基于无线传感器网络的井下温度监测系统设计.doc

基于无线传感器网络的井下温度监测系统设计 传感器与微系统(Transducer andMicrosystem Technologies)xx年第28卷第4期201基于无线传感器网络的井下温度监测系统设计戴吉,丁恩杰,王昕,赵宗平(中国矿业大学信息与电气工程学院,江苏徐州221008)摘要:针对目前矿井温度监测的现状,设计了一种基于无线传感器网络的矿井温度监测系统,该系统以C2430芯片为核心设计传感器节点,以CC2430和MCP2515设计Sink节点,给出了系统的硬件设计和软件流程。 该系统克服了传统有线网络的局限性,避免了其他无线通信技术高功耗的缺点,简单、可靠、经济,具有很好的应用前景。 关键词:无线传感器网络;温度监测系统;井下:TP212:A:1000-9787 (xx)04-0102-03Design ofcoal mine temperature measurement andmonitoring system based onwireless sensorworksDA IJi,D ING En2jie,WANG Xin,ZHAO Zong2ping(School ofInformation andElectrical Engineering,China University ofMin ingand Technology,Xuzhou221008,China)Abstract:In viewof thecurrent statusof miemperature monitoring,a temperaturemeasurement andmonitoringsystembasedonWSNs isdesigned.The sensor node ofthe systemis mainlydesigned byCC2430andthe Sink node isdesigned byCC2430andMCP2515.The designof hardwareand theflowchartof softwareare alsogiven.This systemconquers thedefect ofwired worksand avoidsthe high2energy costof otherwirelesstechnology.This systemis simple,reliable,economic andhas agreat future.Key words:wireless sensorworks(WSNs);temperaturemeasurementand monitoringsystem;coalmine0引言煤矿井下环境恶劣,容易发生各种危险,为了保证煤矿的安全生产,需要适时监测了解煤矿井下的各种情况,包括温度、压力、瓦斯、风速、距离等。 其中,对井下巷道各个关键部位和采煤工作面的温度进行适时监测是保证煤矿安全1。 生产的重要监测项目目前,煤矿环境监控系统大多采用有线和固定传感器组成的网络,这就需要在矿井内铺设通信线路来传递信息。 但随着工作面的不断推进,通信线路的延伸和维护变得复杂起来,一旦通信链路发生故障,整个测控系统就可能瘫痪,严重影响了系统的可靠性。 针对上述问题,本文提出了一种基于无线传感器网络的井下温度测控系统。 该系统提供了模拟和数字2种温度传感器的测温方式,结合了两者的优点,可以根据环境的不同选用不同的测温方式,这样,就使得该系统具有更广泛的应用前景。 1传感器网络结构典型的传感器网络结构如图1所示,传感器网络系统:xx-01-10通常包括传感器节点、中继节点和汇聚节点(Sink节点)。 传感器节点和中继节点完成数据采集和多跳中继传输,Sink节点完成数据的汇集和无线与有线信号的转换,实现以太网接入或者CAN总线接入。 节点以自组织形式构成网络,通过多跳中继方式将监测数据传到Sink节点,最终借助有线网络将整个区域内的数据传送到远程中心进行集中处理2。 图1传感器网络结构Fig1Structure diagram ofW SNs第4期戴吉,等:基于无线传感器网络的井下温度监测系统设计2节点硬件设计2.1传感器节点硬件设计传感器节点硬件框图如图2所示。 电源管理模块负责给传感器节点的各个模块供电;测温模块负责采集所测温度参数,经过前置电路送入处理器(CC2430),处理器处理好数据后经过RF收发器发送给其他传感器节点,在发送/接收数据时,设定指示灯闪烁;调试接口用来进行本地调试。 图2传感器节点硬件框图Fig2Hardware blockdiagramofsensor node2.1.1CC2430芯片CC2430芯片是Chipcon公司提供的一款真正的系统芯片(SoC)CMOS解决方案。 这种解决方案能够提高性能,并满足以Zig Bee为基础的2.4GHz ISM波段应用对低成本,低功耗的要求。 