图1 面向矿井瓦斯监测的ZigBee无线传感网系统组成
徐瑞华1， 王凯敏2
(1.浙江邮电职业技术学院 通信工程学院， 浙江 绍兴 312000;2.中煤科工集团常州研究院有限公司， 江苏 常州 213015)
摘要：针对传统有线传感网在井下进行瓦斯监测存在使用成本高、移动性差及覆盖范围有限等问题，设计了一种面向矿井瓦斯监测的ZigBee无线传感网系统。该系统利用采集节点实时采集井下瓦斯浓度，采用ZigBee协议将瓦斯浓度数据实时传输至汇聚节点，由汇聚节点汇总并传输至嵌入式网关，数据经嵌入式网关解析处理后转发至矿井监控中心,从而实现井下瓦斯监测数据的实时显示。实验结果表明，该系统具有较高的可靠性和较好的实时性, 覆盖范围广。
关键词：矿井瓦斯监测； 无线传感器网络； 瓦斯传感器； 嵌入式网关
无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)[1-3]是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内各种监测对象的信息，并将这些信息发送至网关，具有快速展开、抗毁性强等特点。WSN的出现和发展，将带动传统的煤矿向感知煤矿方向发展，使得煤矿的生产更加智能化、安全化和高效化[4-7]。
当前我国煤矿井下使用着各种各样的传感器，用于监测煤矿生产的运行状态。瓦斯传感器是保证煤矿安全生产的重要传感器之一，但现有大部分的瓦斯传感器采用有线方式布设，存在使用成本高、移动性差[8]及覆盖范围有限等缺点。鉴此，笔者设计了一种面向矿井瓦斯监测的ZigBee无线传感网系统。该系统将矿井中常用的瓦斯传感器和WSN相结合，利用WSN移动性强、实时性好、组网方便等优点，实现对矿井瓦斯监测数据的无线传输，可以作为有线传输方式的补充方案。
1.1 系统硬件组成
面向矿井瓦斯监测的ZigBee无线传感网系统分为2个部分：一部分是采集节点, 另一部分是汇聚节点和嵌入式网关[9-10]。采集节点负责传感器数据采集，其包括CC2530处理器、瓦斯传感器和电源模块。汇聚节点负责转发采集节点的数据，其包括CC2530处理器和电源模块。嵌入式网关负责将汇聚节点的数据信息进行解析处理、存储并转发至监控中心，其包括Cortex-A8 ARM处理器、基于Linux 内核3.0的Android 4.0操作系统和相关外接设备。节点之间采用ZigBee协议进行无线传输。汇聚节点和ARM嵌入式网关之间采用串口进行通信，嵌入式网关与监控中心之间采用RS485总线方式进行数据通信。面向矿井瓦斯监测的ZigBee无线传感网系统组成如图1所示。
图1 面向矿井瓦斯监测的ZigBee无线传感网系统组成
1.2 采集节点硬件设计
采集节点采用CC2530芯片。CC2530 是基于2.4 GHz IEEE802.15.4和ZigBee协议的芯片，其特点是以极低的材料成本建立较为强大的网络节点。CC2530结合了RF 收发器、增强型8051 CPU、系统内可编程闪存、8 kB RAM 和许多其他模块的强大功能，具有多种运行模式，能满足超低功耗系统的要求。同时CC2530运行模式之间的转换时间很短，使其进一步降低了能源消耗。
采集节点的传感器使用MQ-6瓦斯传感器，该传感器采用10～60 kΩ气体敏感电阻，工作温度为(20±2) ℃，相对湿度为65%±5%。MQ-6瓦斯传感器硬件连接电路如图2所示，当检测到气体时，MQ-6瓦斯传感器的电导率会发生变化，通过调节滑动电阻器(R18)的阻值来改变输出电压，以便CC2530能检测到输出信号，从而做出相应的判断。MQ-6瓦斯传感器的引脚6为输出引脚，C27为滤波电容。
无线传感器节点具有移动性强的特点，因此，需要进一步考虑节点的供电问题[11]。考虑到井下工作的连续性，本文采用可充电的大容量锰酸锂电池为传感器节点供电，锂电池工作电压为3.2～4.2 V。CC2530本身功耗较小，工作电压为3.3 V，供电电压为2～3.6 V，采用稳压芯片LM1117L3即可输出3.3 V供电电压。节点主要功耗来自MQ-6瓦斯传感器，传感器工作电压需要5 V左右，而锂电池的输出电压无法达到5 V，因此，需要升压稳压芯片SX130进行升压输出。节点供电电源硬件框图如图3所示。
图2 MQ-6瓦斯传感器硬件连接电路
图3 节点供电电源硬件框图
1.3 嵌入式网关和汇聚节点硬件设计
嵌入式网关设备硬件采用Tiny 220开发板，该开发板CPU处理器采用S5PV210，基于Cortex-A8，运行主频为1 GHz，内置PowerVR SGX540高性能图形引擎。其存储空间包括512 MB的RAM和512 MB NAND Flash，外部接口支持2个串口：JTAG接口和USB接口。2个串口分别用于CPU和汇聚节点、CPU和监控中心通信。LCD支持触屏操作，用于Andorid程序显示和输入。汇聚节点负责对采集节点的数据进行转发，其采用CC2530，通过RS232串口通信方式与ARM处理器进行数据交互。嵌入式网关硬件组成如图4所示。
图4 嵌入式网关硬件组成
系统软件设计包括采集节点、汇聚节点和嵌入式网关的程序设计3个部分。采集节点程序用于数据的采集和发送，汇聚节点程序用于转发采集的数据至嵌入式网关，嵌入式网关程序用于数据的存储、解析和转发。
2.1 采集节点程序设计
采集节点程序流程如图5所示。采集节点首先进行初始化，然后启动定时器，通过计时中断方式读取图2中P0_0端电平，如果P0_0端为高电平，则说明传感器有数据，CC2530读入传感器数据。采集节点根据路由信息判断是否可以发送数据，如果可以发送数据，会从路由信息中获取目的地址等信息，然后调用Z-STACK协议栈的函数SendData()来完成数据的发送，发送成功后返回1。
图5 采集节点程序流程
采集节点传感器数据读取关键代码如下：
