1、 18 計量與測試技術 2007年第 34卷第 1期 基于 Zig Bee 技術的煤礦瓦斯監測系統C oa l M ine Gas M on itoring System B ased on ZigB ee覃 磊 張 杰(華中科技大學控制科學與工程系 , 湖北 武漢 430074摘 要 :本文提出了一種超低功耗的無線傳感器網絡節點與利用 CAN 總線連接的固定節點相結合的煤礦瓦斯監測系統方案 。該方案采用 Zig Bee 無 線通信技術構建無線傳感器網絡 , 并能對瓦斯涌出的動態變化特性進行分析 , 實現對瓦斯濃度全方位 、 實時監測和智能預警 , 以大大降低煤礦生產安 全隱患。關鍵詞 :瓦斯

2、監測 :Zig Bee; 無線傳感器網絡 ; 低功耗 為了對瓦斯濃度進行全方位 、 實時監測和智能預警 , 設計一種適合工作點動態變化 、,種有效途徑 。便攜式瓦斯監測儀 , 結構簡 單 , 攜帶方便 , 但是只有攜帶者能隨時知道該處的瓦斯濃 度 , 未配備以及在礦井上的工作人員不能了解礦井的瓦 斯濃度情況 ; 另一類是以 PC 機為主體的瓦斯濃度監測 系統 , 在礦井下固定的地方安裝瓦斯監測傳感器 , 再通過 很長的電纜把測試到的濃度等數據傳到煤礦上面的控制 室 , 缺點是它只能測固定地方的瓦斯濃度 。雖然固定瓦 斯監測系統大量使用 , 但是仍然有監測盲區 , 并且對于采 掘面等一些危險地點

3、 , 大多仍是采用專人配備瓦斯檢測 便攜儀進行瓦斯監測 。 市場上還幾乎沒有能實現移動測 量 , 無縫覆蓋并且將瓦斯濃度數據傳輸到地面控制室的 瓦斯監測系統 。所以 , 針對有線網絡較難達到動態全方位監測 , 需要 采用先進技術進行網絡改造。 無線傳感器網絡綜合了傳 感器技術、 遙測遙控技術、 嵌入式計算技術、 分布式信息處 理技術和無線通信技術 , 通過無線感知節點實時采集各種 環境信息 , 對信息進行處理后 , 通過網絡傳送到控制中心。 Zig Bee 是一種新興的短距離、 低速率、 低功耗無線網絡技 術 , 利用其作為無線通信平臺構建瓦斯監測傳感器網絡。 通信和感知節點可以移動 , 無須

4、鋪設線路 , 操作簡單 , 容易 維護 , 組網成本低。 因此 , 采用 Zig Bee 的無線傳感器網絡 是解決煤礦瓦斯全方位、 實時監測的一種可行方法。 1 Zig Bee 瓦斯監測無線傳感器網絡結構111 Zig Bee 技術概述Zig Bee 是以 I EEE 802. 15. 4作為其物理層和媒體接 入層規范 , 在其基礎之上 , Zig Bee 聯盟制定了數據鏈路層 (DLL 、 網絡層 (NW K 和應用編程接口 (AP I 規范 , 其正 是一種近距離 、 復雜度 、 低功耗 、 低數據速率 、 低成本的雙, 、 傳感 、 監控和遠 , 、 便攜或移動沒備使 、 成本和功耗的低

5、速率無線連接技術 。 112 網絡拓撲結構Zig Bee 瓦斯傳感器網絡包含瓦斯傳感器節點和信息 控制中心 。 信息控制中心由通信機 、 信息處理服務器 、 數 據庫服務器等組成 , 主要完成對網絡無線瓦斯傳感器節 點數據實時采集 、 網絡管理 、 數據分析 、 處理 , 預警和報警 等功能 , 拓撲如圖 1所示 。網絡傳感器節點按照功能分兩類 , 簡單功能設備 (RF D 和全功能設備 (FF D 和網絡協調器 (P AN , RF D 設備主要用于簡單的控制應用 , FF D 設備除了簡單應用 之外還帶有路由等功能 , 在網絡中 , 還有一個網絡協調器 (P AN coordinat or

6、 是無線傳感器網絡中的主控制器 , 除 了參與應用之外 , 還要完成成員身份管理 , 鏈路狀態信息 管理以及分組轉發等任務 。 根據是否經常移動可以分為 固定數據采集節點和移動數據采集節點兩類 。 相對固定 的節點主要安排在巷道的拐彎處或直巷道的固定位置 , 用于采集巷道瓦斯濃度 、 轉發其他節點的通信數據 , 保持 無線鏈路的暢通和傳感器網絡的強壯性 。 因此大多固定 節點為全功能器件和網絡協調器 :固定節點用 CAN 總線 等工業總線連接 , 一方面解決傳感器節點能量受限的問 題 , 另一方面可以減少網絡拓撲的能量消耗 , 再者也可以 覃磊等 :基于 Zig Bee 技術的煤礦瓦斯監測系統

