引言

　　隨著計算機和無線通信技術的發展，計算機、無線通信技術已經開始應用于礦井安全和生產監測，廣泛涉及到計算機應用技術、無線通信技術、傳感器技術、信息傳輸技術、電氣防爆技術、應用化學技術、控制技術、光纖技術和嵌入式技術等多種技術。ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，完整的協議棧只有32KB，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。這些特點決定ZigBee技術非常適合應用在無線傳感器網絡中。與現有的各種無線通信技術相比，ZigBee技術在功耗和成本上相對較低，有很大的優勢。本文研究設計的煤礦瓦斯無線監測系統就是基于ZigBee技術的無線傳感器網絡，用于實時監測礦井空氣中的瓦斯濃度，實現系統的可靠性、便于安裝性、低成本、節能和實際可行性，從而給煤礦生產工作的順利進行提供一定的保障，為礦井的防災、減災以及提高生產效率方面發揮一定的作用。

　　煤礦瓦斯無線監測系統整體設計

　　本系統是由多個自給供電的ZigBee節點組成的，每個ZigBee節點都可以進行周圍環境數據的采集、簡單計算以及與其他節點及外界進行通信，從而使得眾多的傳感器可以通過協同工作進行高質量的傳感，組成一個容錯性較好的采集系統。本系統主要包括ZigBee節點和ZigBee基站節點，整體系統結構見圖1，其中ZigBee基站節點主要用于組合從各個傳感器節點得到的數據以及負責與外界的通信，該節點基于嵌入式系統。本系統采用部分網狀(PartialMesh)拓撲結構，其主要好處是每個節點的范圍都成倍地擴大了，沒有最大通信距離的限制，因為它所有的節點都被用作中繼器或路由器。在圖1中，節點A通過以下路徑傳送信號到ZigBee基站節點：A－B－ZigBee基站節點，另一替代路徑為：A－E－F－ZigBee基站節點，也還有其他幾種冗余的路徑。

　　1ZigBee節點設計

　　ZigBee節點的主要功能是采集瓦斯濃度數據，并將數據發送給各個ZigBee節點組的基站。ZigBee節點主要由傳感器模塊、MSP430F149模塊、CC2420收發模塊、存儲模塊和電源管理模塊五部分組成，包括電源模塊指示燈/開關、傳感器模塊接口、USB接口、天線接口等。

　　ZigBee節點的傳感器模塊負責監測區域內信息的采集和數據轉換，本設計中傳感器模塊采用瓦斯傳感器和溫濕度傳感器；MSP430F149模塊負責控制整個節點的處理操作、路由協議、同步定位、功耗管理、任務管理等，MSP430F149處理器自身具有A/D功能，從傳感器得到的模擬信號可以直接送到MSP430F149進行模數轉換，且功耗低；CC2420收發模塊負責與其他節點進行無線通信，交換控制消息和收發采集數據，提供SPI接口與MSP430F149通信，而MSP430F149則連接鍵盤、顯示等人機交互界面、傳感器、控制器等；存儲模塊負責存儲采集到的數據；電源管理模塊提供能量，選通所用到的傳感器，由兩節1.5V堿性電池組成。

　　①MSP430F149模塊

　　MSP430F149模塊，即MCU模塊，采用TI公司的MSP430F149，如圖2所示。TI公司的MSP430系列單片機是一種超低功耗的混合信號控制器，能夠在低電壓下以超低功耗狀態工作；其控制器具有強大的處理能力和豐富的片內外設；帶FLASH存儲器的單片機還可以方便高效地進行在線仿真和編程。MSP430F149是MSP430X1XX系列中功能最強的單片機，而且MSP430F149的運行環境溫度范圍為-40℃～+85℃，可以適應各種惡劣的環境。

　?、贑C2420收發模塊

　　CC2420是Chipcon公司推出的首款符合2.4GHzIEEE802.15.4標準的射頻收發器。該器件是第一款適用于Zigbee產品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF03技術，以0.18μmCMOS工藝制成，只需極少外部元器件，性能穩定且功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數超過了IEEE802.15.4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發的無線通信設備支持數據傳輸率高達250Kb/s，可以實現多點對多點的快速組網。它的外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和微控制器接口電路三個部分。芯片本振信號既可由外部有源晶體提供，也可由內部電路提供。由內部電路提供時需外加晶體振蕩器和兩個負載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數。CC2420收發模塊的外圍電路如圖3所示。

