基于ZigBee技术的煤矿瓦斯监测系统_图文.doc

18 计量与测试技术 2007年第 34卷第 1期 基于 Zig Bee 技术的煤矿瓦斯监测系统 C oa l M ine Gas M on itoring System B ased on ZigB ee 覃 磊 张 杰 华中科技大学控制科学与工程系 , 湖北 武汉 430074 摘 要 本文提出了一种超低功耗的无线传感器网络节点与利用 CAN 总线连接的固定节点相结合的煤矿瓦斯监测系统方案 。该方案采用 Zig Bee 无 线通信技术构建无线传感器网络 , 并能对瓦斯涌出的动态变化特性进行分析 , 实现对瓦斯浓度全方位 、 实时监测和智能预警 , 以大大降低煤矿生产安 全隐患。 关键词 瓦斯监测 Zig Bee; 无线传感器网络 ; 低功耗 为了对瓦斯浓度进行全方位 、 实时监测和智能预警 , 设计一种适合工作点动态变化 、 , 种有效途径 。 。便携式瓦斯监测仪 , 结构简 单 , 携带方便 , 但是只有携带者能随时知道该处的瓦斯浓 度 , 未配备以及在矿井上的工作人员不能了解矿井的瓦 斯浓度情况 ; 另一类是以 PC 机为主体的瓦斯浓度监测 系统 , 在矿井下固定的地方安装瓦斯监测传感器 , 再通过 很长的电缆把测试到的浓度等数据传到煤矿上面的控制 室 , 缺点是它只能测固定地方的瓦斯浓度 。虽然固定瓦 斯监测系统大量使用 , 但是仍然有监测盲区 , 并且对于采 掘面等一些危险地点 , 大多仍是采用专人配备瓦斯检测 便携仪进行瓦斯监测 。 市场上还几乎没有能实现移动测 量 , 无缝覆盖并且将瓦斯浓度数据传输到地面控制室的 瓦斯监测系统 。 所以 , 针对有线网络较难达到动态全方位监测 , 需要 采用先进技术进行网络改造。 无线传感器网络综合了传 感器技术、 遥测遥控技术、 嵌入式计算技术、 分布式信息处 理技术和无线通信技术 , 通过无线感知节点实时采集各种 环境信息 , 对信息进行处理后 , 通过网络传送到控制中心。 Zig Bee 是一种新兴的短距离、 低速率、 低功耗无线网络技 术 , 利用其作为无线通信平台构建瓦斯监测传感器网络。 通信和感知节点可以移动 , 无须铺设线路 , 操作简单 , 容易 维护 , 组网成本低。 因此 , 采用 Zig Bee 的无线传感器网络 是解决煤矿瓦斯全方位、 实时监测的一种可行方法。 1 Zig Bee 瓦斯监测无线传感器网络结构 111 Zig Bee 技术概述 Zig Bee 是以 I EEE 802. 15. 4作为其物理层和媒体接 入层规范 , 在其基础之上 , Zig Bee 联盟制定了数据链路层 DLL 、 网络层 NW K 和应用编程接口 AP I 规范 , 其正 是一种近距离 、 复杂度 、 低功耗 、 低数据速率 、 低成本的双 , 、 传感 、 监控和远 , 、 便携或移动没备使 、 成本和功耗的低速率无线连接技术 。 112 网络拓扑结构 Zig Bee 瓦斯传感器网络包含瓦斯传感器节点和信息 控制中心 。 信息控制中心由通信机 、 信息处理服务器 、 数 据库服务器等组成 , 主要完成对网络无线瓦斯传感器节 点数据实时采集 、 网络管理 、 数据分析 、 处理 , 预警和报警 等功能 , 拓扑如图 1所示 。 网络传感器节点按照功能分两类 , 简单功能设备 RF D 和全功能设备 FF D 和网络协调器 P AN , RF D 设备主要用于简单的控制应用 , FF D 设备除了简单应用 之外还带有路由等功能 , 在网络中 , 还有一个网络协调器 P AN coordinat or 是无线传感器网络中的主控制器 , 除 了参与应用之外 , 还要完成成员身份管理 , 链路状态信息 管理以及分组转发等任务 。 根据是否经常移动可以分为 固定数据采集节点和移动数据采集节点两类 。 相对固定 的节点主要安排在巷道的拐弯处或直巷道的固定位置 , 用于采集巷道瓦斯浓度 、 转发其他节点的通信数据 , 保持 无线链路的畅通和传感器网络的强壮性 。 