基于嵌入式ZigBee 的瓦斯监控系统的设计

顾荣荣，任 萍，郝 伟

(安徽理工大学计算机科学与工程学院，安徽淮南 232001)

目前，瓦斯灾害依然是煤矿安全生产的大敌，也是实现高产高效工作面、推广新技术和新设备的严重障碍。大多数煤矿瓦斯监测系统采用有线和固定传感器组成的网络，其缺点是:矿井结构复杂，造成通信线路的铺设和维护困难;固定传感器的接入方式，不符合掘进工作面动态延伸的变化要求;固定监测点，容易出现监测盲区。无线传感器网络技术为解决当前瓦斯监测的难题提供了有效的技术手段，其以无线通信的方式形成了一个多跳自组织网络，弥补了有线设备的不足。本文提出了一种基于嵌入式ZigBee 的瓦斯监测系统的设计。

1 系统整体结构

本监测系统主要分为信号采集、信号传输和信号处理3个部分(图1)。

图1 系统结构图

信号采集部分由分布在监测区域的无线传感节点构成，负责采集和预处理区域内瓦斯浓度的数据信息，并通过无线通信模块将数据发送出去。信号传输部分中由ZigBee中心节点负责将所有传感节点采集的数据汇聚起来，通过工业以太网传输到现场监控中心。信号处理部分由PC 主机实现，负责对传送来的数据进行分析处理，根据数据处理的结果，对传感网络发出相应的指令。

2 传感器节点的设计

该系统的无线瓦斯传感器节点由微处理器、传感器模块、无线通信模块和电源模块4个部分组成。

2.1 处理器模块

处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理自身采集的数据以及其他节点发来的数据。核心处理器采用PHILIPS 公司推出的功能强大、超低功耗的32 位微控制器LPC2478。它具有丰富的片上资源，完全可以满足一般的工业控制需要，同时还可以减少系统硬件设计的复杂度，提高系统的稳定性，也便于后期的软硬件的升级和扩展。把无线传感网络技术和基于ARM 的微控制器的控制技术结合起来，可以实现高可靠性、高稳定性和实时准确的瓦斯监测网络系统。微处理器功能如图2所示。

图2 微处理器功能图

2.2 传感器模块

传感器模块负责监测区域内对瓦斯气体浓度的采集和数据转换。瓦斯传感器的工作原理是利用热催化元件在瓦斯的作用下发生燃烧，引起元器件温度升高，导致阻值变化，从而导致电压发生变化，通过测量电压就可以检测到瓦斯浓度的变化。本文选用LXK－6 催化元件，它是一种广谱性的气敏元件，具有结构简单、灵敏度高、稳定性好、低功耗等优点，适用于井下瓦斯浓度的检测。

2.3 无线通信模块

无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据。该模块采用的是CC2430，CC2430 结合了一个高性能的2.4GHz 射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051 控制器，具有8Kbyte 的RAM 及强大的外围模块，简化了外围电路的设计，该芯片十分适合需要超低功耗的系统。

2.4 电源模块

在无线传感网络中，电源模块为传感器节点提供运行所需的能量，选择良好的电源模块对整个网络而言至关重要。该模块采用电池供电和外部辅助供电两种供电模式，当没有外接辅助电源时，由电池供电，当外接辅助电源时，由外接电源供电。选用型号为PAM2400 的稳压芯片，其具有超低功耗、封装最小化等特点，可以将电压稳定在3.0V，提高了电源的使用寿命。

3 传感器节点的软件设计

3.1 传感器节点的通信设计

传感器节点的主要任务是监测井下的瓦斯浓度，将采集的数据发送到ZigBee中心节点。为了降低能耗，传感节点在不需要采集或者收发数据时，处于休眠状态。如果节点需要正常工作时，它会被唤醒，处于工作状态。工作完毕后，节点再次进入休眠状态。节点的工作程序流程如图3所示。

3.2 ZigBee中心节点软件设计

ZigBee中心节点负责组建无线网络，管理传感节点并接收其发送来的数据，实现无线网络和通讯网络之间的连接，把接收来的瓦斯浓度信息转发至监控中心。其工作程序流程如图4所示。

4 结语

本文设计的基于嵌入式ZigBee 模块的瓦斯监控系统，将无线传感网络技术和基于ARM 的微控制器的控制技术相结合，克服了目前瓦斯监测系统存在的铺设通信线路投资大、维护困难、监测存在盲区等缺点，实现了对煤矿采场瓦斯浓度的连续、实时、快速监测，并且组网灵活，成本低，可靠性强，系统维护量低，能够更好地适应采场工作面的动态延伸，为安全生产提供了可靠的保证。

图3 传感器节点的工作流程图

图4 ZigBee中心节点工作流程图

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