基于ZigBee的煤矿监控网络节点设计

1 引言

近年来，煤炭需求量不断增加，各地煤矿事故时有发生。针对有线网络难以动态、全方位监控煤矿的问题，提出采用先进ZigBee技术构成无线传感器网络的新型煤矿监控系统，实现对煤矿人井人员的实时跟踪和定位，随时掌握井下每个作业人员的位置及活动轨迹。这对保证煤矿安全生产有着重要的现实意义。本文通过对ZigBee无线网络的讨论，重点研究了无线传感器网络节点设备。

2无线传感器网络结构

2.1网络拓扑结构

ZigBee网络支持两类物理设备，即全功能设备(FFD)和精简功能设备(RFD)。一般来说，FFD支持任何拓扑结构，可以充当网络协调器，能与任何设备通信；而RFD只适用于星型网络拓扑结构，不能充当网络协调器，只能与FFD通信。在任何ZigBee网络中必然存在网络协调功能设备和精简功能设备，前者可与任何设备通信，用于协调建立网络；后者因其内部功能结构简单，上层应用少，某些仅仅包含IEEE标准的协议。

基于ZigBee的煤矿监控系统网络包含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传感器节点数据进行实时采集、网络管理、数据分析处理及预警报警功能等。为减小能量损耗和数据包丢失，该系统设计采用簇1树网络拓扑结构，如图1所示。

基于ZigBee的煤矿监控网络体系结构由传感器节点，路由器及监控主机3部分组成。运行中，先由监控主机发送查询的请求命令，通过互联网传到路由器。路由节点根据请求命令的具体要求，选择ZigBee协调器，接着根据命令选择所要查询的簇1，当簇1首领收到控制命令后，激活本簇内的所有节点进行通信。本簇内节点及时采集数据，经过数模转换后发送给本簇的首领，再由首领传送给ZigBee协调器，然后传输到路由器，继而通过外部网络传给控制中心。控制中心对数据进行处理、分析，从而了解该区域的作业人员分布情况。

2.2无线传感器节点结构

在不同应用中，传感器网络节点的组成不尽相同，但基本结构都是一样的。节点的典型硬件结构如图2所示，主要包括电池及电源管理电路、传感器、信号调理电路、A／D转换器、存储器、微处理器和射频模块等。传感器节点处理器模块主要用于对采集的数据以及其他节点发送的数据进行操作、存储和处理；无线通信模块负责与其他传感器节点的无线通信、交换控制消息和收发采集数据；而能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。根据不同应用需求和定位系统来确定传感器节点位置。

节点在网络中充当数据采集者、数据中转站或簇头节点3种角色。作为数据采集者，数据采集模块收集周围环境的数据，通过通信路由协议直接或间接地将数据传输给远方基站或者汇聚节点；作为数据中转站，节点除了完成采集任务以外，还要接收邻近节点的数据，将其转发给离基站更近的邻近节点或者直接转发到基站，汇聚节点；作为簇头节点负责收集该簇内所有节点采集的数据，并进行数据融合处理，然后发送给基站或汇聚节点。汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，它连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务．并把采集数据转发到外部网络。

2.3传感器节点硬件设计

传感器节点硬件电路是以CC2430为核心。CC2430为SoC CMOS器件，内嵌高性能、低功耗8051微控制器，内部集成14位模数转换器件和符合IEEE802.15.4协议的2.4 GHz的RF收发器，具有优良的天线接收灵敏度和强大的抗干扰性。在接收和发射模式下，电流消耗低于27 mA。CC2430还具有休眠模式和以较短时间转换至主动模式的特性，适用于那些要求电池寿命长和运行时间长的煤矿监测系统。传感器节点电路原理如图3所示。

采用DS2401作为硬件节点的唯一标识符存储器。DS2401 ROM中包含唯一的64位注册码。DS2401除接地引脚，只有一功能引脚，其供电电源、输入和输出是通过该引脚完成。由于节点电源由两节5号电池提供，因此采用MAX1724稳定系统的工作电压。

2.4网关节点的硬件设计

网关节点又称Sink节点，其处理、存储和通信能力都较强，可发布监测任务，并把采集数据转发到外部网络。根据煤矿井下的特殊要求，网关的硬件体系结构包括主处理器，存储模块，无线通信模块、接口模块、电源模块等。而CC2430内嵌的8051微控制器核不能满足要求，网关微处理器选用Intel公司的PXA255处理器。它是一个高性能、低能耗的RISE处理器。图4是网关节点结构框图，它带有USB数据端口和RS232数据端口，可通过开关切换，便于网关与外部网络或处理终端间的连接。TTL与RS232电平转换单元选用MAX3316，可在2.25～3.0 V电源电压内实现两通道双向电平转换，可直接操作CC2430的串行数据线和控制线。CC2430的外围电路设计与传感器节点设计相同。

3节点软件设计

尽管可根据需要灵活配置处于不同层次、不同位置、具有不同作用的节点结构，但其应用程序则有所差别。其相同点是节点采用串口通信模式，利用中断实现数据的接收和发送。节点有两个任务：一是发送接收本节点数据，二是接收处理并转发其他从节点数据。图5为传感器节点的程序流程图。节点一般处于休眠状态，只有当中断请求时才被激活。

4结语

基于ZigBee无线传感器网络技术构建的煤矿无线监测系统采用簇1树网络拓扑。系统设计中，无线传感器节点以CC2430内嵌的低功耗8051微控制器为核心，实现无线通信。当节点处于休眠状态时有中断请求才能激活节点工作，采用串行中断接收和发送数据。利用这种模式建立的无线传感器网络具有良好的稳定性和较高的通信效率。