因此大多固定 节点为全功能器件和网络协调器 固定节点用 CAN 总线 等工业总线连接 , 一方面解决传感器节点能量受限的问 题 , 另一方面可以减少网络拓扑的能量消耗 , 再者也可以 覃磊等 基于 Zig Bee 技术的煤矿瓦斯监测系统 19 在原有的瓦斯检测系统的基础上升级 , 减少成本投入 。 移动接点主要用语每个作业人员或作业机器所处位置的 监测 , 可以安装在煤矿工人的矿灯上 , 也可以安装在矿 车 、 挖掘机等机械设备上 , 还可以随机安装在瓦斯涌出变 化较快的关键位置 。 113 网络体系结构 由于瓦斯传感器网络具有拓扑动态变化 、 数据转发 多跳的特点 , 为了保障网络的畅通和节约能量消耗 , 必须 合理设计网络体系结构 。 考虑现在具有代表性的 MESH 网格网 的体系结构 , 以及在节点数多的大规模传感器 网络中 , 分簇层次结构的优势 , 因为该结构能有效地使各 传感器网络节点负载均衡 , 避免路由建立时出现泛洪问 题 , 并参考 Zig Bee 联盟的协议栈 。采用 UC Berkeley 提 出的基于分簇层次结构模型 , 如图 2所示 。 整个网络由遍布于监测区的若干无线瓦斯检测节点 组成 , 在簇树网络中 , 绝大多数设备是 FF D 设备 , 而 RF D 设备总是作为簇树的叶设备连接到网络中。任意一个 FF D 都可以充当 RF D 协调器或者网络协调器 , 为其他设 备提供同步信息。 系统将在一定区域内的节点分为一簇 , 簇内节点通过分簇算法选举产生簇首。 通信时簇内每个 节点将瓦斯传感器感知的信息传送给簇首 , 簇首节点间通 过一定的路由选择机制在由簇首组成的网络中选择合适 的路径后 , 通过相邻簇首节点将信息发送给路径上的其它 簇首 , 经过若干簇首的转发 , 传送到数据管理终端。 2 网络节点设计 传感器网络节点根据固定数据采集节点和移动数据 采集节点分成两部分 , 固定数据采集节点为全功能器件 FF D , 移动数据采集节点为简单功能器件 RF D 。 211 固定数据采集节点 固定数据采集节点主要安装在巷道中 , 不但用于采 集巷道瓦斯浓度还要转发其他节点的通信数据 , 管理其 他移动网络节点等任务 , 为了保持无线链路的畅通和传 感器网络的强壮性 , 因此在功耗和稳定性上 , 着重考虑其 稳定性 , 所以采用矿井的供电系统提供能量 。 固定数据采集节点主要由 ZI G BEE 模块 I P -L in 2 kl221-2133、 集成 CAN 通信控制器的 C8051F040单片 机 、 CAN 总线收发器 、 瓦斯传感器 、 声光报譬器等组成 。 固定节点不但是无线网络中的全功能器件也是 CAN 总 线系统上的一个节点 , 完成与 CANBUS 的连接 , 如图 3所示 。 图 C8051F040是集成在 。芯片上有 1个 位多通道 ADC, 2个 12位 DAC, 2个电压比较器 , 1个 电压基准 , 1个 32k B 的 F LASH 存储器 , 与 MCS -51指令 集完 全 兼 容 的 高 速 C I P -51内 核 , 峰 值 速 度 可 达 25M I PS, 并且还有硬件实现的 UART 串行接口和完全支 持 CAN2. 0A 和 CAN2. 0B 的 CAN 控制器 。 F040的所有 CAN 协议功能都由独立的 CAN 控制器而不是由 51处理 器来完成 。 因此 , CAN 通信占用 CP U 带宽很小 , 51处理 器只需要通过特殊功能寄存器 SFR 配置 CAN 控制器 , 数据过滤器就可以了 , 大大提高系统的效率和稳定性 。 CAN 总线收发器选用 PH I L I PS 的 TJA1050, 主要考 虑了到 E MC 和低功耗两个方面 。 TJA1050在关键的 AM 波段上 , 它的辐射比 PCA82C250低 20dB 以上 ; 另外在不 上电时 , 总线呈现无源特性 。这使 T JA1050对于点火之 后就失电的 cla mp -15节点来说是一个更优的收发器 , 而持续上电的节点 cla mp -30 则要求有一个专用的低 功耗模式 , 以整个系统消耗保持尽可能低 。在 cla mp -30应用中 , T JA1050通过收发器不上电实现极低的功耗 , 而远程唤醒功能则是使用一根独立的远程唤醒线 。 