基于ZigBee的煤场无线自燃检测系统硬件设计

张晶，吕少胜，卢智嘉，于京生

（1．石家庄学院机电学院，河北石家庄050035；2.河北省电力勘测设计研究院，河北石家庄050031）

基于ZigBee的煤场无线自燃检测系统硬件设计

张晶1，吕少胜2，卢智嘉1，于京生1

（1．石家庄学院机电学院，河北石家庄050035；2.河北省电力勘测设计研究院，河北石家庄050031）

通过比较传统的检测方式，采用ZigBee技术设计了煤场无线自燃检测系统.以CC2530为主控及通信芯片，设计了数据传输模块、传感器模块、天线模块等硬件电路，并分析了CC2530的组网流程.系统实现了对目标节点温度的采集、无线传输及显示，在试验条件下，系统的通信距离约为60 m.该系统功耗低，稳定性高，能够达到对煤场自燃隐患进行监测的目的.

ZigBee；无线自燃检测；CC2530；组网流程

0 引言

燃煤的自燃特性会给煤的存储带来极大的安全隐患.实时检测煤炭的温度可以确保电厂安全生产，保障重要原料的安全，并节约能源.

在传统的检测方式中，通常采用人工巡逻的监管模式.这样不仅耗材耗力，而且由于人工监管的时效性和准确性较低，很有可能会因为一时的疏忽而导致事故的发生.也有研究中使用有线温度监控系统的，但是由于储煤场进行日常输煤、取煤作业很频繁，安装的温度采集节点经常会被移动，并且大型的机械设备较多，干扰较大，所以很难采用有线温度监控系统实现对储煤自燃的监控[1，2].

现在数字化储煤场正在兴建，这就需要对煤场温度的监控智能化，运用ZigBee技术组建的无线网络有很强的组网、修复能力和较高的稳定性，具有重要的实用价值.

1 系统总体设计方案

1.1 系统工作流程

整个无线检测系统的工作流程如图1所示。

协调节点的主要功能是组建网络和上传数据给上位机.一个ZigBee网络——PAN（Personal Area Network）中有且仅有一个协调节点，负责启动整个网络，然后用分布式寻址方案来配置网络成员的地址，这样就可以确保每个分配出去的网络地址在整个网络中都是不同的.路由器主要起到扩展网络及路由消息的功能，这样就可以延长传输距离.采集终端节点负责采集温度并把数据上传到路由节点.上位机将数据通过串口调试助手软件显示出来，供值班人员实时观察现场情况.

图1 无线检测系统工作流程框图

1.2 网络拓扑结构

一般的ZigBee的网络拓扑结构有3种，分别是星型拓扑结构、网状拓扑结构及树型拓扑结构[3].本次设计采用树型拓扑网络结构，相较于星型结构，树型拓扑结构增加了路由节点设备，且不像网状拓扑结构那样复杂.整个树型拓扑结构可以包括一个协调器节点、若干个路由节点和更多的终端节点.由于出现了3层结构，所以网络覆盖的范围大大增加，所以能够满足实际需求.

2 硬件电路设计

主控及传输芯片使用CC2530F256，其中256指的是芯片的闪存大小为256 kB.在此基础上外接晶振电路、电源模块、天线模块、数据传输模块（PL2320HX、USB接口，只有在协调器上使用）、I/O口模块（用来外接传感器、按键、液晶屏等），系统整体结构如图2所示.

图2 硬件结构框图

2.1 ZigBee芯片CC2530F256

作为该系统的主控及通讯芯片，CC2530芯片采用的是高性能、低功耗的8051微控制器内核，它拥有能够适应2.4 GHz IEEE802.15.4的RF收发器.电源电压范围为2.0-3.6 V.芯片具有看门狗、电池监视器、温度传感器和高级加密标准（AES）协处理器、1个通用的16位和2个8位定时器.同时拥有8路输入8-14位模数变换器（ADC）、2个串行、21个通用I/O引脚和1个红外发生电路[4，5].该芯片具有低功耗、外围设备强大、集成度高、无线收发电路实现简单等显著优势.

2.2 主要外围电路

2.2.1 电源模块

采用AMS1117-3.3的正向低压降稳压器，它在1 A电流的情况下压降为1.2 V，固定输出电压为3.3 V.该稳压器拥有限流和过热保护电路，可为计算机和电池供电.

采集终端节点和路由节点可使用3节7号电池或USB口供电.而为了传输数据，协调节点必须使用USB口供电.

