基于ZigBee的便携式矿用多参数传感器设计刘宏宇.doc

基于ZigBee的便携式矿用多参数传感器设计刘宏宇 基于的?携式矿用多参数传感器设计王振翀，刘冬，李晓斌，王晶刘宏宇，（）中国矿业大学，机电与信息工程学院，?京摘要基于结合现有的煤矿传感器，设计了一款便携式矿用安全监测传感器。 该传感器具有自组无线通信技术，网、小体积、高效率、低功耗、低成本的特点，集信号采集、液晶显示和组网通信功能于一体。 该传感器集成监测瓦斯浓度、温度、电流、压力等多种环境参数，有效弥补了矿用单参数传感器功能单一的不足；以无线通信代替有线通信，可固定安装或由工作人员随身携带，覆盖更多的监测盲点，更有利于系统的扩展和维护。 ；关键词煤矿安全监测系统；矿用传感器；，（，），；引言煤炭作业主要在煤矿井下，对煤矿井下危险源进?实时监测和预警，是煤矿关注的项目。 由于矿井环境的复杂性，井下安全监测系统需要对煤矿井下多种环境参数进?检测，包括温度、压?、风速、瓦斯浓度、浓度等。 当前煤矿安全监测系统多采用有线通信和固定传感器组成的网络，随着采掘工作面的深入，矿井结构?断变化，坑道空间逐渐狭窄，现有的有线通信线?的延伸?加困难，监测盲区难以覆盖。 一旦有线线?发生故障，煤矿安全监测系统将陷入瘫痪。 随着煤矿安全监测系统的日益成熟和无线传感器网设计络研究的日益深入，本文基于无线通信技术，了一款?携式矿用安全监测传感器，作为科技部重点科研项目“无线网络综合监测系统”的终端节点设备。 总体功能本文设计的?携式矿用安全监测传感器，取代现有的矿用单参数传感器，集成监测瓦斯浓度、温度、电流、压?、一氧化碳浓度等多种井下环境参数，集信号采集、处?、显示、通信于一体，具有自组网、低功耗、高效率、低成本、小体积等特点，作为“井下无线网络综合监测系统”的终端节点，可固定安装或由工作人员随身携带，通过在矿车、坑道及作业层面放置的无线?由节点，与井上监控计算机系统进?无线通信，从而实现对煤矿井下环境的实时监测。 该传感器以无线通信技术代替原有的有线通信技术，解决了有线线?的安装和腐蚀问题，其自动定位和组网通信功能，?能适应?断变化的矿井结构和逐渐狭窄的坑道空间，覆盖?多的监测盲点，?于系统的维护和扩展。 年第期硬件设计矿用安全监测传感器主要由传感模块（传感器组、信、主控模块、号调?电?、无线通信模块、转换电?）电源管?模块和显示模块组成，如图所示。 传感模块负责煤矿井下监测区域内信息的采集和数据转换，为每一个节点提供了可扩展?同传感器的接口，可以集成监测瓦斯浓度、温度、电流、压?、风速等多种信号；主控模块负责控制整个传感器节点，存储和处?传感模块采集的数据和其他节点发来的数据；无线通信模块负责与相邻传感器节点的通信，交换控制信息和收发采集数据；电源管?模块负责为传感器节点供电；显示模块采用小屏幕液晶显示数据信息。 主控模块矿用安全监测传感器节点的主控模块主要应用于节点系统的控制、基带信号的处?和协议栈的执?，负责控制整个传感器节点的数据操作、存储，以及处?自身采集的数据和其他节点发来的数据，包括数据安全、?由协议、同步定位、功耗管?、任务管?等。 主控模块采用宏晶公司生产的芯片该芯片具有高速度、作为微处?器芯片，高可靠性、低功耗、低成本、强抗干扰的特点，很好地满足了设计需求。 尤其是该芯片提供了三种省电模式，分别是空闲模式、掉电模式和低速模式，为低功耗的软件设计方案提供了良好条件。 控制电?的功耗等于动态功耗和静态功耗的总和。 静态功耗主要于电源电压和接地电压之间的泄，?电流其中和都是微控制器常数，为栅极电源电压，为工作时间。 静为晶体管的阈值电压，态功耗计算公式如下（）（）动态功耗与开关电容和栅极电源电压相关，主要取决于传感器节点的采样时间和次数。 动态功耗计算公式如下（）但因为无线传感器节点的采样时间在整个通信协议中所占时间极短，一般情况下是每几分钟只工作几毫秒，图传感器节点硬件框图因此，静态功耗占总功耗的主导地位。 由于泄?功率与时间成正比，减慢时钟将增大泄?功率，因此，降低功耗的最简单方法是关闭闲置的组件。 本文对矿用安全监测传感器节点传输距离和节点体积进?了优化设计，传输距离达到百米以上，且缩小到手持设备的体积。 