矿山瓦斯无线传感网络控制系统(编辑修改稿)

矿山瓦斯无线传感网络控制系统(编辑修改稿)内容摘要：

L C D _D 2L C D _D 3L C D _D 4L C D _D 5L C D _D 6L C D _D 7L C D _EL C D _R SL C D _R W1KR5S1D S 2D S 1510R6510R712Y1K E Y _1K E Y _2K E Y _3K E Y _4O U T _1O U T _2O U T _3DQR X DT X D 图 33 最小系统图 瓦斯 传感器：本部分的主要作用是用传感器检测 并采集 模拟环境中的 瓦斯 信 号，再把电流信号转换成电压信号，使 用 A/D 转换器将模拟电压信号转换成单片机能够进行数据处理的数字电压信号， 以上过程都在瓦斯传感器内部完成。 图 34 传感器 节 点硬件结构示意图 串口通信：串口通信的主要功能是完成单片机与 传感器以及与蜂鸣器之间 的通信，便于进行 瓦斯超标报警系统设 计 ， 为将来系统功能的扩展做好基础工作。 本设计采用 RS232 串行接口来完成单片机与 PC 机的数据传输。 在 RS232C标准中，收发信号中的“ 0”为＋ 3V～＋ 15V，“ 1”为－ 3V～－ 15V，但单片机采用的是正逻辑的 TTL 电平，所以需要通过 专用芯片 MAX232C 实现 EIA 电平与 TTL 电平转换。 1234567891110J1C 1+1VDD2C 13C 2+4C 25V E E6T 2O U T7R 2I N8R 2O U T9T 2I N10T 1I N11R 1O U T12R 1I N13T 1O U T14GND15V C C16U1M A X 23 2C P E1uFC61uFC11uFC21uFC4V C C1uFC5R X DT X D 图 35 串口通信硬件连接图 传感器 传感器 模块 单片机 处理器 模块 无线通 信模块 射频 芯片 能量供应模块 11 无线 模块单元 ： 主要实现信号的接收和发送功能， 在发送端对信号进行编码，接收端对信号实现解调。 不同于传统的接收与发送模式的是不仅仅局限于有线的传输，无线传输能够渗透到各个角落，使得信号的传输更加有效， 全天候不间断的对井下瓦斯浓度进行监测 ， 同时采用报警系统，一旦瓦斯超标，系统立即提醒正在井下作业的工人紧急撤离，避免人员伤亡。 电源系统单元：本单元的主要功能是为单片机提供适当的工作电源，同时也为其他模块提供电源，在本设计当中，电源系统输出 +5 V 的电源。 瓦斯传感器 设计 瓦斯传感器的原理： 瓦斯传感器是为了在地下采矿区检测瓦斯气体的浓度而设计的，其主要工作原理是利用介于电桥桥臂之间的热催化元件 (黑白元件 )在瓦斯气体的作用下发生无烟燃烧，引起元件温度升高，阻值增大，使原来平衡的电桥失衡，导致桥路输出电压变化，该电压与瓦斯气体浓度成正比，通过测量此电压可以达到测量瓦斯气体浓度的目的。 该 单元 以单片机 AT89C52 为核心，包含甲烷浓度采样器、把 220V 的交流电转换成 5V 的直流电源、红外遥控系统、 存储器的扩展、 LCD 显示器和报警装置等组成。 该传感器可以有效的监测井下低浓及高浓瓦斯，试用范围非常广泛。 监测到的信息传输到单片机，经单片机处理后发出指令，如果瓦斯超过规定值，该系统可以立即发出声光报警并自动发出执行指令以降低瓦斯浓度。 单 片 机存 储 器数 据 显 示红 外 遥 控信 号 输 出电 压 比 较 器瓦 斯 检 测 电 路脉 宽 控 制 电 路锯 齿 波 发 生 器信 号 适 配 通 道稳 幅 电 路声 光 报 警图 36 原理框图 瓦斯传感器采用的是中船重工第七一八研究所研制的 MJC4/ 载体催化元件。 MJC 系列载体催化元件是用于对空气里可燃气体进行检测的，可以对瓦 斯（天然气）、煤气、液化石油气等多种可燃气体进行检测，属于 广谱气敏元件。 该传感器可以对 1100%LEL 浓度的气体进行检测，适用于煤矿 04%浓度的环境监测。 该传感器可以布置于固定节点，也适用于移动节点。 表 31 MJC4/ 技术参数 工作电压（ V） 177。 工作电流（ mA） 110177。 