基于WIA-PA 的瓦斯监测传感器网络网关设计*

刘 刚 ，吴建远

(河南机电高等专科学校自控系，河南 新乡453000)

在煤矿安全生产的过程中，由于生产情况的复杂会造成一些临时施工点。例如，采掘面的大型机械设备推进的过快、主要设备的现场检修等，这些临时施工点需要瓦斯传感器节点快速有效的布置和实时将监测数据传送给上位机。目前的传统监控方案采用有线安全监控系统。有线监控方案具有传感器节点无法快速接入和存在监测死角等缺点［1-3］。

针对于矿井下临时施工点的瓦斯监测问题，采用工业无线网络可以有效的解决。工业无线网络标准中，我国具有自主知识产权的WIA-PA(Wireless Networks for Industrial Automation)工业网络标准受到了广泛的关注。网关设备则是WIA-PA 的核心设备，目前符合WIA-PA 标准的网关设备研发尚未成熟。本文提出了以基于工业控制网络WIA-PA 的瓦斯监测传感器网络网关设计。

1 系统总体结构设计

井下的瓦斯监测WIA-PA 网络采用星型-Mesh两层拓扑结构，如图1 所示。负责采集瓦斯数据的瓦斯传感器节点和路由节点构成星型网络，网关设备和路由设备构成Mesh 结构。在整个瓦斯监测传感器网络结构中，网关需要保持与上位机的通信、完成网络管理工作、收发传感器网络中路由节点的数据信息［4-6］。

图1 WIA-PA 工业无线网络系统结构图

根据网关在WIA-PA 网络中的作用和功能，设计的网关总体结构如图2 所示。网关结构分为主控制器模块、电源模块、CAN 总线控制模块、和无线射频模块等几部分。电源模块负责给主控制器和无线射频模块供电。无线射频模块负责收发各个路由节点和采集节点的数据信息。主控制器模块主要负责对读取和处理无线射频模块送入的数据，并将处理后的数据通过CAN 总线送到上位机。或者主控制器接收上位机的控制命令后通过无线射频模块送到WIA-PA 网络的各个路由节点。

图2 WIA-PA 网关系统结构图

2 WIA-PA 网关的硬件设计

在煤矿井下无线通信的通信频段在900 MHz ～3 000 MHz，通信效果最好。WIA-PA 网络技术规范中定义波段为2. 4 GHz。本文无线射频模块采用Chipcon 公司推出的符合2.4 GHz IEEE802.15.4 标准的射频芯片CC2430。无线射频部分的电路如图3所示。CC2430 芯片仅需要很少的外围器件就能实现信号收发功能。由于天线部分采用一个非平衡天线，因此电容C2和电感L1、L2、L3以及λ/4 传输线构成了非平衡变压器，使得天线性能更好。CC2430 部分通过SPI 接口与主控制器连接，实现数据传送。

图3 无线射频模块电路原理图

主控制器采用意法半导体(ST)公司的具有ARM Cortex-M3 核的STM32F107。在CAN 总线接口部分，电路图如图4 所示。STM32F107 的CAN 控制器引脚与德州仪器公司生产的CAN 收发器SN65HVD230 连接。6N137 构成光耦隔离电路，可以有效的实现CAN 总线上各个网关节点的电气隔离，提高信号传输的稳定性和安全性。在每个网关节点的两端连接2 个120 Ω 的总线匹配电阻，以此避免信号反射。

图4 CAN 总线控制模块电路原理图

电源模块电路如图5 所示，设计采用锂电池供电，通过ASM1117 芯片把锂电池电压转换成3.3 V电压，供给控制器和无线射频模块供电。本设计中采用美信公司的DS2780 计算锂电池剩余电量。DS2780 的DQ 与STM32F107 的PA6 相连，电池的剩余电量信息通过PA6 送入控制器中。上位机可以及时的了解各个网关的剩余电量。

图5 电源管理模块电路原理图

3 WIA-PA 网关的软件设计

WIA-PA 网关的软件部分采用模块化的编程思想，将软件部分分成CAN 总线通信部分、系统管理模块、无线通信管理模块和协议转换模块等。

3.1 CAN 总线通信模块

为了提高WIA-PA 网关数据传输的实时性，CAN 报文的接收发送均采用中断方式。CAN 通信模块开启CAN 中断需要调用STM32F107 的固件库函数void CAN_IT(CAN_Ty-pedef* CANx，uint32_t CAN_IT)。在接收发送报文通过判断标志位来确定是否产生CAN 中断，进入中断处理函数发送报文或者接收报文。

3.2 系统软件管理模块

WIA-PA 网关的管理模块具有3 个功能:

(1)网关软件系统的网络管理，即对整个无线传感器网络的设备节点的接入和离开进行管理，对设备节点进行路由配置等。

(2)网关软件系统安全管理，即负责整个网络安全。

(3)网络信息库的维护，即为网络中的所有设备提供资源信息。

网关的系统软件管理模块流程图如图6 所示。

图6 系统软件管理模块流程图

3.3 无线通信模块

按照WIA-PA 标准将无线通信模块分成物理层、数据链路层、网络层和应用层［7-8］。数据实体接口和管理实体接口是协议栈各层的两个接口。数据实体接口主要为上层提供数据服务，儿管理实体接口主要为上层提供内部层参数配置。模块的流程图如图7 所示。

表1 网关接收的采样数据/mV

图7 无线通信模块模块流程图

4 测试实验

对设计完成的网进行了功能验证实验。功能测试实验的原理是用信号发生器输出一个幅值0 ～2.5 V，频率为200 Hz 的正弦信号到无线数据采集节点，节点以2 kHz 的采样频率采样信号，得到的数据通过无线发送到网关。根据网关得到的数据用Matlab 软件画出对应波形，和原始波形进行比较。表1 是网关通过无线得到的数据。图8 为原始波形和Matlab 绘制出的波形。

图8 原始波形和还原波形对比

由图8 可以看出，网关得到的无线数据可以较好的还原出正弦波。根据《煤矿安全规程》以及AQ6201标准要求，2 kHz 的采样频率完全能够满足要求。

5 结论

本文设计了基于WIA-PA 的瓦斯监测传感器网络网关。通过实验表明该网关能够实现网关设备与现场各个瓦斯节点、路由节点、上位机之间实现数据的双向通信。与传统有线方式监测瓦斯浓度设备相比，大大减少了线路连接的复杂程度，减少了矿井下临时施工点的监测盲区。下一步将对WIA-PA 网络的安全性进行深入研究。

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