1、 18 計量與測試技術(shù) 2007年第 34卷第 1期 基于 Zig Bee 技術(shù)的煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)C oa l M ine Gas M on itoring System B ased on ZigB ee覃 磊 張 杰(華中科技大學控制科學與工程系 , 湖北 武漢 430074摘 要 :本文提出了一種超低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與利用 CAN 總線連接的固定節(jié)點相結(jié)合的煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)方案 。該方案采用 Zig Bee 無 線通信技術(shù)構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò) , 并能對瓦斯涌出的動態(tài)變化特性進行分析 , 實現(xiàn)對瓦斯?jié)舛热轿?、 實時監(jiān)測和智能預警 , 以大大降低煤礦生產(chǎn)安 全隱患。關(guān)鍵詞 :瓦斯

2、監(jiān)測 :Zig Bee; 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) ; 低功耗 為了對瓦斯?jié)舛冗M行全方位 、 實時監(jiān)測和智能預警 , 設(shè)計一種適合工作點動態(tài)變化 、,種有效途徑 。便攜式瓦斯監(jiān)測儀 , 結(jié)構(gòu)簡 單 , 攜帶方便 , 但是只有攜帶者能隨時知道該處的瓦斯?jié)?度 , 未配備以及在礦井上的工作人員不能了解礦井的瓦 斯?jié)舛惹闆r ; 另一類是以 PC 機為主體的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測 系統(tǒng) , 在礦井下固定的地方安裝瓦斯監(jiān)測傳感器 , 再通過 很長的電纜把測試到的濃度等數(shù)據(jù)傳到煤礦上面的控制 室 , 缺點是它只能測固定地方的瓦斯?jié)舛?。雖然固定瓦 斯監(jiān)測系統(tǒng)大量使用 , 但是仍然有監(jiān)測盲區(qū) , 并且對于采 掘面等一些危險地點

3、 , 大多仍是采用專人配備瓦斯檢測 便攜儀進行瓦斯監(jiān)測 。 市場上還幾乎沒有能實現(xiàn)移動測 量 , 無縫覆蓋并且將瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婵刂剖业?瓦斯監(jiān)測系統(tǒng) 。所以 , 針對有線網(wǎng)絡(luò)較難達到動態(tài)全方位監(jiān)測 , 需要 采用先進技術(shù)進行網(wǎng)絡(luò)改造。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳 感器技術(shù)、 遙測遙控技術(shù)、 嵌入式計算技術(shù)、 分布式信息處 理技術(shù)和無線通信技術(shù) , 通過無線感知節(jié)點實時采集各種 環(huán)境信息 , 對信息進行處理后 , 通過網(wǎng)絡(luò)傳送到控制中心。 Zig Bee 是一種新興的短距離、 低速率、 低功耗無線網(wǎng)絡(luò)技 術(shù) , 利用其作為無線通信平臺構(gòu)建瓦斯監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)。 通信和感知節(jié)點可以移動 , 無須

4、鋪設(shè)線路 , 操作簡單 , 容易 維護 , 組網(wǎng)成本低。 因此 , 采用 Zig Bee 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 是解決煤礦瓦斯全方位、 實時監(jiān)測的一種可行方法。 1 Zig Bee 瓦斯監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)111 Zig Bee 技術(shù)概述Zig Bee 是以 I EEE 802. 15. 4作為其物理層和媒體接 入層規(guī)范 , 在其基礎(chǔ)之上 , Zig Bee 聯(lián)盟制定了數(shù)據(jù)鏈路層 (DLL 、 網(wǎng)絡(luò)層 (NW K 和應(yīng)用編程接口 (AP I 規(guī)范 , 其正 是一種近距離 、 復雜度 、 低功耗 、 低數(shù)據(jù)速率 、 低成本的雙, 、 傳感 、 監(jiān)控和遠 , 、 便攜或移動沒備使 、 成本和功耗的低

5、速率無線連接技術(shù) 。 112 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)Zig Bee 瓦斯傳感器網(wǎng)絡(luò)包含瓦斯傳感器節(jié)點和信息 控制中心 。 信息控制中心由通信機 、 信息處理服務(wù)器 、 數(shù) 據(jù)庫服務(wù)器等組成 , 主要完成對網(wǎng)絡(luò)無線瓦斯傳感器節(jié) 點數(shù)據(jù)實時采集 、 網(wǎng)絡(luò)管理 、 數(shù)據(jù)分析 、 處理 , 預警和報警 等功能 , 拓撲如圖 1所示 。網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點按照功能分兩類 , 簡單功能設(shè)備 (RF D 和全功能設(shè)備 (FF D 和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器 (P AN , RF D 設(shè)備主要用于簡單的控制應(yīng)用 , FF D 設(shè)備除了簡單應(yīng)用 之外還帶有路由等功能 , 在網(wǎng)絡(luò)中 , 還有一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器 (P AN coordinat or

