基于ZigBee技術的無線紅外瓦斯傳感器智能監(jiān)測系統(tǒng)設計

摘要：給出了以AT86RF212為核心的ZigBee無線通訊技術實現(xiàn)紅外檢測終端的組網(wǎng)監(jiān)測方法，詳細介紹了系統(tǒng)架構及終端紅外檢測模塊的硬件設計及軟件架構。該方法可以很好地實現(xiàn)井下特殊環(huán)境下的檢測布控，從而有效監(jiān)控井下各點的瓦斯突變。
關鍵詞：Zigbee；紅外無線通信；瓦斯傳感器；智能監(jiān)控

0 引言
    在煤礦開采過程中，礦井瓦斯?jié)舛鹊臏y量對煤礦安全生產非常重要。對煤礦井下瓦斯?jié)舛冗M行精確測量和實時監(jiān)測控制是防止煤礦瓦斯爆炸、確保人身安全的重要措施。但目前我國礦井存在不能實時監(jiān)測井下的瓦斯、溫濕度等信息，瓦斯檢測系統(tǒng)技術滯后等問題，給礦井安全帶來重大隱患。因此，本文采用IEEE 802．15．4／ZigBee協(xié)議，設計了一種以基于ATMEL公司AT86RF212為核心的無線監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)。

1 ZigBee協(xié)議簡介
    ZigBee是ZigBee聯(lián)盟定義的無線網(wǎng)絡標準，ZigBee聯(lián)盟的主要目標是通過加入無線網(wǎng)絡功能，為消費者提供更富有彈性、更容易使用的電子產品。ZigBee技術能融入各類電子產品，應用范圍橫跨全球的民用、商用、公共事業(yè)以及工業(yè)等市場，使得聯(lián)盟會員可以利用ZigBee這個標準化無線網(wǎng)絡平臺，設計出簡單、可靠、便宜又節(jié)省電力的各種產品。
    ZigBee技術網(wǎng)絡有兩種網(wǎng)絡拓撲結構：星型的拓撲結構和對等的拓撲結構。星型拓撲網(wǎng)絡結構由一個叫做PAN主協(xié)調器的中央控制器和多個從設備組成。主協(xié)調器必須為一個完整功能的設備；從設備既可為完整功能設備，也可為簡化功能設備。在實際應用中，應根據(jù)具體應用情況，采用不同功能的設備，合理地構造通信網(wǎng)絡。

2 無線瓦斯傳感器監(jiān)控系統(tǒng)組成
    圖1所示是本無線瓦斯傳感器監(jiān)控系統(tǒng)的組成框圖。該系統(tǒng)設計主要包括監(jiān)控節(jié)點模塊、數(shù)據(jù)接收模塊及井上信息綜合處理中心等部分，主要是利用不同的瓦斯采集終端對各采集點進行瓦斯采集，通過建立的Mesh無線通信網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)進行中繼傳輸，逐級路由最終到達地面監(jiān)控中心，實現(xiàn)動態(tài)顯示、分析及其他處理。Mesh網(wǎng)絡有效縮短了信息傳輸?shù)难訒r，并提高了網(wǎng)絡通信的可靠性?；赯igBee技術的中繼器由節(jié)點除負責發(fā)送本節(jié)點的數(shù)據(jù)外，還負責轉發(fā)其他節(jié)點的數(shù)據(jù)至中心節(jié)點，從而形成無線通訊網(wǎng)絡。

3 終端采集節(jié)點設計
    終端采集節(jié)點由傳感器模塊、無線通訊模塊和電源模塊組成?；贏TMEL公司的AT86RF212 RF射頻芯片及PIC18F4580 CPU構成的終端瓦斯數(shù)據(jù)采集節(jié)點實現(xiàn)了將井下各工作面和巷道點的瓦斯數(shù)據(jù)及其他溫濕度數(shù)據(jù)信息通過各中繼模塊上傳地面綜合信息處理中心。該終端節(jié)點采用了紅外氣體檢測技術來進行瓦斯氣體檢測，克服了原來催化燃燒傳感器檢測精度低、高濃度易中毒等缺點，更好地實現(xiàn)了井下瓦斯數(shù)據(jù)的監(jiān)測。圖2所示為該節(jié)點的整體設計框圖。

    對于無線射頻電路來說，需要特別注意電路中的器件間相互干擾。在設計無線模塊電路部分，需要采用雙層PCB架構，Toplayer層主要用于信號線的布線，Bottomlayer層主要用于電源線和地線的布線，在無線的區(qū)域需要打少量過孔。另外，AT86RF212芯片為了避免干擾，芯片底部必須接地，這樣在芯片底部也需要打少量過孔與地相連。芯片的電源管腳需相連去耦電容，外圍器件采用0402封裝的阻容器件。PCB天線采用FR4普通板材，可使天線獲得最佳性能，其介電常數(shù)要求為4．5，板材厚度為1 mm，敷銅厚度為0．35 μm。

4 ZigBee軟件節(jié)點設計
    整個軟件包含的子程序有AD測量濃度模塊、無線收發(fā)模塊、終端顯示模塊等幾部分組成。系統(tǒng)每隔500 mS采集一次井下終端所處環(huán)境的瓦斯?jié)舛鹊饶M量，30 s濾波處理后顯示。其軟件流程圖如圖3所示，圖4所示是ZigBee收發(fā)模塊的設計流程。

5 結語
    在礦井采煤及掘進面上，由于放炮會造成傳感器通信線路的損壞，影響傳感器正常的使用問題，本文提出的以AT86RF212為核心，基于ZigBee無線通信技術的解決方案具有低功耗、低成本的優(yōu)勢。該方案設計的無線紅外傳感器比傳統(tǒng)的瓦斯傳感器，在監(jiān)控組網(wǎng)的便捷性及終端設備的使用壽命上都有很大的優(yōu)勢。用ZigBee的無線通信方式代替原來使用的有線通信方式，大大提高了監(jiān)控系統(tǒng)的性能。實驗證明，設計的無線紅外瓦斯傳感器結構簡單、性能更加穩(wěn)定，更適應煤礦井下惡劣工作環(huán)境。