基于ZigBee技術(shù)的無線紅外瓦斯傳感器智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

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(chǎn)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(shù)滯后等問題，給礦井安全帶來重大隱患o(jì)因此，本文采用IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議，設(shè)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(luò)系統(tǒng)。

1ZigBee協(xié)議簡介

ZigBee是ZigBee聯(lián)盟定義的無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee聯(lián)盟的主要目標(biāo)是通過加入無線網(wǎng)絡(luò)功能，為消費者提供更富有彈性、更容易使用的電子產(chǎn)品。ZigBee技術(shù)能融入各類電子產(chǎn)品，應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)化無線網(wǎng)絡(luò)平臺，設(shè)計出簡單、可靠、便宜又節(jié)省電力的各種產(chǎn)品。

ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)有兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):星型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和對等的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由一個叫做PAN主協(xié)調(diào)器的中央控制器和多個從設(shè)備組成。主協(xié)調(diào)器必須為一個完整功能的設(shè)備；從設(shè)備既可為完整功能設(shè)備，也可為簡化功能設(shè)備。在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用情況，采用不同功能的設(shè)備，合理地構(gòu)造通信網(wǎng)絡(luò)。

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(shè)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(luò)將數(shù)據(jù)進行中繼傳輸，逐級路由最終到達(dá)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(luò)有效縮短了信息傳輸?shù)难訒r,并提高了網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。基于ZigBee技術(shù)的中繼器由節(jié)點除負(fù)責(zé)發(fā)送本節(jié)點的數(shù)據(jù)外，還負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)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(luò)。

3終端采集節(jié)點設(shè)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AT86RF212RF射頻芯片及PIC18F4580CPU構(gòu)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(shù)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(shè)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(shè)計無線模塊電路部分，需要采用雙層PCB架構(gòu)，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1mm，敷銅厚度為0.35nm?

4ZigBee軟件節(jié)點設(shè)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500ms采集一次井下終端所處環(huán)境的瓦斯?jié)舛鹊饶M量，30s濾波處理后塊的設(shè)計流程。

5結(jié)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(shù)的解決方案具有低功耗、低成本的優(yōu)勢。該方案設(shè)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(shè)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(shè)計的無線紅外瓦斯傳感器結(jié)構(gòu)簡單、性能更加穩(wěn)定，更適應(yīng)煤礦井下惡劣工作環(huán)境。

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