6、 是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的主控制器 , 除 了參與應(yīng)用之外 , 還要完成成員身份管理 , 鏈路狀態(tài)信息 管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)等任務(wù) 。 根據(jù)是否經(jīng)常移動可以分為 固定數(shù)據(jù)采集節(jié)點和移動數(shù)據(jù)采集節(jié)點兩類 。 相對固定 的節(jié)點主要安排在巷道的拐彎處或直巷道的固定位置 , 用于采集巷道瓦斯?jié)舛?、 轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點的通信數(shù)據(jù) , 保持 無線鏈路的暢通和傳感器網(wǎng)絡(luò)的強壯性 。 因此大多固定 節(jié)點為全功能器件和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器 :固定節(jié)點用 CAN 總線 等工業(yè)總線連接 , 一方面解決傳感器節(jié)點能量受限的問 題 , 另一方面可以減少網(wǎng)絡(luò)拓撲的能量消耗 , 再者也可以 覃磊等 :基于 Zig Bee 技術(shù)的煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)

7、19 在原有的瓦斯檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上升級 , 減少成本投入 。 移動接點主要用語每個作業(yè)人員或作業(yè)機器所處位置的 監(jiān)測 , 可以安裝在煤礦工人的礦燈上 , 也可以安裝在礦 車 、 挖掘機等機械設(shè)備上 , 還可以隨機安裝在瓦斯涌出變 化較快的關(guān)鍵位置 。 113 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 由于瓦斯傳感器網(wǎng)絡(luò)具有拓撲動態(tài)變化 、 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā) 多跳的特點 , 為了保障網(wǎng)絡(luò)的暢通和節(jié)約能量消耗 , 必須 合理設(shè)計網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 。 考慮現(xiàn)在具有代表性的 MESH (網(wǎng)格網(wǎng) 的體系結(jié)構(gòu) , 以及在節(jié)點數(shù)多的大規(guī)模傳感器 網(wǎng)絡(luò)中 , 分簇層次結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢 , 因為該結(jié)構(gòu)能有效地使各 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點負載均衡 , 避免路由建立時

8、出現(xiàn)泛洪問 題 , 并參考 Zig Bee 聯(lián)盟的協(xié)議棧 。采用 UC Berkeley 提出的基于分簇層次結(jié)構(gòu)模型 , 如圖 2所示 。 整個網(wǎng)絡(luò)由遍布于監(jiān)測區(qū)的若干無線瓦斯檢測節(jié)點 組成 , 在簇樹網(wǎng)絡(luò)中 , 絕大多數(shù)設(shè)備是 FF D 設(shè)備 , 而 RF D 設(shè)備總是作為簇樹的葉設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)中。任意一個 FF D 都可以充當 RF D 協(xié)調(diào)器或者網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器 , 為其他設(shè)備提供同步信息。 系統(tǒng)將在一定區(qū)域內(nèi)的節(jié)點分為一簇 , 簇內(nèi)節(jié)點通過分簇算法選舉產(chǎn)生簇首。 通信時簇內(nèi)每個 節(jié)點將瓦斯傳感器感知的信息傳送給簇首 , 簇首節(jié)點間通 過一定的路由選擇機制在由簇首組成的網(wǎng)絡(luò)中選擇合適 的路徑后

9、 , 通過相鄰簇首節(jié)點將信息發(fā)送給路徑上的其它 簇首 , 經(jīng)過若干簇首的轉(zhuǎn)發(fā) , 傳送到數(shù)據(jù)管理終端。 2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點根據(jù)固定數(shù)據(jù)采集節(jié)點和移動數(shù)據(jù) 采集節(jié)點分成兩部分 , 固定數(shù)據(jù)采集節(jié)點為全功能器件 (FF D , 移動數(shù)據(jù)采集節(jié)點為簡單功能器件 (RF D 。 211 固定數(shù)據(jù)采集節(jié)點固定數(shù)據(jù)采集節(jié)點主要安裝在巷道中 , 不但用于采 集巷道瓦斯?jié)舛冗€要轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點的通信數(shù)據(jù) , 管理其 他移動網(wǎng)絡(luò)節(jié)點等任務(wù) , 為了保持無線鏈路的暢通和傳 感器網(wǎng)絡(luò)的強壯性 , 因此在功耗和穩(wěn)定性上 , 著重考慮其 穩(wěn)定性 , 所以采用礦井的供電系統(tǒng)提供能量 。固定數(shù)據(jù)采集節(jié)點主要由 ZI