10 灵敏度（ mV） 1%甲烷 20~40 1%丁烷 30~50 1%氢气 25~45 线形度（ %） ≤ 5 测量范围（ %LEL） 0~100 响应时间（ 90%） 小于 10 秒 恢复时间（ 90%） 小于 30 秒 使用环境 40~+70℃低于 95%RH 储存环境 20~+70 ℃低于95%RH 外形尺寸（ mm） MJC4/: 14 19 MJC4/ 载体催化元件是由一个检测元件（黑元件）与一个补偿元件（白元件） 组成。 图 37 载体催化元件电路 13 该电路是一个惠斯通电桥，在空气中没有可燃气体的时候，可以通过可变电阻 R0 进行调零，将输出电压调为零。 当该电路检测到空气中有可燃气体的时候，检测元件 D 上就会有无氧燃烧，产生的热量改变检测元件的电阻，使得电桥的输出电压与可燃气体的浓度成正比。 瓦斯传感器模块的电路如图 38 所示 . 图 38 瓦斯传感器电路图 输出的检测电压分别与 CC2430 的 P0_0 及 P0_1 引脚连接，作为差分电压输入。 MJC4/ 的工作条件是：工作电压为直流 177。 ，环境温度 0℃ ~40℃，温度不高于 95%RH（ 25℃），气压 80~116kPa。 适合于井下工作。 无线传输模块的设计 ZigBee 是一种短距离、低速率、低功耗、低成本和低复杂度的双向无线通信技术，它工作于无需注册的 2． 4GHz国际免费频段 ISM(Industrial ientificMedical Band)． ZigBee 的传输速率为 10kbps~250kbps，传输距离为 10~100m，具有电池寿命长、应用简单、可靠性高及组网能力强等特点．主要适用于无线传感器网、自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。 ZigBee 无线数据传输模块的硬件设计框图如图 39 所示．为了实现无线数据传输模块的硬件基础架构，将硬件设计分为四部分：无线收发电路、电源电路、 JTAG 电路和串口转换电路．在这里，设计了串口转换电路，可以实现 RS232 串口数据转换．因此，可以实现无线模块与 PC 机之间的串口数据通信．无线收发电路是本次硬件设计的核心，而 JTAG 电路主要实现对 CC2430 的编程和测试． 图 39 硬件工作原理图 本次设计的无线通信模块采用射频芯片 CL39。 2430．该款芯片以强大的集成开发环境为支持，内部线路的交互式调试遵从 IDE 的 IAR 环境．它是 Chipcon 公司推出的用来实现嵌入式 ZigBee 应用的片上系统，它支持 2． 4GHz IEEE 802． 15． 4 协议，结合一个高性能 2． 4GHz DsSS(直接序列扩频 )射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的 8051 控制器． CL2430 芯片在单个芯片上整合了ZigBee 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，还包含模拟数字转换器 (～ )C)、几个定时器 (Timer)、 AESl28 协同处理器、看门狗定时器 (Watchdog Timer)、 32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路 (Power On Reset)、掉电检测电路 (Brown Out Detection)以及 21 个可编程 I／ O 引脚。 本次设计的无线收发模块电路包括 CC2430 芯片及其相关外围电路，该芯片只需要配合少数的外围元器件就能实现信号的收发功能．为了实现 节点模块与计算机的通信，设计了 RS232 电平转换电路，这里采用了电平转换芯片 MAX232 15 来实现串口连接．同时，选用了 AH805 升压稳压器，这样就可以将于电池提供的 3V 电压变压至 5V，满足 MAX232 电路的供电．而 3V 电压为 CC2430 模块和JTAG 模块提供稳定电压．此外，这里还设计了一个复位电路，通过复位开关可以进行手动复位，复位电路与 CC2430 的引脚 10 连接，且低电平有效。 在设置串口收发时，设置为串口 0 位置 1，也就是设置串口 I)0． P0． P0． P0． 5 分别用做 RXD、 TXD、 CTS、 RTs， I)0． P0． 5 做接收输入端，P0． P0． 4 为发送输出端．