无线通信模块无线通信模块负责与相邻传感器节点的通信，交换控制信息和收发采集数据。 传感器节点采用赫立讯公司生产的基于技术的嵌入式收发模块，它包含一个高性能的位微处?器和一个标准射频收发器，可工作于有全球公用的频段，助于实现低功耗、低成本的标准短距离无线网络通信。 系统运?中，无线通信模块功耗最大，直接影响了整体设备的耗电?。 无线通信单元功耗主要的影响因素包括组件；频率合依赖于传输距离和调制参数的成电?、滤波电?、模数转换电?等功耗。 由于无线传感器网络的数据传输速率低，无线通信在空闲模式下发送的数据包可能很小，因此，启动功耗占总功耗的主要部分。 此外，传感器节点工作模式的转换也将增加功耗，传感器节点可以有种?同的工作模式传输、接收、空闲和休眠。 传感器节点在空闲模式下的功耗几乎与接收模式下的功耗相等，而传感器节点在睡眠模式下的功耗极小。 传感模块传感模块包括了传感器组、信号调?电?和转换电?。 由于矿工随身携带的设计需求，传感模块主要依靠日益集成化和专业化的模拟电?设计来减小体积和功耗，对?同的传感信号，传感器节点分别进?了专业的模块化电?设计。 主要包括瓦斯浓度传感器调?电?、电流互感器调?电?、压?传感器调?电?、风速传感器调?电?等，芯片选取均从节能高效的角度出发，尽可能满足低功耗低成本的设计需求。 由于对传感模块的模块化、集成化、专业化处?，以及温度、湿度等无源传感器的采用，极大地降低了传感模块的功耗和体积，提高了传感器节点的转换精度，延长了传感器节点的使用寿命。 此外，传感模块集成监测多种环境参数，有效解决了现有矿用单参数传感器功能单一的问题，有利于针对?同的监测环境作出及时有效的应对。 敬请登录网站在线投稿年第期当?进?数据接收和发送时，应将传感器节点转换因此，到睡眠模式，而?是空闲模式。 化等。 并通过传感器节点申请加入无线传感器网络，进?地址绑定；并将传感器节点的地址信定位技术，息收录在网络协调器的绑定表中，以此实现上位机和传感器节点之间的相互关联。 传感器节点处于休眠模式，功耗低，节一般情况下，省电池电?，为井下工作人员提供充足的使用时间；中断发生后由休眠模式转换成工作模式，中断包括信号采集和通信两种。 传感器节点需要实现数据采信号采集中断发生后，集、数据处?、数据存储功能，并在上显示采样数据和采样时间；中断结束后，传感器节点再次返回休眠模式，等待下一次中断事件发生。 传感器节点与上位机之间进?无通信中断发生后，线通信；中断结束后，传感器再次返回休眠模式，等待下一次中断事件发生。 为了延长系统总体使用时间，软件设计主要通过减少传感器节点的激活状态和延长传感器节点的休眠时间来降低功耗，典型的休眠方式是每几分钟只激活几毫秒。 这样，系统大部分时间都处于睡眠模式。 休眠模式的功耗非常低，而唤醒休眠模式的功耗非常小，对性能影响?大，因此系统将?加节能和高效。 此外，当传感器电压低于一定水平时，应向上位机发出信号，并在液晶屏显示警报，提醒及时充电或排除故障。 电源管?模块传感器节点采用容?大、放电稳定且无记忆效应的锂电池供电，并采用芯片为传感器节点提供持续、稳定的供电电压。 尽管传感器节点电?采用了节能高效的设计?念，已经从一定程度上降低功耗，使锂电池的供电时间在几个月到几?等。 但为了从?大程度上延长节点使用寿命，只能从保证节点电源强大的续航能?出发，以?适应煤矿井下严峻的工作环境。 因此，选择合适的电源管?芯片是设计传感器节点的一个重要环节。 采用美国公司生产的先进锂电池管?芯片非常适用于本设计的低成本的锂电池充电器，传感器节点。 芯片通过动态补偿锂电池组内阻来缩短充电时间，当温度超出设定范围时，可自主停止供电状态。 内部集成的恒压恒流器带有高低边电流检测和可编程充电电流，充电状态可以通过具指示灯显示，有自动重新充电、最小电流终止充电和低功耗睡眠等特性。 传感器节点采用电源管?芯片及其外围电?的设计的锂电池充电器，满足了节点硬件的低功耗设计，实现了电源的续航能?，?为有效地延长了节点使用寿命。 软件设计传感器节点的软件设计选择适用于宏晶单片机的主要包括主程序处?模块、硬件初始化开发环境，模块、通信模块、数据采集模块和显示模块设计。 主程序处?模块调用其他模块进?