float Read_gas( ) { float result; float n; uint16 U; uint16 m; P0DIR=0;//定义P0口为输入口 ADCIF=0;//中断转换标志位 ADCL=0x00; ADCH=0x00; ADCCON3=0xA0;//参考电压选为3.3 V电源电压 while ( !ADCIF ); //等待 U=ADCL; m=ADCH; U|=m<<8;//把存储结果转换为十进制数据 U>>=6; result=(U*3.3)/512;//计算实际电压值 if (result>2.0) result =1.0; else result=0.0; return result;}
2.2 汇聚节点程序设计
汇聚节点程序流程如图6所示。汇聚节点采用CC2530,以串口方式与嵌入式网关设备的串口1进行连接。汇聚节点首先进行初始化，扫描无线信道内的数据通信帧，等采集节点加入网络后，建立相应的路由信息。汇聚节点向已加入网络的采集节点发送握手命令，如果汇聚节点收到采集节点的握手反馈消息，则握手成功，采集节点可以上传数据至汇聚节点。反之，汇聚节点继续定时发送握手命令，直到收到反馈消息为止。
图6 汇聚节点程序流程
2.3 嵌入式网关程序设计
嵌入式网关采用Android操作系统和JAVA开发语言设计，主要功能包括界面显示和数据接收、发送及解析处理，通过调用底层封装库函数进行双串口通信：RS232和RS485通信,RS232用于嵌入式网关与汇聚节点之间的短距离通信，RS485 用于嵌入式网关和监控中心之间的长距离可靠通信。
为了验证面向矿井瓦斯监测的ZigBee无线传感网系统的ZigBee网络传输的实时性和可靠性，本文对ZigBee网络传输性能进行了实验测试和分析，以不同节点数量和不同传输距离进行了网络传输时间和可靠性的测试。在实验中，以200帧/s的速率传输数据帧，在汇聚节点对采集节点发送的每一个数据帧的传输时间进行测试统计。ZigBee网络性能对比如图7所示。随着加入网络的节点增加，导致在汇聚节点接收数据的时间增加。另外传输距离的增加，也会导致传输时间的增加。从输出时间可以看出，本系统的传输时间保持在毫秒级，可以较好地满足实时性需求。从每一个数据帧都能可靠传输至汇聚节点可以看出，本系统也能满足可靠传输的需求。
面向矿井瓦斯监测的ZigBee无线传感网系统利用WSN移动性强、实时性好、组网方便等优点，实现了对矿井瓦斯的实时监测，在环境恶劣、不易布线的井下,可以作为有线瓦斯传感器的补充，有效解决了有线瓦斯传感器移动性不佳和成本过高的问题。测试结果表明，该系统具有较高的可靠性和较好的实时性，覆盖范围广。
图7 ZigBee网络性能对比
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Design of ZigBee wireless sensor network system for mine gas monitoring
XU Ruihua1, WANG Kaimin2
(1.Department of Telecommunication Engineering, Zhejiang Post and Telecommunication College, Shaoxing 312000, China; 2.CCTEG Changzhou Research Institute, Changzhou 213015, China)
Abstract：In view of problems of high cost, poor mobility and limited coverage of mine gas monitoring adopted by wired sensor network, a ZigBee wireless sensor network system for mine gas monitoring was designed. Sampling nodes are used to collect underground gas concentration real-timely, the collected data is transmitted to sink nodes with ZigBee protocol.After the data is gathered by the sink nodes, it is transmitted to embedded gateway. At last, the data processed by the embedded gateway is transmitted to mine monitoring center, so as to realize real-time display of mine gas concentration. The experimental results show that the system has high reliability, good real-time performance and wide coverage area.
Key words：mine gas monitoring; wireless sensor network; gas sensor； embedded gateway
文章编号：1671-251X(2017)05-0068-04
DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2017.05.017
收稿日期：2016-11-18；
修回日期：2017-03-21；责任编辑：张强。
基金项目：浙江省教育规划项目(2016SCG375)。
作者简介：徐瑞华(1982-)，男，浙江诸暨人，讲师，硕士，主要研究方向为信号系统与处理，E-mail:xrhsx11@126.com。
中图分类号：TD67
文献标志码：A
网络出版：时间：2017-04-25 18:20
网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20170425.1820.017.html
徐瑞华，王凯敏.面向矿井瓦斯监测的ZigBee无线传感网系统设计[J].工矿自动化，2017,43(5)：68-71.