基于ZigBee的煤矿综合监控系统节点设计

O 引言
    基于无线传感器网络的煤矿综合监控系统由井下的传感器节点、路由器节点、协调器和井上监控计算机、数据中心、网络服务器组成。传感器节点可以在井下固定放置，也可以由人员佩戴。系统由固定节点采集井下甲烷、硫化氢、一氧化碳、温度、湿度等环境信息，通过由传感器节点、路由器节点和协调器构成的无线传感器网络将环境信息数据传送到井上监控计算机；同时也可以根据人员佩戴节点所在位置信息实现人员定位，并通过该节点获取相应人员的身份及当时身体状况等信息。本文主要介绍传感器节点设计。

1 传感器节点功能要求及总体结构
1．1 功能要求
    该系统没有设计专用的路由节点，因此传感器节点不仅要采集传感器信号，同时又要充当路由器。传感器信号主要有甲烷浓度、硫化氢浓度、氧气浓度、温度、湿度、风速、压力等信号；人员信息包括身高、体重、血型、姓名等基本信息。
1．2 总体结构
    传感器节点电路结构如图1所示。主要包括传感器调理电路、A／D转换电路、报警电路、通用控制输出电路和电源电路。

2 硬件电路设计
2. 1 处理器及主要元件选择
    传感器节点处理器选择了英国Jennic公司的JN5121无线模块，它是业界第一款兼容于IEEE 802．15．4的低功耗，低成本无线微控制器。该模块内置一款32位的RISC处理器，配置有2．4 GHz频段的IEEE 802．15．4标准的射频收发器，64 KB的ROM，96 KB的RAM，为无线传感器网络应用提供了完善的解决方案，同时高度集成化的设计简化了总的系统成本。JN5121内置的ROM存储集成了点对点通信与网状网通信的完整协议栈；JN5121内置的RAM存储可以支持网络路由和控制功能而不需要外部扩展任何的存储空间。JN5121内置的硬件MAC地址和高度安全的AES加密算法加速器减小了系统的功耗和处理器的负载。JN5121可应用于运行于2．4 GHz频段的各种ZigBee无线传感器网络节点，包括协调器、路由器以及终端设备。
    A／D转换器选用了ADI公司的AD7708，是美国ADI公司开发的具有低噪声、高分辨率、高可靠性及线性度好等优点，采用∑-△转换技术的可配置10通道16位A／D转换器件，其灵活的串行接口使AD7718可以很方便地与微处理器或移位寄存器相连接，可以利用SPI总线完成与微处理器的通信，可广泛应用于工业过程控制、测量仪表、便携式测试仪器、智能变送器、应变测量等领域。
2．2 甲烷测量电路设计
    甲烷浓度测量选用了国产的煤矿甲烷检测用载体催化元件，催化元件根据催化燃烧效应的原理工作，由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压变化，该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大，补偿元件起参比及温湿度补偿作用，其测量电路如图2所示。

2．3 一氧化碳和硫化氢测量电路设计
    一氧化碳和硫化氢浓度测量均选用了国产的电化学气体传感器，电化学元件根据电化学的原理工作，利用待测气体在电解池中工作电极上的电化学氧化过程，通过电子线路将电解池的工作电极和参比电极恒定在一个适当的电位，在该电位下可以发生待测气体的电化学氧化，由于氧在氧化和还原反应时所产生的法拉第电流很小，可以忽略不计，于是待测气体电化学反应所产生的电流与其浓度成正比并遵循法拉第定律。这样，通过测定电流的大小就可以确定待测气体的浓度。其测量电路如图3所示。

2．4 其他主要元件选择
    负压测量选用Motorola的气压传感器MPX5100，温度测量选用集成数字温度传感器DSl8B20。
2．5 电源设计
    节点供电对于固定节点采用蓄电池供电，对于佩戴型则直接从矿灯去电，由于使用蓄电池供电，因此电源设计时要考虑其转换效率。该系统中电源设计选用了CS51412，CS51411，MAX660三种元件，其中CS51411，CS51412芯片为ON半导．体推出的新型补偿稳压器系列产品，精度高，开关频率性能优异，功能完备，专用于蜂窝基站和无线通信基础设施，其输入电压范围在4．5～40 V之间。MAX660芯片为MAXIM推出的电源转换芯片，可以实现+3 V到-3 V电源的转换。12 V转5 V电路如图4所示。

3 节点软件设计
3．1 通信协议的制定
    设计通讯协议应充分降低通讯双方之间的耦合性，使得节点增加与减少并不影响监测计算机软件的正常运行(即不会因为传感器个数、类型的改变而需修改上位机软件)。同时，上位机监控软件可以通过与节点的通信，按照协议规定自动解析传感器节点相关信息。结合系统特点，制定了监控系统专用的一套应用层通信协议，该协议是运行于ZigBee之上，用于规范应用层的数据交换而制定的协议。
    煤矿监控应用系统以帧形式传输数据，帧是一个传输单位。发送帧是在无线网络中实际传输的数据帧，其结构为：前导+UU编码包。其中前导一个字节，数据范围：0x61～0xff，其含义代表无线网络中的不同操作命令，根据操作命令不同在节点系统中UU编码包中的数据可以分为设备描述包、环境数据包、控制指令包、时间同步包、应答包；后面紧跟UU编码包，需要发送的所有数据即实际数据按照UuEncode的方式编码得到UU编码包，其中最大80个字节，每个字节的数据范围为0x20～0x5f的打印字符。可以通过比较接收数据中的字符是否大于0x61来搜索帧头。无线网络中实际要发送的16进制数据在这里叫做实际帧，其结构见表1所示。这些数据在发送前首先要经过编码，编码后填入发送帧的UU编码包。其中实际帧中的每3个字节变换为UU编码包的中的4个字节，所以实际帧中的最大容量为60 B。

3．2 A／D采集程序设计
    A／D采集程序包含两部分：AD7708的初始化配置和AD中断数据读取。A／D初始化流程图如图5所示。

3. 3 节点主程序设计
    节点主程序主要包括几个部分：节点初始化、发送设备描述包申请加入网络、读A／D数据、发送数据包。其流程图如图6所示。

4 结语
    基于ZigBee的煤矿综合监控系统终端传感器节点能实时全面监测煤矿井下生产各种信息，能及时发现安全隐患并及时发送给井上监控计算机，从而可以及时有效地做出防护措施。该节点放置方便，数据通信可靠，具备自动入网能力；可以随意增加和去除节点，组网方便；解决了有线网络布线麻烦，节点安置不灵活等诸多弊端。该节点的设计为建立煤矿安全综合监测系统提供了良好的解决方案。