10、 G BEE 模塊 I P -L in 2kl221-2133、 集成 CAN 通信控制器的 C8051F040單片機 、 CAN 總線收發(fā)器 、 瓦斯傳感器 、 聲光報譬器等組成 。 固定節(jié)點不但是無線網(wǎng)絡(luò)中的全功能器件也是 CAN 總 線系統(tǒng)上的一個節(jié)點 , 完成與 CANBUS的連接 , 如圖 3所示 。圖 C8051F040是集成在。芯片上有 1個 位多通道 ADC, 2個 12位 DAC, 2個電壓比較器 , 1個電壓基準 , 1個 32k B 的 F LASH 存儲器 , 與 MCS -51指令 集完 全 兼 容 的 高 速 C I P -51內(nèi) 核 , 峰 值 速 度 可 達 2

11、5M I PS, 并且還有硬件實現(xiàn)的 UART 串行接口和完全支持 CAN2. 0A 和 CAN2. 0B 的 CAN 控制器 。 F040的所有 CAN 協(xié)議功能都由獨立的 CAN 控制器而不是由 51處理器來完成 。 因此 , CAN 通信占用 CP U 帶寬很小 , 51處理器只需要通過特殊功能寄存器 (SFR 配置 CAN 控制器 , 數(shù)據(jù)過濾器就可以了 , 大大提高系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性 。CAN 總線收發(fā)器選用 PH I L I PS 的 TJA1050, 主要考慮了到 E MC 和低功耗兩個方面 。 TJA1050在關(guān)鍵的 AM 波段上 , 它的輻射比 PCA82C250低 20dB

12、 以上 ; 另外在不 上電時 , 總線呈現(xiàn)無源特性 。這使 T JA1050對于點火之 后就失電的 cla mp -15節(jié)點來說是一個更優(yōu)的收發(fā)器 , 而持續(xù)上電的節(jié)點 (cla mp -30 則要求有一個專用的低 功耗模式 , 以整個系統(tǒng)消耗保持盡可能低 。在 cla mp -30應(yīng)用中 , T JA1050通過收發(fā)器不上電實現(xiàn)極低的功耗 ,而遠程喚醒功能則是使用一根獨立的遠程喚醒線 。Zi RBEE 模塊采用 Helico mm 公司的 I P -L inkl221-2033無線模塊 , 模塊內(nèi)部由 C8051F133和 CH I PCON 公司的 Zig Bee 無線收發(fā)器 CC2240

13、組成。 I P -L ink 系列模塊 支持 Mesh, Star 和混合網(wǎng)絡(luò)拓撲 , 擁有最大 255個網(wǎng)絡(luò)節(jié) 點 , 支持 Zig Bee 和 I P -Net 雙重軟件方案 , 同時提供 2. 4G Hz 和 915MHz 兩中頻率選擇 , 使得 RS232/RS485數(shù)據(jù)流可以通過多跳方式傳輸 , 從而提高數(shù)據(jù)可靠性。 該模塊 支持 AT Mode 和 B inary Command Mode 控制 , 使用方便。 212 移動數(shù)據(jù)采集節(jié)點由于移動數(shù)據(jù)采集節(jié)點由電池供電 , 所以從通信協(xié)議的物理層分析 , 必須采用低功耗設(shè)計 。超低功耗的設(shè) 計是綜合硬件和軟件技術(shù) 。在瓦斯無線傳感器節(jié)

14、點中 , 要保證系統(tǒng)的低功耗 , 必須在使用低功耗芯片的同時通 20 計量與測試技術(shù) 2007年第 34卷第 1期過硬件和軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計使系統(tǒng)低功耗 。為了保證硬件電路的低功耗設(shè)計 , 該節(jié)點硬件結(jié)構(gòu) 由一款低功耗的 C8051F300單片機 、 ZI G BEE 模塊 、 低功 耗瓦斯傳感器 、 聲光報警器組成 , 如圖 4所示。 圖 4 移動數(shù)據(jù)采集節(jié)點結(jié)構(gòu)圖C8051F300微控制器把高速 8051處理器 、 閃存和高效能模擬電路整合至體積超小的 33毫米 MLF 封裝 。工作電壓范圍 217-213V, 在節(jié)能模式下僅耗電 0. 1A , 活動狀態(tài)最大為 2. 1mA. 內(nèi)含具有 2k