它结合一个高性能2.4GHzDSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一个工业级小巧高效的8051控制器。 CC2430/CC2431芯片延用了以往CC2430芯片的架构,在单个芯片上整合了Zig Bee射频(RF)前端、内存和微控制器。 它使用1个8位MCU (8051),具有32/64/128kB可编程闪存和8kB的RAM,还包含A/D转换器、几个定时器、AES128协同处理器、看门狗定时器,2kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及21个可编程I/O引脚。 2.1.2测温模块为了使测温系统的应用前景更广泛,考虑到电机中预埋置的热电阻,系统采用了2种温度传感器的接入方式,模拟式温度传感器Pt100和数字式温度传感器DS18B20。 1)Pt100温度传感器Pt100温度传感器零度阻值为100,电阻温度系数为0.3851/,是中低温区(-200650)最常用的一种温度检测器。 2)DS18B20数字温度传感器DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。 与传统的热敏电阻器相比,它能够直接读出被测温度,并可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。 可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量,并且,从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要单线接口读写,温度变换功率数据总线,总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电,而无需额外电源4。 本设计为这2种传感器设计了统一的接口,2种传感器可以应用于不同的环境,接入某种传感器时只需要用开关选择一下就可以了。 2.2Sink节点硬件设计无线传感器网络的Sink节点连接传感器网络与外部有线网络,实现2种协议之间的通信协议转换,同时,发布管理节点的监测任务,并把收集的数据转发到外部网络上5。 本文设计了一种无线传感器网络与CAN总线的之间的Sink节点。 同传感器节点一样,Sink节点采用CC2430作为核心,CC2430集成了处理器、存储器和无线射频模块,只要外接一个CAN控制器就可以实现无线传感器网络和CAN总线的协议转换。 为了简化CAN总线接口应用设计,同时,提高CAN总线通信的稳定性和效率,CAN控制器选用MCP2515。 MCP2515是M icrochip公司推出的采用独立CAN控制器的CAN总线控制芯片,它完全符合CAN总线2.0B技术规范,并带有符合工业标准的SPI串行接口。 MCP2515通过SPI接口与CC2430连接,将CC2430设置为主模式,MCP2515设置为从模式,连接示意图如图3所示。 图3MCP2515与CC2430连接Fig3Connection diagramofMCP2515and CC24303系统软件设计软件设计包括了传感器节点的软件设计,Sink节点的软件设计和CC2430驱动程序设计。 3.1传感器节点软件设计这里,温度数据测量选用了2种温度传感器:DS18B20和Pt100,分别编写了2个测温子程序,在主程序中选择调用。 传感器节点主要负责将采集到的数据进行处理,并将这些数据传送给Sink节点,同时,接收Sink节点的数据,并根据这些数据进行相关操作。 当没有数据的发送、接收时,转入休眠模式,使节点功耗降到最低,其工作流程图如图4所示。 3.2Sink节点软件设计Sink节点一方面负责组建无线网络;另一方面,将2个使用不同协议的网络连接在一起,实现2种协议之间的通信协议转换,同时,发布管理节点的监测任务,并把收集的301传感器与微系统第28卷401图4传感器节点程序流程图Fig4Flowchart ofsensornode数据转发到外部网络上。 Sink节点软件流程如图5所示。 图5Sink节点程序流程图Fig5Flowchart ofSinknode3.3CC2430驱动程序设计CC2430驱动程序主要用于完成基于IEEE802.15.4标准的封装和校验,接收时对帧格式进行检测等功能3。 CC2430发射和接收处理的程序设计流程图分别如图6(a),(b)所示。 CC2430有2个用于访问收发FIFO缓存区的2个寄存器:TXFIFO寄存器和RXFIFO寄存器。 处理器需要CC2430发射数据时,首先,通过写TXFIFO寄存器把需要发射的数据包按字节依次写入到发射缓冲区中,然后,写命令选通寄存器STXON或STXONCCA,等待时机从无线信道发射数据。 