整个 CQ430 模块与计算机的串行信过程如下：计算机将 RS 一 232 串口数据通 据转换成 1yrL 数据，再通过 R10UT 和 I 也 OUT传送到 CC2430；同时， CC2430 通过 I)0． 3 和 I)0． 4 将数据传送给 MAX232，由 MAX232 将 1vrL 数据转换成 RS 一 232 数据，再通过 T10UT 和 T20UT 将数据传送给计算机． ZigBee 协议层机构比较简单，严格讲 ZigBee 协议只包含应用层、网络层及各层的安全机制。 物理层、 MAc 层属于。 但 ZigBee 联盟定义协议时采用了 规范作其底层。 物理层提供了两种类型的服务 :即通过物理层管理实体接口 (PLME)对物理层数据和物理层管理提供服务。 物理层数据服务可以通过无线物理信道发送和接收物理层协议数据单元 (PPDU)来实现。 物理层的特征是启动和关闭无线收发器，能量检测，链路质量，信道选择，清除信道评估 (CCA)，以及通过物理媒体对数据包进行发送和接收。 通信距离范围通常为lcm，可扩大到约 300mI。 ， 4 定义了两个物理层标准，分别是 物理层 和 868/915MHz物理层。 它们都基于 DSSS(DireetSequeneeSpreadSpeetrum，直接序列扩频 )，使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。 915/868MHz 频段是基于差分编码的二进制相移键控(BPSK)。 其中， 868MHz 是欧洲的 ISM 频段，只有 1 个信道，传输速率为 20kb/s。 915MHz 是美国的 ISM 频段，共有 10 个信道，传输速率为 40kb/s。 首先将数据按每 4 位信息比特组成一个符号数据，根据该符号数据，从 16 个几乎正交的伪随机序列 (PN 序列 )中，选取其中一个序列作为传送序列，然后根据所发送连续的数据信息，将所选出的 PN 序列串接起来，并使用 OQPSK 的调制方法，将这些集合在一起的序列调制到载波上。 在 频段总共有 16 个不同的信道为全球统一的无需申请的 ISM 频段，可提供 250kb/s 的传输速率。 有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期从而更加省电。 MAC 层也提供了 两种类型的服务，即 MAC 层管理服务和数据服务。 MAC 层的具体特征是 ： 信标管理，信道接入，时隙管理，发送确认帧，发送连接及断开连接请求。 除此之外， MAC 层为应 用合适的安全机制提供了一些方法。 网络层主要用于 ZigBee 的 WPAN 网的组网连接、数据管理以及网络安全等。 应用层主要为 ZigBee 技术的实际应用提供一些应用框架模型等，以便对 ZigBee技术进行开发和应用。 图 310 所示为 ZigBee 协议的组成，简单描述了所述四层之间的关系。 图 310 ZigBee 协议组成 协议规定，每一个 ZigBee 网络都有一个 16 位网络 ID，用于标示这个网络。 此外每个网络节点都有一个在本网络中唯一的 16 位网络地址，网络节点之间通过网络 ID 和各自的网络地址通信。 ZigBee 技 术中有两种类型的物理设备 ： 全功能设备 (FullFuionalDeviee，FFD)和精简功能设备 (RedueedFuionDeviee， RFD)。 1)全功能设备 FFD 可以担任网络协调者，形成网络，让其它的 FFD 或是精简功能 RFD 连接，FFD 具备控制器的功能，可提供信息双向传输。 附带由标准指定的全部 IEEE802.巧 .4 功能和所有特征，更多的存储器、计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用。 同时也能用作终端设备。 运行一个 FFD 需要约 30KB 系统资源。 2)精简功能设备 RFD RFD 只能传送信息 给 FFD 或从 FFD 接收信息。 通过附带有限的功能来控制 17 成本和复杂性，在网络中通常用作终端设备。 RFD 省掉了内存和一些电路，较低级的处理器和小协议栈有效地降低了 RFD 的成本，同时也降低了能量的消耗。 运行一个 RFD 仅需要 4KB 左右的系统资源。 因此，相比于 FFD 设备， RFD 设备占用更少的系统资源，更有利于系统成本的降低。 无线传输模块设计包括发送与接收两部分，本系统为了提高无线传。