基于ZigBee的煤矿数据采集系统设计与实现

张横云

四川科技职工大学计算机系 四川 610101

0 引言

无线数据采集系统既能及时准确地采集煤矿井下指定地点的电压、温度、压力等信息，又能保证巡检人员在现场检测的人身安全。现有的采集系统大多采用预先布线，通过有线方式进行数据采集，主要存在的问题：扩展性差、布线繁琐、不能动态联接随时改变采集地点。为此本文介绍了如何利用射频芯片CC2520与MSP430F2618实现基于Zigbee的无线数据采集系统。

1 系统总体设计

根据一般矿井现场实际需要，按照ZigBee技术，在坑道顶部设置ZigBee节点，由这些节点执行组网、感知、采样和初步的数据处理任务。为了避免井下复杂环境对无线信号的干扰，所有ZigBee节点使用的都是抗干扰的直序扩频通信方式，而且每个节点都有接收信号强弱指示功能（RSSI）。为了保证ZigBee网络通信的可靠性，在布置ZigBee节点时，应使每个节点要一对多进行通信。另外，矿井安全检测人员也可携带ZigBee节点作为移动节点，这些移动节点将自身信息发送到固定的ZigBee节点上，再借助固定的ZigBee节点将自己的信息传送到地面的控制中心。为了确保通信的可靠性及减轻可能的网络数据传输流量，每个坑道的ZigBee网络，除了自身通过无线方式与控制中心相连接以外，还可在适当的地方与有线网络相接，以保证和控制中心通信的可靠性（如图1所示）。

2 系统硬件设计

数据采集系统MCU采用先进的MSP430F2618嵌入式单片机作为核心部件，通过CC2520与采集节点进行数据通信，并将数据采集结果在LCD液晶屏上显示。数据采集节点主要是将捕捉的现场信号经转换器ADC采样、量化、编码后，变成数字信号传给MCU，并无线发送数据，MCU的主要工作是接收数据信息、进行数据采集节点管理、数据处理和数据管理，系统结构如图2所示。

图1 基于ZigBee的矿下无线采集系统结构框图

图2 ZigBee节点架构

MSP430F2618是TI公司推出的最低功耗16位通用高性能微控制器家族的五个最新产品系列之一。该器件集成了高达120KB的程序存储器，并支持20位地址字，因此将总体可寻址存储容量提升至1MB，从而支持更复杂程序的开发。另外还包括三通道直接存储器存取DMA，八通道12位ADC与双通道12位DAC等。通用串行通信接口（UCSI）能通过灵活的标准实施方案来缩短开发时间。

CC2520是TI公司的第二代的ZigBee RF收发器，主要用于2.4GHZ的ISM频段。CC2520可工作高达125度，可提供极好的灵敏度和共存性能，有极好的连接性能和可低电压工作。此外，CC2520支持帧处理，数据缓冲，突发传输，数据加密，数据鉴权，空闲频道检测，连接质量指示以及帧定时信息等，从而降低了主控制器的加载。

3 系统软件设计

系统软件中包括数据采集，数据显示和数据传送等功能。系统初始化阶段，以串口1为控制接口，串口2为ZigBee模块的接口。主程序启动后，当串口1监测到采集指令时，通过串口2配置ZigBee模块以建立无线通信链路；启动A/D转换器，将前端传感器反馈到对应的模拟电压信号转换为可以直接处理的数字信息。软件流程图如图3所示。

图3 软件流程图

4 测试

系统测试环境是学校室内走廊，气温约15度，节点输出功耗-27dbm。多个ZigBee模块，USB连接线和计算机终端设备。对系统进行了点对点通信测试和组网通信测试，并对传感器模块进行了测试。传感器模块测试主要包括采用标准甲烷气体对瓦斯浓度采集模块的测试以及温湿度模块的测试。由于井下瓦斯的主要成分为甲烷，在瓦斯浓度采集模块的测试过程中，可采用纯净甲烷（99.99%）作为标准气体，使用玻璃试验装置来检验瓦斯浓度采集模块能否正常工作，而在温湿度模块的测试中检验通信接口和时序是否工作正常即可。如图4所示是瓦斯浓度采集模块的测试试验结果，ZigBee节点采集的差分电压值Vd（mV）与甲烷浓度值（Vol%）存在基本线性的关系，能正常工作。

图4 瓦斯浓度采集模块试验结果图

5 结束语

本系统通过CC2520+MSP430F2618实现了无线数据采集系统功能，可同时对多个区域进行监测，安装维护简单。通过软硬件联调，可实现数据发送与接收，并实现简单的数据统计与显示，通过串口可以将数据上传至上位机，网络组网及路由效果良好。

[1]吴呈瑜.基于ZigBee的煤矿瓦斯监测系统的研究与实现[D].中北大学.2008.

[2]CC2520专题[EB/OL].http://www.c51rf.com/download/CC2520.aspx.

[3]MSP430专题[EB/OL].http://www.c51rf.com/download/MSP430.aspx.

[4]万志平，金永敏，杨亦红.基于ZigBee的无线数据采集系统的设计[J].信息技术.2009.

[5]邵清亮，武卫东，李轩.基于Adhoc网络的矿下无线数据采集系统设计与实现[J].沈阳航空工业学院学报.2005.

[6]陈丹阳.基于Zigbee的瓦斯浓度采集系统的研究与实现[D].西安科技大学.2008.