7、19 在原有的瓦斯檢測系統的基礎上升級 , 減少成本投入 。 移動接點主要用語每個作業人員或作業機器所處位置的 監測 , 可以安裝在煤礦工人的礦燈上 , 也可以安裝在礦 車 、 挖掘機等機械設備上 , 還可以隨機安裝在瓦斯涌出變 化較快的關鍵位置 。 113 網絡體系結構 由于瓦斯傳感器網絡具有拓撲動態變化 、 數據轉發 多跳的特點 , 為了保障網絡的暢通和節約能量消耗 , 必須 合理設計網絡體系結構 。 考慮現在具有代表性的 MESH (網格網 的體系結構 , 以及在節點數多的大規模傳感器 網絡中 , 分簇層次結構的優勢 , 因為該結構能有效地使各 傳感器網絡節點負載均衡 , 避免路由建立時

8、出現泛洪問 題 , 并參考 Zig Bee 聯盟的協議棧 。采用 UC Berkeley 提出的基于分簇層次結構模型 , 如圖 2所示 。 整個網絡由遍布于監測區的若干無線瓦斯檢測節點 組成 , 在簇樹網絡中 , 絕大多數設備是 FF D 設備 , 而 RF D 設備總是作為簇樹的葉設備連接到網絡中。任意一個 FF D 都可以充當 RF D 協調器或者網絡協調器 , 為其他設備提供同步信息。 系統將在一定區域內的節點分為一簇 , 簇內節點通過分簇算法選舉產生簇首。 通信時簇內每個 節點將瓦斯傳感器感知的信息傳送給簇首 , 簇首節點間通 過一定的路由選擇機制在由簇首組成的網絡中選擇合適 的路徑后

9、 , 通過相鄰簇首節點將信息發送給路徑上的其它 簇首 , 經過若干簇首的轉發 , 傳送到數據管理終端。 2 網絡節點設計傳感器網絡節點根據固定數據采集節點和移動數據 采集節點分成兩部分 , 固定數據采集節點為全功能器件 (FF D , 移動數據采集節點為簡單功能器件 (RF D 。 211 固定數據采集節點固定數據采集節點主要安裝在巷道中 , 不但用于采 集巷道瓦斯濃度還要轉發其他節點的通信數據 , 管理其 他移動網絡節點等任務 , 為了保持無線鏈路的暢通和傳 感器網絡的強壯性 , 因此在功耗和穩定性上 , 著重考慮其 穩定性 , 所以采用礦井的供電系統提供能量 。固定數據采集節點主要由 ZI

10、 G BEE 模塊 I P -L in 2kl221-2133、 集成 CAN 通信控制器的 C8051F040單片機 、 CAN 總線收發器 、 瓦斯傳感器 、 聲光報譬器等組成 。 固定節點不但是無線網絡中的全功能器件也是 CAN 總 線系統上的一個節點 , 完成與 CANBUS的連接 , 如圖 3所示 。圖 C8051F040是集成在。芯片上有 1個 位多通道 ADC, 2個 12位 DAC, 2個電壓比較器 , 1個電壓基準 , 1個 32k B 的 F LASH 存儲器 , 與 MCS -51指令 集完 全 兼 容 的 高 速 C I P -51內 核 , 峰 值 速 度 可 達 2

11、5M I PS, 并且還有硬件實現的 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 協議功能都由獨立的 CAN 控制器而不是由 51處理器來完成 。 因此 , CAN 通信占用 CP U 帶寬很小 , 51處理器只需要通過特殊功能寄存器 (SFR 配置 CAN 控制器 , 數據過濾器就可以了 , 大大提高系統的效率和穩定性 。CAN 總線收發器選用 PH I L I PS 的 TJA1050, 主要考慮了到 E MC 和低功耗兩個方面 。 TJA1050在關鍵的 AM 波段上 , 它的輻射比 PCA82C250低 20dB

12、 以上 ; 另外在不 上電時 , 總線呈現無源特性 。這使 T JA1050對于點火之 后就失電的 cla mp -15節點來說是一個更優的收發器 , 而持續上電的節點 (cla mp -30 則要求有一個專用的低 功耗模式 , 以整個系統消耗保持盡可能低 。在 cla mp -30應用中 , T JA1050通過收發器不上電實現極低的功耗 ,而遠程喚醒功能則是使用一根獨立的遠程喚醒線 。Zi RBEE 模塊采用 Helico mm 公司的 I P -L inkl221-2033無線模塊 , 模塊內部由 C8051F133和 CH I PCON 公司的 Zig Bee 無線收發器 CC2240