业务逻辑操作；硬件初始化模块初始化液晶单片机寄存器和口、通信模块用于屏接口及无线通信模块相关参数；确定数据收发格式和建立节点间的数据链?；数据采集模块用于传感信号的采集和数据处?；显示模块用于显示采集数据信息和控制台信息。 下面主要对主程序、数据采集程序和通信模块进?介绍。 数据采集模块传感器在规定的采样时间间隔内，对外界环境信号定时采样。 采样时传感器从休眠模式转换为工作模式，采样结束后，返回休眠模式，节省电池电?。 采集的数据信息需包含采样信息和采样信息时间。 由于井下环境恶劣，有可能出现晶振?稳的现象，设计的传感器节点每隔一小时向上位机发出时间同步请求，实现时钟同步。 传感信号通过差分放大、数字滤波和依然转换后，存在误差，误差原因及处?方案如下由于传感元件及各种元器件都会存在电?结构?对称、电气特性对温度变化敏图主程序流程图主程序处?模块开机后，首先进主程序处?模块主要实现以下功能?系统初始化，包括相关变?的初始化、单片机相关寄存器和初始化完成后，从片内读入口初始化等；数据，同时负责管?调用各个子程序，?口处于监听状态，随时与上位机进?通信。 主程序流程如图所示。 传感器节点上电工作后，主要执?下列步骤包括单片机相关寄存器及口的初硬件初始化，始化、相关芯片及有关变?的初始模块初始化、年第期存在零点漂移等现象，长时间工作后影响系统感等特点，读入数据的精度。 本文在软件设计中采用零点补偿的方法，用程序控制单片机先测出无输入时传感器的值，把它存储在单片机存储器内，工作时每一次采集的数据都减去此值，这样就排除了零位误差的影响，提高了测?精度。 该方法既?影响传感器的工作特性，也?增加元器件，简单?，准确可靠。 由于硬件因素的影当信号通过放大器等环节时，响，会?入一些干扰信号。 本文在软件设计中采用算数平均值滤波的方法，避免随机误差对输出值的影响。 对数据信息连续采样次，取平均值为有效采样值。 实践表明，起到了很好的稳定读数的作用。 元件输出增?明显减小，使随着瓦斯浓度的升高，元件在检测较高浓度瓦斯时，呈现较严重的非线性特征。 本文在软件设计中采用非线性补偿的方法，将测?相对变化?数值及相对变化?修正系数存入单片机中，每次校正时，采用单片机进?程序处?，校正元件的输出值，实现了传感器输出值与瓦斯浓度之间的非线性补偿。 发送数据包给上位传感器接收上位机的数据包，机，并协同其他传感器节点进?数据传输。 传感器当瓦斯浓度或其他采集值?超过安全值时，定时向上位机发送数据包，将本机编号、实时时间和采集值发送给上位机。 传感器报警，提当瓦斯浓度或其他信号值超标时，醒井下工作人员及时撤离；并记录采集值和发生时间，将本机编号、采集值和发生时间发送给上位机。 实现与上位机的时钟同步，传感器定时?新时间，当传感器电池电?足或出现其他故障时，应及时向上位机发出充电信息或故障信息。 结语本文设计了一款应用于煤矿井下的?携式安全监测传感器，并从硬件设计和软件设计两方面对其设计?念进?了阐述。 该传感器适用于煤矿井下复杂的监测环境，弥补了矿用单参数传感器功能单一的?足，精确度高、体积小巧、节能高效、成本低廉，可以实现移动监控和组网通信功能，有利于系统的扩展和维护。 该传感器节点的设计将矿井监测与无线通信有机结合起来，对矿井安全和实时监控具有重要意义。 由于本传感器节点依托的无线传感器网络属于一种能源受限的网络，如何优化数据链?层媒体接入控制算法和网络?由算法，以?大限度地延长系统的使用寿命，仍然是一个值得探讨的问题。 参考文献，（），（），（），（）王华忠监控与数据采集（系统及其应用?）京电子工业出版社，毛龙泉煤矿安全监测监控技术煤炭工业出版?京社，刘宏宇（硕士研究生）主要从事嵌入式系统研究。 ）（梅栾芳收修改稿日期通信模块芯片采用基于通信的无线网多跳”网络，它是一种与传统星型、树型等无线络，也称为“网络完全?同的无线网络。 无线网络由设备终端、?由器、网络协调器组成，大?的无线传感器节点相互协同合作，实现数据采集、处?和传输的功能。 传感器节点的人员定位和自组网功能，?有利于矿井安全监测系统的维护和扩展，为井下工作人员提供了安全保障。 网络协调器负责网络的启动和在无线网络中，配置。 任何传感器节点都可以同时作为终端设备和?由器，?由器和终端设备在通信过程中可以相互转换，每一个传感器节点既可以是?