　　③存儲模塊

　　存儲模塊采用意法半導體公司的1Mb串行EEPROM芯片M24M01，M24M01采用微型SO8N封裝，封裝外殼寬度僅為150mil(3.8mm)，內置I2C雙線串口，是保存參數經常被修改的海量數據的理想選擇，存儲密度從1Kb～1Mb。M24M01支持100kHz和400kHz時鐘頻率，全面兼容I2C規范，1.8～5.5V的寬工作電源電壓。128Kb8存儲結構，支持字節和頁式寫模式，寫操作極快，256B寫操作低于5ms。數據保存能力超過40年，耐擦寫能力不低于100萬次擦寫循環，工作溫度范圍-40℃～+85℃。存儲模塊如圖4所示。

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　　傳感器有很多種類，可以檢測溫濕度、光照、噪聲、振動、磁場、加速度、氣體濃度等物理量。本系統采用的傳感器模塊采用瓦斯傳感器和溫濕度傳感器。


　　溫濕度傳感器采用SHTxx系列，該系列支持低功耗模式，采集完數據后自動轉入休眠模式，電流小于1μA。本設計采用SHT11溫濕度傳感器，SHT11是瑞士Scnsirion公司推出的一款數字溫濕度傳感器芯片。該芯片廣泛應用于暖通空調、汽車、消費電子、自動控制等領域。SHT11溫濕度傳感器采用SMD(LCC)表面貼片封裝形式，接口非常簡單，如圖5所示。


　　瓦斯傳感器采用北京東方吉華科技有限公司生產的KGS-20低功耗瓦斯傳感器，如圖6所示。KGS-20以二氧化錫為基本敏感材料，專門用于可燃氣濃度檢測的一種半導體型氣體傳感器。它的基本特征是：極高靈敏度和極快的響應速度且低功耗。KGS-20型可燃氣傳感器適用于對瓦斯等可燃氣濃度的檢測，用于瓦斯報警器，可燃氣報警器，瓦斯檢測儀等。該傳感器體積小，耗電低，應用電路簡單，報警濃度為甲烷≥1％，響應時間≤20s，恢復時間≤30s，工作溫度范圍-15℃～+50℃，濕度≤97％RH，靜態功耗為150mW，報警狀態功耗為300mW，供電電壓為3～5VDC。傳感器敏感組件的電阻RS的變化表現為負載電阻RL上的電壓變化。驅動電壓VH、負載電阻RL以及檢測電壓VD的取值參照公司提供的典型資料，以使傳感器處于最佳工作狀態。

　　傳感器電源的供電電路設計對傳感器模塊的能量消耗來說非常重要。對于小電流工作的傳感器（幾百μA），可由處理器I/O口直接驅動；當不用該傳感器時，將I/O口設置為輸入方式。這樣外部傳感器沒有能量輸入，也就沒有能量消耗。

　　⑤電源管理模塊

　　電池種類很多，電池儲能大小與形狀、活動離子的擴散速度、電極材料的選擇等因素有關。無線傳感器網絡節點的電池一般不易更換，所以選擇電池非常重要，DCDC模塊的效率也至關重要。本設計采用2節5號AA電池供電。

　　2ZigBee基站節點設計

　　ZigBee基站節點主要由ARM模塊、存儲模塊（NANDFlash，64MB-1GB可選）、CC2420收發模塊、傳感器模塊和電源管理模塊組成。ARM模塊采用ST公司生產的STR710FZ2T6微處理器，STR710FZ2T6是基于ARM7指令集的ARM處理器，片內有256KB的Flash和64KB的SRAM，而且該處理器集成了許多外設接口，包括USB2.0接口和以太網接口。ZigBee基站節點的設計框圖如圖7所示。

　　煤礦瓦斯無線監測系統架構

　　一般煤礦礦井的長度在10km以上，需布設100個以上ZigBee節點，這些節點是由電池供電的，執行組網、感知、采樣和初步的數據處理任務，要求各節點可以相互通信并具有很強的協同能力，通過轉發節點間的信息，節點間構成多跳的通信網絡。本項目設計的網絡采用MESH網狀網絡結構，保證數據傳輸的可靠性，并在一個區域設置一個ZigBee基站節點（網絡終端），通過ZigBee基站節點將數據通過網絡上傳到控制中心。

　　結論

　　本系統的設計結合現階段煤礦安全生產現狀及ZigBee技術的發展現狀，應用低功耗微處理器MSP430F149，結合相應外圍電路設計ZigBee節點，能夠采集溫度、濕度和瓦斯試驗數據，并能通過ZigBee基站節點傳到上位機。ZigBee技術作為一種短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術，將隨著技術的進一步發展，成為實現無線監測系統最理想的應用方案和發展趨勢。