基于ZigBee的矿井中无线传感器网络节点设计

2014-02-26李岩岩任玲芝杨汉生

巢湖学院学报 2014年3期

李岩岩任玲芝杨汉生

（巢湖学院电子工程与电气自动化学院，安徽巢湖 238000）

1 引言

矿井中瓦斯监测系统的硬件主要有两种类型的结点组成，分别是瓦斯监测结点和数据接收结点。前者一般放在井下一些比较重要的位置，这些节点对井下的瓦斯浓度和环境中的温湿度参数进行周期性的采集，并将这些信息通过ZigBee网络发送给接收节点。后者主要是建立ZigBee网络，允许监测节点加入网络并建立绑定关系，接收监测节点发送来的数据信息，将数据送到PC机中，充当着网关的功能。

2 节点硬件设计

2.1 微控制器与射频电路接口设计

矿井中环境比较复杂和恶劣，在设计时采用CC2430+CC2591组合来达到信号发射功率大，发射距离远的效果。CC2591是TI公司推出的一款高性价比和高性能的2.4GHz的RF前端芯片，主要用于低功耗低电压的2.4GHz射频前端，以提高发射功率和增加发射距离[1]。CC2430与CC2591接口电路如图1所示。

图1 CC2430与CC2591接口电路

2.2 传感器接口电路设计

2.2.1 瓦斯传感器接口电路设计

瓦斯传感器选用MJC4/3.0J型号的催化燃烧式传感器，采集瓦斯浓度后以电压的方式输出的电压值与瓦斯的浓度值成正比关系。通常情况下，矿井中的瓦斯浓度达到5%时，就处于危险情况，5%的瓦斯浓度值对应的输出电压是比较小的，所以必须要对输出的电压进行高增益放大，才能满足后续A/D采样测量[2]。瓦斯传感器输出电压的信号调理电路如图2所示。

图2 瓦斯传感器的接口电路

2.2.2 温湿度传感器接口电路设计

温度和湿度值是矿井中两个重要的环境参数。为了避免增加过多的传感器，选用的温湿度传感器采用瑞士Sensirion公司的SHT11产品。矿井内温度和湿度信号经由SHT11内部的相对湿度传感器和温度传感器转化为模拟电压信号，该电压信号再经过SHT11内部集成的信号调理电路、A/D转换器、二线数字接口后由SHT11的双向数据口DATA端传送给微控器CC2430的I/O口[3]。SHT11接口电路如图3所示。

图3 温湿度传感器接口电路

2.3 电源模块电路设计

电源供电稳定程度是整个系统非常重要的部分。射频芯片CC2430的工作电压为3.3V和1.8V，采用AMS1117芯片对电池的电压进行降压和稳压处理。AMS1117具有宽电压输入，功耗低，输出电压与输入电压差小，并且内部置有保护电路[4]。电路中发光二极管是电源指示灯，电路原理图如图4所示。

图4 电源供电模块接口电路

2.4 声光报警模块

当矿井中的瓦斯浓度达到4.9%-16%的范围时，就随时都有可能发生爆炸，情况十分危险，这时的监测节点应能立即启动报警装置发出报警信息提示井下作业人员立即撤离矿井远离危险区，因此在对监测节点设计时应加入一种报警装置。本文设计声光报警的方式来提示工作人员危险的存在。声光报警在发出报警声音的同时还结合有发光二极管的不断闪烁，使井下工作人员更容易发现险情。对于个别的特别紧急的状态如参数越限，可以通过主控中心来报警，以便使矿工们及时采取措施免遭危险。图5是声光报警接口电路。

图5 声光报警接口电路

2.5 串口通信电路设计

在CC2430芯片和PC机之间设计了串口通信电路，该电路的功能主要是进行电平转换，利用MAX232芯片来完成这样功能。CC2430芯片把采集到的参数值通过串口通信送到上位机中，CC2430的工作电压与上位机的工作不同，不能直接连接，采用MAX232芯片进行工作电压的转换，该芯片外围电路连接非常简单，只需要五个0.1uF的小电容即可[5]。串口通信电路如图6所示。

图6 串口通信模块电路

3 系统接口驱动程序设计

在硬件电路搭建完成的条件下，要想实现硬件结点的基本操作和结点节的无线通信还必须进行相应的接口驱动程序的编写。

3.1 监测节点发送数据驱动程序设计

监测节点主要负责加入ZigBee网络，并读取传感器模块采集到的数据，并将数据通过ZigBee网络发送出去。由于Zstack协议栈是半开源的，对于网络层（NWK）是不开源的，用户看不到建立ZigBee网络程序，只需要调用网络层的API函数即可，因此只需要对监测节点的发送数据程序进行设计，监测节点的发送数据程序流程图如图7所示。