2.2.2 晶振模块

CC2530内部有16 MHz和32 kHz两个RC振荡器，外部振荡器采用32 MHz和32.768 kHz两个晶体振荡器，电路连接如图3所示.32 MHz或16 MHz振荡器用来作为系统时钟提供源，而32 kHz或32.768 kHz振荡器则可以为看门狗定时器提供标记或者驱动睡眠定时器进行工作.对于部分应用程序来说，32 MHz晶振的启动时间相对来说或许比较长，所以可以先使设备运行内部的16 MHz RC振荡器，一直到晶振稳定.虽然16 MHz RC振荡器的功耗比晶体振荡器低，但它不像晶振那样准确，所以不能用来进行RF收发器的操作.

图3 晶振模块

32 kHz RC振荡器功耗较少，但不如32.768 kHz晶体振荡器精确.这两个振荡器不能够同时使用.

2.2.3 天线模块

天线模块采用的是SMA接口的杆状天线，电路图如图4所示.在接收数据模式下，正、负RF输入信号分别从RF_P、RF_N引脚进入芯片；在发送数据模式时，正、负RF输出信号又分别从RF_P、RF_N引脚输出.

图4 天线模块

2.2.4 数据传输模块

数据传输模块由USB接口、PL2303HX芯片及芯片外围电路组成，PL2303HX是RS232-USB接口转换器，提供RS232全双工异步串行通信装置与USB功能接口的连接，这里主要用来上传数据.PL2303HX使用了28脚贴片SOIC封装的形式，其工作频率为12 MHz，满足USB 1.1通信协议的要求，能够用来直接将USB信号转换成串口信号，波特率的范围为75-1 228 800，总共可以有22种供选择使用，而且还支持5、6、7、8、16等5种数据比特位，是一种非常好的USB转串口芯片.其中PL2303HX芯片的TXD、RXD引脚分别接到CC2530的P0_2/RX、P0_3/TX引脚上.

因为CC2530传输数据需要用串口，但是作为上位机的计算机很可能没有配置串口，而USB接口是每个计算机必有的，所以上位机接收数据可以通过USB口.这样协调节点模块与上位机之间的连接就需要进行串口与USB口之间的转换.

通过试验测试得知，CP2102不能够进行在线系统编程（ISP）下载，虽然FT232可以下载，但是它的价格太高.根据试验条件，最终选择PL2303，其下载比较稳定，而且还能够支持多种操作系统.

2.2.5 按键及LED模块

LED连接如图5所示，其中RX为接收指示，TX为发送指示，PWR为电源指示，而D1、D2、D3则根据具体的需要进行配置.所有指示灯均在I/O口低电压时点亮.

按键的连接如图6所示，其中S1、S2可以根据需要进行配置，S3为复位键.当按键被按下时，I/O口会检测到低电压，即I/O置0，这样CC2530F256就可以了解具体是哪个按键被按下了.需要提及的是，令CC2530F256的RESET_N引脚为低电压时，就可以使芯片复位.

图5 LED连接图

图6 按键连接图

除此之外还有一个开关被用在电源模块的电路中，作为供电口的总开关.当其关闭时，圆孔电源口和USB口均被关闭.

2.2.6 液晶屏模块

该模块只安装在采集终端节点上，可以使值班人员在现场方便地了解煤堆的温度.将薄膜晶体管（TFT）彩屏模块按照图7所示连接到CC2530F256芯片，可以配合取模软件PCtoLCD2002对所显示的字符进行修改.

TFT彩屏模块的DC为数据/命令选择引脚，置1为写入数据，置0为写入命令；RST为复位引脚，控制彩屏的复位；SDA为双向数据接口，置1为输出数据，置0为写入数据；SCL为时钟接口.

2.2.7 蜂鸣器模块

蜂鸣器主要分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器两种.区别在于，前者可以直接接上额定电源进行连续发声，而后者则必须接在音频输出电路中才能够产生声音.因为I/O引脚输出的电流较小，无法驱动有源蜂鸣器，所以这里选择了无源蜂鸣器，然后接入一个电流放大电路.蜂鸣器模块只安装在采集终端节点模块上，用于当采集终端节点所测得温度超过预设值时进行报警，提醒值班人员采取措施.

2.2.8 传感器模块

目前应用较为广泛的温度传感器是DS18B20，主要用于测量环境温度或物体表面温度，不适合检测深层煤堆的内部温度.铂电阻温度传感器是利用自身的电阻随温度变化而变化的特性做成的测温元件，其中的PT100铂热电阻具有精度高、稳定性好等特点，而且可以做成1-2 m的插入式探头，符合实际测量需求.