当CC2430接收到数据包时,会把数据存入接收FIFO缓存区,并改变FIFO和FIFOP引脚状态,处理器通过读RXFIFO寄存器依次读出整个数据包。 图6CC2430发射和接收程序流程图Fig6Flowchart ofCC2430transition andreceiving4测试结果将按上述方案设计的温度监测系统与标准水银温度计进行测温对比实验,水银温度计采用最小刻度为0.1的水银温度计,在0100选取5个测温点,同时读取水银温度计、DS18B20和Pt100的测温值。 实验结果如表1所示,DS测量值表示DS18B20的测量值,Pt测量值表示Pt100的测量值。 表1温度传感器实验结果Tab1Test resultof temperaturesensor标准值()DS测量值()Pt测量值()99.098.7599.2073.172.7573.5048.548.2548.6131.631.5031.7027.827.7527.93从实际测量数据可以看出:所设计的系统的测量误差较小,能够满足使用要求。 测量值与标准值之间的误差主要是由于传感器本身存在误差,网络传输过程中几乎不会引入误差,而且,系统运行稳定可靠。 5结束语针对目前我国煤炭安全生产中监测监控系统存在的不足,提出了一种以单片机为主,基于无线传感器网络的集实时监测、报警、无线通信等多功能于一体的温度监测系统,它充分利用单片机的集成度高、功能强、体积小、功耗低、性能可靠等特点,同时,利用无线传感器网络对监测数据进行传输。 从实际测量数据可以看出:所设计的系统的测量误差较小,能够满足使用要求,系统运行稳定可靠。 参考文献:1李芙玲,郭红.煤矿井下智能温度测量系统的研究J.煤矿机械,xx (8):97-99.(下转第107页)第4期邹红玉:用巨磁电阻式位置传感器测量材料的杨氏模量用巨磁电阻式传感器法测量横梁的弯曲位移变量与钢片杨氏模量计算结果如表2。 表2巨磁电阻式传感器电压输出和对应位置的测量数据Tab2M easurementdata foroutput voltageand positionof giantmago resistancesensorX(mm)27.00027.50028.00028.50029.00029.50030.00030.50031.500Uout(V)0.39880.38970.38090.37240.36410.35600.34820.34060.3332对表2的数据做UoutX曲线,并做数据拟合。 拟合结果为U和X呈线性函数关系,如图5所示。 UoutX函数直线拟合,相关系数为R=0.99945,拟合方程为U=0.83999-0.01638X. (2)用巨磁电阻式传感器法测量横梁弯曲位移拟合值与对应输出电压如表3。 表3砝码质量和用巨磁电阻式传感器法测量横梁弯曲量的拟合值与对应的输出电压值Tab3Data formass ofweight andoutput voltageand fittedvalue ofcrossbeam displacementfor giantmago resistancesensor序号mi(g)Uout(V)Xi(mm)mi+4(g)Uouti+4(V)Xi+4(mm)mi+4-mi(g)Xi=Xi+4-Xi(mm)117.00.365928.942167.00.379228.131150.00.811267.00.370328.673217.00.383627.860150.00.8133117.00.374828.402267.00.388127.590150.00.812图5巨磁电阻式传感器在小磁钢的磁场中电压输出与位置的关系曲线Fig5Relation curveof outputvoltge andposition aboutgiantmago resistancesensor inmagic fieldsmall magicsteel对表3中数据Uout应用式 (2)进行变换,得出表3中的数据X。 对数据X应用逐差法计算:X=Xi/4=0.812mm。 将已知数据带入式 (1),计算钢片杨氏模量为l3m g4h3bXE=(228.310-3)3150.010-39.97304(1.07110-3)321.9410-30.81210-3=199.7GPa.相对误差=200.0-199.7200.0=0.15%.比较横梁弯曲方法和巨磁电阻式位置传感器法测量横梁的弯曲位移变量方法测得的杨氏模量,相对误差分别是0.4%和0.15%。 从结果看,2种方法测得的杨氏模量所引入的相对误差都在允许的范围内。 从测量的过程可以看出:用巨磁电阻式传感器法测量杨氏模量,测量方法过程简便,实用性强。 4结束语本文将巨磁电阻式传感器引入到基础物理实验中,这一改进给基础物理实验引入新装置、新方法和新内容。 巨磁电阻作为位置传感器方法,还可以用于测量水压(气压)缸冲程位置、悬置位置、液面位置等,这种