线通信, 交换 控制消息 和收发采集 数据 , 提供 s PI接 口 与AT magel2 8 L 通 信;RS 2 32 串 口可与监测中心的P C 机相连进 行通 信, JTAG 接 日可以用 于编 程和调试; 扩展存储模块采用容量达s lZK B 的低 功耗F L AS H 存 储器 ;在设 计 中采用 的都 是低功耗 器 件, 在睡眠状态, 电流仅为s n b 气 , 在掉电节能模式下, 电流 更是只有1 10阵左右,使用2 节AA 电池节点即可正常工 作整个系统采用了通用的接 口插槽, 将传感器与控制通信 模块进行分离, 可以实现按照不同的应用需求进行不同的扩 展 “ 作者简介吴海龙, 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 中北大学信息与通信工程学院, 孙运强, ,卜 北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 中北大学信息 与通信工程学院, 姚爱琴,-扫 北人学仪器科学与动态测试教育部电点实验室, 中北 大学信息 与通信工程学院, 硕几 1 二 研究 生 ,山西 教授, 博士, 山西 副教授 , 硕 卜,山西 太 原 0 3 0 0 5 1 太 原 0 3 0 0 5 1 太原 0 3 0 0 51 随 c r o c om Put e rAP PUe a 6on sVO I . 25 , No . 7 , 2 00 9 开 发应用徽型电脑应用2 0 0 9年第 25 卷第 , 期 2 . 1控制模块 处理核 心选用 8 位 低功耗微控 制器 A T megal28L, 相 对 于其他通用的8 位微控制器来说, 它具有非常丰富的资源, 具有片内1 2 8 K字节的程序存储器 F L A S H, 4 K字节的数 据存储器 S R AM,可外扩到6 4 K和4 K字节的E Z P R O M “ 它具有53个通用1/ 0口线 32个通用工作寄存器 实时时钟 R T C 两个US AR T 面向字节的两线接口T wi 8 通道10位 A DC 具有片 内振荡器的可编程看门狗定时器 S PI串行端 口 与 I E E E1 1 4 9 . 1规范兼容的J T AG 测试接 口, 此接 口同 时还可以用于片上调试, 以及六种可以通过软件选择的省电 模式“ 空闲模式时c P u停止工作,而s R A M T/c s PI端口 以及中断系统继续工作;掉电模式时晶体振荡器停止振荡, 所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作, 寄存器的内 容则一直保持;省电模式时异步定时器继续运行, 以允许用 户维持时间基准 , 器 件的其他 部分则处 于睡眠状态; stand b y 模式时振荡器工作而其他 部分睡眠 , 使得器件只消耗极少的 电流,同时具有快速启动能力;扩展s t and by 模式则允许振 荡器和异步定时器继续工作“ 其 中使用 了AD C O 口采集瓦斯传 感器输 出的电压信号 , 并将之转化 为数字 信号进行 处理 , 当这个值超过设定的闺值 后 , 通 过A DI 和A DZ 口输 出信 号驱动 声/ 光报警 设备,并将 此 信 息通 过 路 由传送 给 其他 各个 节 点和监 控 中心 “ 同时 AT me g a l 2 8 L 提供与e e 2 4 2 0 无线 模块通 信的s p l 接 口, 可直 接 和e e 2 4 2 o 的s P I 口直接相连使用 “ A T me g a l 2 8 L 控 制模块 如 图3 所示 “ 和 可靠 性 “ 外 部采 用 S PI 的接 口 ,可 以和 微 控 制 器 AT megal28L 的s PI 口直接连接 , 利用此芯 片开发的无线通 信 设备支持数据传输率高达2 50kbPs,可以实现 多点对 多点的 快速 组网 “ 它的外围 电路包括 晶振 时钟电路 射频输 入/ 输 出匹配电路和微控制器接口电路三个部分“芯片本振信号既 可由外 部有源晶体提供, 也可 由内部电路提供 “ 由内部 电路 提供时需外加晶体振荡器和两个负载电容, 电容的大小取决 于晶体的频率及输入容抗等参数 “ C C 2 4 20收发模块及其外 围电路如图4 所 示 “ 盯盯盯 即即 厅厅 即即 ... ,;};;l{;;; 尸 尸尸 蔺 蔺 一 一一 3 5]]] 一 一一 沥 二 二二团 团 四四四 民民民 沈 蕊 旧 攀奎 蕊 渔 荟 梦 P盟 款 欲 欲 iii 旦乡爪刃J 丝 丝 匕 些 些. P B琳DS氏P DS 仪 以 111 击 击, 入nt, 气 洲 nnnP 八匕 J 姚口6P1 巧厅 III P B O 巧 5P E D 爪 久1 旧 豁豁 兴 嘿 裂 乡 --- 毙 } 黑昆 获 获P 幸 默撰 撰 , , , , , , , , , , , , , , , , P 的加150 叫飞日日 P F SIrMs... ..... 各 茹 芯 毓 甚 月 哭 导 获“ “ 日箭 若 泞 品 品 朵朵 笋 蛋 乡 二弓一 ----- 1111111111111111111 2222222222222 . . .. . . . .3333 尸 尸尸 . . . . . . . . 竺 . 一 3333 护 护 护 ... ... ..竺 .一一 一 111----------------------------------------- 百 百 百百百 面面 图4C C 2 4 2 0 收发模块 2. 3 瓦斯传感器模块 瓦斯传感器采用北京东方吉华科技有限公司生产的 K GS 一 2 0 低功耗 瓦斯传感器 , 如 图5 所 示 “ K GS 一 2 0 以二氧 化 锡为基本敏感材料, 专门用于可燃气浓度检测的一种半导体 型气体传感器 “ 它的基本特征是 极高灵敏度和极快的响应 速度且低功耗 “ K GS 一 2 0 型 可燃气传感器适 用于对 瓦斯等可 燃气浓度的检侧 “该传感器体积小, 耗电低, 应用电路简单, 报警浓度为甲烷全1 , 响应时间三2 05, 恢复时间三3 05, 丁 - 作温度范围巧e 巧0 e , 湿度三97 R H,静态功耗为 1 5 0 mw, 报警状态功耗 为3 0 0 mw , 供 电电压 为3 S VD C“ 传感器敏感组件的电阻R s 的变化表现为负载电阻既 土的电 压变化 “ 图 3 AT me g a l 2 8 L 控制模块 2 . 2 无线通信模块 无线通信模块 核心采用工作在2 . 4 GH Z的单芯 片低 电压 c c 2420射频收发器 “ 该器件 是一款适用于Zig B ee产 品的RF 器 件 ,它 基 于 c h i p con公 司 的 S l l l a rt 盯 03 技 术 ,以 0 . 18脚 C MOs 工 艺制成 , 只需极少外部元 器件 , 性能稳定且 功耗极低 “C C 2 4 2 O 片上集成 了8 02. 1 5 .4 的物理层功能,并硬件 支持部分MAC 层功 能的实现,具有工作电压低 2 . I v 一 3 . 6v均 可工作 能耗低 体积小等, 可确保短距离通信的有效性 KGS一20 图 5K GS 一 2 0f氏 功耗瓦斯传感器 传 感器 电源 的供 电 电路设 计对 传感 器模块 的能量消耗 来说非常重要 “ 对于小电流 工作 的传感 器 几百叭 , 可由处 理器1/ 0口直接驱动, 当不用该传感器时, 需将1/ 0日设置为 输入方式, 这 样外部传感器没有 能量输 入, 也就没有 能量 消 耗 “ 2 . 4存储模块 入 I i c r o c o m p ut e rAP pl i c a tio ns物 1 . 25 , No. 7 , 2 00 9 开发应用微型电脑应用2 0 0 9 年第 25 卷第 , 期 为 了避 免式r megal2 8I 内部F L AS l l 不够用 , 外扩 了一片 5 1 2k 低功 耗的 串行 F L AS H AT 45DB O 4 1 作 为外部 数据 存储 器 “ 与普通 的数据存储器相 比,该芯片具有功耗低 体积 小 串行接l一 I 外部电路简单等特点, 适介传感器节点使用“ 存 储模块如图6 所小“ 用做布线的面积均 需用铜填 充并连接 到地 , 以提供 RF 屏蔽 达到有效抗干扰的目的;二是C C 2 420芯片底部应接地, 为 了降低延迟 减少串扰, 确保高频信号的传输, 要使川多个 接 地过 孔将 C C 2 4 20 芯片底部和地层相连 一 足尽可能地减 少 串扰 ,减 少 分布 参 数 的 影 响,器件 要 紧密 地 分 布 在 C C 2 4 2 0的四周 , 