Zi RBEE 模块采用 Helico mm 公司的 I P -L inkl221-2033无线模块 , 模块内部由 C8051F133和 CH I PCON 公司 的 Zig Bee 无线收发器 CC2240组成。 I P -L ink 系列模块 支持 Mesh, Star 和混合网络拓扑 , 拥有最大 255个网络节 点 , 支持 Zig Bee 和 I P -Net 双重软件方案 , 同时提供 2. 4G Hz 和 915MHz 两中频率选择 , 使得 RS232/RS485数据 流可以通过多跳方式传输 , 从而提高数据可靠性。 该模块 支持 AT Mode 和 B inary Command Mode 控制 , 使用方便。 212 移动数据采集节点 由于移动数据采集节点由电池供电 , 所以从通信协 议的物理层分析 , 必须采用低功耗设计 。超低功耗的设 计是综合硬件和软件技术 。在瓦斯无线传感器节点中 , 要保证系统的低功耗 , 必须在使用低功耗芯片的同时通 20 计量与测试技术 2007年第 34卷第 1期 过硬件和软件的结构设计使系统低功耗 。 为了保证硬件电路的低功耗设计 , 该节点硬件结构 由一款低功耗的 C8051F300单片机 、 ZI G BEE 模块 、 低功 耗瓦斯传感器 、 声光报警器组成 , 如图 4所示 。 图 4 移动数据采集节点结构图 C8051F300微控制器把高速 8051处理器 、 闪存和高 效能模拟电路整合至体积超小的 33毫米 MLF 封装 。 工作电压范围 217-213V, 在节能模式下仅耗电 0. 1μA , 活动状态最大为 2. 1mA. 内含具有 2kRAM , 64kFlash 、 8 位 ADC 、 模拟比较器 , 工作速度可达 25M I PS, CLK 32kHz 时功耗最低 , 也只有 12 μA 。 选用此 的功耗 。 压 、 。 电源电压芯片采用 SI PEX 公司推出的低功耗电压 调节器 LP2951, 其非常适用于电池供电的系统 。具有低 静态电流 、 低压差等特性 轻微负载时 , 压差为 50mV , 具有很小的的初始容限 0. 5 , 非常良好的负载及线 路调节特性 一般 0. 05 , 并具有非常低的温度系数 20ppm /℃ , 因此非常适合做低功耗电压源 。并且有错 误标志输出模块可以对系统电压进行检测 , 当系统电压 不足 , 或者输入电压跌落等情况 , 逻辑关断模块可以控制 调节器的开 /关状态 。将 9V 电池稳压后 , 为系统提供 2. 7V 工作电源 。 无线模块同固定节点一样选用 I P -L inkl221-2033 无线模块 , 只不过只是作为简单工作器件 RF D 使用 , 处 于休眠状态工作电流仅 16 μA, 从休眠到工作状态仅需要 15m s, 工作电流 55 μA 。 采用 TP -1. 1A 气体传感器主要是考虑到它的低功 耗 、 无需加热和精度高 , 使用电路简单等特点 。 TP -I . 1A 是采用纳米级 Sn02进行合理的半导体掺杂 , 以微珠 结构制成的非加热 、 低功耗 、 对甲烷高度灵敏的可燃气体 传感器 。 由于其低功耗的特点 , 派生一些加热元件不可 能达到的技术指标 , 经过多年可靠性实验 , 其性能指标超 过了加热式 、 旁热式及催化燃烧式可燃气体传感器 , 是可 燃气体传感器一个重要的分支 。 工作电压为 6V, 负载电 阻 51Ω, 静态功耗 210mW , 工作温度 -40℃ -70℃ 。 3 结束语 采用了无线传感器网络 、 现代通信技术及现场总线 技术 , 构造了一种有线与无线相结合无缝覆盖的瓦斯实 时监测系统 , , 采取合适的协议 , , 经过 , 。 该系统需要进 步优化 系统的软件结构 , 并在数据管理终端的应用软件的功能 上也要进一步改进 , 使系统能够满足工程实际应用要求 。 参考文献 [1]杨维 , 冯锡生 , 程时昕 , 孙继平 . 新一代全矿井无线信息系统理论 与关键技术 . 煤炭学报 , 20048 , Vo124, NO. 4. 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