常见的PT100连接方式有三线制和两线制，而三线制的优势是可以消除导线电阻.电路中使用TL431和电位器VR1来配合调节出4.096 V的参考电源.R1、R2、VR2（100 Ω）、PT100构成了测量电桥.R3、R4、R5、R6构成了差动放大电路，放大倍数为R5/R3.当PT100电阻值与VR2不相等时，电桥就会输出一个mV级的电压差信号，该信号可以直接送到CC2530F256中进行AD转换.

温度传感器模块安装在采集终端节点上.电路采用5 V供电，数据传输引脚为P0_7.温度传感器的连接图如图8所示.

图7 液晶屏连接图

图8 温度传感器连接图

3 系统组网过程

3.1 Z-Stack工作流程

Z-Stack是TI公司开发的开源ZigBee协议栈，并且通过了ZigBee联盟的认可，协议栈采用分层的软件结构，定义了通信硬件和软件在每个分层里怎样协调工作.协议栈的各层相对独立，每一层都提供了一些服务，这些服务由协议定义，设计者只需要关心与其工作直接相关的那些层的协议，为其设计和调试带来极大的方便.Z-Stack协议栈的每个工程都包含用户应用层APP、硬件抽样层HAL、物理层MAC、网络层NWK、操作系统抽样层OSAL和ZigBee设备对象层ZDO等14个目录文件.Z-Stack下任务的执行是通过系统消息进行传递调用，当有事件发生时就会去执行相应的任务.Z-Stack工作流程图如图9所示.

3.2 数据收发过程

数据传输时，为每个终端采集节点设置一个编号.协调器收到上位机的命令有两种形式：一种是不带编号的参数，需要所有终端节点处理；一种带编号的参数，只有相应节点处理.协调器收到上位机的命令，以广播形式发送出去，终端节点接收到数据做出相应判断.终端节点以点播的形式向路由节点发送数据，路由节点再将各终端节点发来的数据上传给协调器，终端节点之间不进行通信.数据收发过程如图10所示.

试验中设计了两个终端节点，一个路由节点，一个协调节点，传输距离约为60 m，实际应用中可以根据被测煤场区域大小，增加路由节点个数，从而增加传输距离.

图9 Z-Stack工作流程图

4 结论

基于ZigBee技术设计系统，采用树型网络拓扑结构，使用CC2530作为主要控制和通信芯片，设计了各个模块的硬件电路，通过试验过程测试，确定各个模块的参数，实现了煤场的无线温度检测.该系统体积小、功耗低、稳定性高，达到了预期的目标，但也有不足和待改进之处，如结果显示不能随时随地观察、协调节点出现问题引起的系统故障等，后续将继续对这些问题开展研究.

图10 数据收发示意图

[1]巩娜，张素娟，雷勇，等.基于CC2530的智能温度传感器节点设计[J].气象科技，2014，42（5）：764-768.

[2]赵琳娜，高力宝，孙可，等.基于ZigBee的火电厂储煤自燃监控系统的研究与设计[J].内蒙古民族大学学报（自然科学版），2015，30（4）：287-291.

[3]范燕，俞洋，李永义，等.基于ZigBee无线传感器网络的远程监控系统[J].实验室研究与探索，2016，35（1）：80-84.

[4]李建勇，李洋，刘雪梅.基于ZigBee的粮库环境监控系统设计[J].电子技术应用，2016，42（1）：65-67.

[5]杨萌，赵亮.基于ZigBee技术的无线传感网络研究[J].电子技术与软件工程，2015，（1）：34-34.

（责任编辑钮效鹍）

Hardware Design of Coal Mine Wireless Spontaneous Combustion Detection System Based on ZigBee

ZHANG Jing1,LV Shao-sheng2,LU Zhi-jia1,YU Jing-sheng1
(1.School of Mechanical&Electronic Engineering,Shijiazhuang University,Shijiazhuang,Hebei 050035,China; 2.Hebei Electric Power Design&Research Institute,Shijiazhuang,Hebei 050031,China)

By comparing the traditional detection methods,the ZigBee technology is used to design the wireless spontaneous combustion detection system.CC2530 is used as the main control and communication chip,and the hardware circuits of data transmission module,sensor module,antenna module and so on are designed.The networking process based on CC2530 is analyzed.The functions of collecting,transmitting and displaying the temperature of the target node are realized.Under the experimental conditions,the communication distance is about 60 m.The system has low power consumption and high stability,which can achieve the purpose of monitoring the hidden danger of coal spontaneous combustion.

ZigBee;wireless spontaneous combustion detection;CC2530;networking process

TN915

A

1673-1972（2017）03-0033-06

2017-03-20

河北省科技厅项目（15270349、15220353）；河北省高等学校科学研究计划（ZC2016107、QN2016324）

张晶（1981-），女，河北沧州人，讲师，主要从事信息处理与传输研究.