并使用较小封装 “} 丁 实物如I钊 8所小 “ ts 从 丁 I T 劝 1 8 厂S 欢 TI R 从 图6存储模块 25 外部接 日 增加 了J } JJ几 动态检测数据的 八接接到计算机 卜 的串[] 和可以用于编程和 调试的JTAG 接 l一 J “ 使用R S 2 3 2 接口直接 与监测 中心 的P C机 的串 日相连 , 它将 从各个 节点 的数据汇 聚到监测 中心 , 再对收集到的数据 集进 行llj视化 分析 “J 2,A G 接日电路卞要是实现程序 卜 载和仿真调试功能,主要包括5 个引脚 T MS r C KT DI T DO及个 可选 配的引脚R E S E T, 这此引脚 月J 飞 驱动电路模块和控制模块执行规定的操作“ 月人G不 I I R S 2 3 2 接 I ] 女 l ] I划7 所示 “ 图 8 了 点 . 实物图 对于无线通信网络来说, 人线起着举足轻 币的们用“ 人 线 的选择和 设置会直接影 响整个 无线通信 网络的运 行质 最 节点射频芯片C C 2 4 2 o使少 l ] 金属倒F烤 .JP C B,J I 线人线,P C B 引线天线是印制在电路板 1 几 的泞线 , 通过它来感应空中电 波, 接收信息“ 7 t.K T D归 仆 1 5 RS 长丈 l] ,f t_ 6 1 _ 8 叹 二 1 .- 4 结论 厅八 G} 戈} 结合现阶段煤矿安个生产现状及 Z lgB ee 技术的发展, 采用低IJ耗微处理器盯 me g a l Z s L和e e 2 4 2 o设计了煤初 . 一 瓦 斯预警系统 竹点“ 经实验表明, 节点,J 以灵么 补i]戊无线传感 器网络, 节点组成的网络系统性能稳定, 通信效率,;万, 功耗 低, 适合应用于煤D 一 瓦斯监测领域 “ 1 0{ . . . . . , . . . . . 司 彝 }}} 0 1 - 让 333 {{{444 LLLJl 吐-{{{ 参考文献 图 7J T A G和R S 2 3 2 接 l] 3 节点设计要点 射频电路 } _ 作右 一 24O GH z 一24 8 3 5 GI 位 高频率 上作频 段 , 抗千扰 设计 六接 关 系到射 频个 仁 能和整个传感器 节点的运 转情况“ 在射频部分布线时, 合理的布 吞. 布线及采用多层 板既是布线 所必 须的 也是降低 电磁 I 几 扰提 高抗 干扰能 力的 有效手段 “ 布线时特别要拼意 以 卜 儿点 一 是射 频电路没 有 l] 雷煌 基于Zig B ee技术 的煤矿 井下无线 网络 系统 J] 煤 炭 工程 ,2 0 0 8 8 [z]马潮. 高档8 位 单 片机AT mea1 28原 理与 开发应 用指南[ 叫 北京 北 京航空航天 大学 出版社,2 0 0 4 3 1 A tln e l Co rpo r a t l o nAT me g a l 2 8 LDa t a s h e e t l Z1 2 0 45 4 一 7 6 1 4] 孙利民, 李建中,陈渝,等 无线传感器网络,M] 北京 清华 大学 出版社, 2 00 5 1 5 8 C h l p e o nC o 印 o rat l o n . Th eC C 2 4 2 01 a t a s h e e t 212 5 . 1 7 一 2 0 6] 杨 柳 陶正 苏 基于Zig B ee 的环境 监 侧 网络 节点 的设 计 I J8 自动化 与仪 表,2 0 8 , 8 { 7 8 王翠茄, 于祥兵,王成福 基于Z lg Bee技 术的温度采 集传输 系统Jl 仪 表技术与传 感器,208. 7 收稿 日期 2 0 0 8 一 1 1 一 21 沁 e r o c omP ut e rAP pli ca 6o ns bl . 25 , No ., , 20 0 9ABS TR CTS CCD s e n s o r ; Pathz d e n t 一 fie atl o n ; S h o rte u t De 放 g no f No d efo r Pre wa rn i n 迎S V 胜 e m o fC0 a l M i n eGa 犷,, 子 下1J月al 一 l 口 月 g一 .