13、組成。 I P -L ink 系列模塊 支持 Mesh, Star 和混合網絡拓撲 , 擁有最大 255個網絡節 點 , 支持 Zig Bee 和 I P -Net 雙重軟件方案 , 同時提供 2. 4G Hz 和 915MHz 兩中頻率選擇 , 使得 RS232/RS485數據流可以通過多跳方式傳輸 , 從而提高數據可靠性。 該模塊 支持 AT Mode 和 B inary Command Mode 控制 , 使用方便。 212 移動數據采集節點由于移動數據采集節點由電池供電 , 所以從通信協議的物理層分析 , 必須采用低功耗設計 。超低功耗的設 計是綜合硬件和軟件技術 。在瓦斯無線傳感器節

14、點中 , 要保證系統的低功耗 , 必須在使用低功耗芯片的同時通 20 計量與測試技術 2007年第 34卷第 1期過硬件和軟件的結構設計使系統低功耗 。為了保證硬件電路的低功耗設計 , 該節點硬件結構 由一款低功耗的 C8051F300單片機 、 ZI G BEE 模塊 、 低功 耗瓦斯傳感器 、 聲光報警器組成 , 如圖 4所示。 圖 4 移動數據采集節點結構圖C8051F300微控制器把高速 8051處理器 、 閃存和高效能模擬電路整合至體積超小的 33毫米 MLF 封裝 。工作電壓范圍 217-213V, 在節能模式下僅耗電 0. 1A , 活動狀態最大為 2. 1mA. 內含具有 2k

15、RAM , 64kFlash 、 8位 ADC 、 模擬比較器 , 工作速度可達 25M I PS, CLK =32kHz 時功耗最低 , 也只有 12A 。 選用此 的功耗 。 壓 、 。電源電壓芯片采用 SI PEX 公司推出的低功耗電壓 調節器 LP2951, 其非常適用于電池供電的系統 。具有低 靜態電流 、 低壓差等特性 (輕微負載時 , 壓差為 50mV , 具有很小的的初始容限 (0. 5% , 非常良好的負載及線 路調節特性 (一般 0. 05% , 并具有非常低的溫度系數 (20ppm / , 因此非常適合做低功耗電壓源 。并且有錯 誤標志輸出模塊可以對系統電壓進行檢測 ,

16、當系統電壓 不足 , 或者輸入電壓跌落等情況 , 邏輯關斷模塊可以控制 調節器的開 /關狀態 。將 +9V 電池穩壓后 , 為系統提供 2. 7V 工作電源 。無線模塊同固定節點一樣選用 I P -L inkl221-2033無線模塊 , 只不過只是作為簡單工作器件 (RF D 使用 , 處于休眠狀態工作電流僅 16A, 從休眠到工作狀態僅需要 15m s, 工作電流 55A 。 采用 TP -1. 1A 氣體傳感器主要是考慮到它的低功耗 、 無需加熱和精度高 , 使用電路簡單等特點 。 TP -I .1A 是采用納米級 Sn02進行合理的半導體摻雜 , 以微珠結構制成的非加熱 、 低功耗 、

17、 對甲烷高度靈敏的可燃氣體傳感器 。 由于其低功耗的特點 , 派生一些加熱元件不可 能達到的技術指標 , 經過多年可靠性實驗 , 其性能指標超 過了加熱式 、 旁熱式及催化燃燒式可燃氣體傳感器 , 是可 燃氣體傳感器一個重要的分支 。 工作電壓為 6V, 負載電阻 51, 靜態功耗 210mW , 工作溫度 -40 -+70 。 3 結束語采用了無線傳感器網絡 、 現代通信技術及現場總線 技術 , 構造了一種有線與無線相結合無縫覆蓋的瓦斯實 時監測系統 , , 采取合適的協議 , , 經過 , 。 該系統需要進 步優化 系統的軟件結構 , 并在數據管理終端的應用軟件的功能 上也要進一步改進 ,

18、 使系統能夠滿足工程實際應用要求 。參考文獻1楊維 , 馮錫生 , 程時昕 , 孫繼平 . 新一代全礦井無線信息系統理論與關鍵技術 . 煤炭學報 , 2004(8 , Vo124, NO. 4.2邵清亮 , 武衛東 , 李軒 . 基于網絡的礦下無線數據采集系統設計與實現 . 沈陽航空工業學院學報 , 2005(6 , V0122, NO. 3.3I EEE 802. 15. 4:WirelessMedium Access Contr ol (MAC and Physical Layer (PHY s pecificati ons f or l ow Rate W ireless Pers onal A rea Net w orks (LR -W P AN s .4張盛峰 , 朱江 , 朱治國 . 無線傳感器網絡中的 MAC 協議 . 廣東通信技術 , 2005(6 .5孫利民 , 李建中 , 陳渝 , 朱紅松 . 無線傳感器網絡 . 北京 :清華大學出版社 , 2005.6童長飛 , C8051F 系列單片機開發與 c 語言編程 . 北京 :北京航空航天大學出版社 , 2005.作者簡介 :覃磊 , 男 , 在讀研究生。工作單位 :華中科技大學控制科學工程 系測控技術研究所。 通訊地址