15、RAM , 64kFlash 、 8位 ADC 、 模擬比較器 , 工作速度可達 25M I PS, CLK =32kHz 時功耗最低 , 也只有 12A 。 選用此 的功耗 。 壓 、 。電源電壓芯片采用 SI PEX 公司推出的低功耗電壓 調(diào)節(jié)器 LP2951, 其非常適用于電池供電的系統(tǒng) 。具有低 靜態(tài)電流 、 低壓差等特性 (輕微負載時 , 壓差為 50mV , 具有很小的的初始容限 (0. 5% , 非常良好的負載及線 路調(diào)節(jié)特性 (一般 0. 05% , 并具有非常低的溫度系數(shù) (20ppm / , 因此非常適合做低功耗電壓源 。并且有錯 誤標志輸出模塊可以對系統(tǒng)電壓進行檢測 ,

16、當系統(tǒng)電壓 不足 , 或者輸入電壓跌落等情況 , 邏輯關(guān)斷模塊可以控制 調(diào)節(jié)器的開 /關(guān)狀態(tài) 。將 +9V 電池穩(wěn)壓后 , 為系統(tǒng)提供 2. 7V 工作電源 。無線模塊同固定節(jié)點一樣選用 I P -L inkl221-2033無線模塊 , 只不過只是作為簡單工作器件 (RF D 使用 , 處于休眠狀態(tài)工作電流僅 16A, 從休眠到工作狀態(tài)僅需要 15m s, 工作電流 55A 。 采用 TP -1. 1A 氣體傳感器主要是考慮到它的低功耗 、 無需加熱和精度高 , 使用電路簡單等特點 。 TP -I .1A 是采用納米級 Sn02進行合理的半導體摻雜 , 以微珠結(jié)構(gòu)制成的非加熱 、 低功耗 、

17、 對甲烷高度靈敏的可燃氣體傳感器 。 由于其低功耗的特點 , 派生一些加熱元件不可 能達到的技術(shù)指標 , 經(jīng)過多年可靠性實驗 , 其性能指標超 過了加熱式 、 旁熱式及催化燃燒式可燃氣體傳感器 , 是可 燃氣體傳感器一個重要的分支 。 工作電壓為 6V, 負載電阻 51, 靜態(tài)功耗 210mW , 工作溫度 -40 -+70 。 3 結(jié)束語采用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 、 現(xiàn)代通信技術(shù)及現(xiàn)場總線 技術(shù) , 構(gòu)造了一種有線與無線相結(jié)合無縫覆蓋的瓦斯實 時監(jiān)測系統(tǒng) , , 采取合適的協(xié)議 , , 經(jīng)過 , 。 該系統(tǒng)需要進 步優(yōu)化 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) , 并在數(shù)據(jù)管理終端的應(yīng)用軟件的功能 上也要進一步改進 ,

18、 使系統(tǒng)能夠滿足工程實際應(yīng)用要求 。參考文獻1楊維 , 馮錫生 , 程時昕 , 孫繼平 . 新一代全礦井無線信息系統(tǒng)理論與關(guān)鍵技術(shù) . 煤炭學報 , 2004(8 , Vo124, NO. 4.2邵清亮 , 武衛(wèi)東 , 李軒 . 基于網(wǎng)絡(luò)的礦下無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) . 沈陽航空工業(yè)學院學報 , 2005(6 , V0122, NO. 3.3I EEE 802. 15. 4:WirelessMedium Access Contr ol (MAC and Physical Layer (PHY s pecificati ons f or l ow Rate W ireless Pers onal A rea Net w orks (LR -W P AN s .4張盛峰 , 朱江 , 朱治國 . 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的 MAC 協(xié)議 . 廣東通信技術(shù) , 2005(6 .5孫利民 , 李建中 , 陳渝 , 朱紅松 . 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) . 北京 :清華大學出版社 , 2005.6童長飛 , C8051F 系列單片機開發(fā)與 c 語言編程 . 北京 :北京航空航天大學出版社 , 2005.作者簡介 :覃磊 , 男 , 在讀研究生。工作單位 :華中科技大學控制科學工程 系測控技術(shù)研究所。 通訊地址