一, “ 1了 J I un 一 ql a月 g, I 八口 八l 一 q l n 一 I 人 ey La Dora IO尽 t 夕 I n s 川 才 me n lanon o c l e nc e 仪 丈 几 0a n矛 I c了 讨e a s u陀me nl, Z 厉l1. e rs峥 Of Ch lll/, 九 Iinls 妙 of Z 二 为 t ca百 0, 1 , Ta卿 aII 毋0 仍了 , Clll, “ ,Z schoolof力 l fo, a t io刀/刀 J已劝 诬 n i ltnl cat j 口 刀2 加g j 刀 e e rllg. 乙 介 ,i v e rs- 加o f Ch ; n a , TalyUa no 了 0 0 ] , Ch ; “a 21 入 brth 入 乞 户 伪 Ab s t ra e t A n o d ed e s 一 g no f wi r e l e s ss e n s o r n e tw o rk b as e do nZi g Be e一 s一 n t r od u e e d . Th en o d em ak e su s eo ft h eg as e o n e e n t r at1 o ne ol l e e t e db yg as s e n s o r. an d mo n l t o rs we ath e rt hee o n e e n t r at一 o nr e a e he sth es a 宜 . e t h r e s h o l dv a l u e, wh e ni td o e s .I t wl l l I n fo n l la l l theo t he rn o d e st oa l a r l l lt o l e tthewo r ke r smo v e o u t . F or t h eap P I 一 e atl o no fe o a l nuneg as mo n 一 t o 卜 t h en o d eh a r dd e s 一 gn o f P re 一 wam i ngs y s t e m 一 sd 一 s e u s s e dl nd e t a l l . Ke6 明 o rd s ; Z一 g Be e ; 了 订 me g a 1 2 8 L; CC2 4 2 0 Co a lml n eg as 又P r e 一 warni n g D e 蛇 g na n dResearchof s p cct roa n a lyzer B盯e do nM O Sn ,, 2 4 1了 刀 认尸 } 公 一a o , Q 执N了 i /n 一 m ln I少 乙 ; a tt o n sc,e n e e 浅Tee h n o h 2 邵 ; Do o ghu aUn o e rs; 织Sha 月 g 儿 a i 2 0 1 百 2 0 , Ch ; n a Ab s t 阳 c t W l t h t h e d e v e l o P m e n to fm一 e r o 一 e l e e t r o n 一 e st e e lm o l o g 丛 t hean a l y s 一 5o ffre q u e n e y s P e e t ru m b as e d o n d i g i t a ls l gn a l P r o e e s s 一 ngh as a P P l l e d t o e ve “ 一 fie l d san dt ak e nan 一 mp o rtantr o l e Th eart l c l ea d v an e e san d e s l ,s o l u t 一 o nt h at 1 5base do n F F T P r o e e s s ingan d u s e sNI OS 1 1s o fte o r eas Cp L T ,an d t h eh ard wares y s t e m 一 5e o mP o s e do fFP GA e h 一 P , LCD e h 一 P . DDse h 一 P,AD c h 一 Pan do t h e r P e r l P h e r a l e l r e u l t . 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