甲烷浓度检测的无线传感器网络节点设计

杨志刚，孟立凡，徐　青

(1．中北大学，仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原　030051；2．中北大学，电子测试技术国家重点实验室，山西太原　030051)

1　多传感器数据融合原理

对于多数的检测系统，使用单个传感器来采集数据，然后对循环采集的N个数据进行均值处理，所得到均值就是系统所获得结果。单个传感器检测系统的测试结果受传感器可靠性影响较大。选用3个甲烷传感器对气体中甲烷浓度进行检测，系统获得3个传感器循环N次采集得到的数据，应用贝叶斯估计的多传感器数据融合方法，对数据进行融合处理，可以有效改善单个传感器可靠性对最终测量结果的影响，提高结果的准确性和系统的可靠性[1-2]。数据融合的基本过程如图1所示。

图1　数据融合基本过程

2　传感器节点硬件设计

传感器网络节点实现对空气中甲烷浓度的采集、处理、通信等功能，节点的硬件设计是实现网络节点的安全性和稳定性的重要保障，而低功耗也是系统设计的要求之一[4]。采用模块化设计，包括数据采集模块、MCU模块、无线通信模块、电源模块等。选用ZigBee RF+MCU的方案，传感器节点的硬件结构如图2所示。

图2　节点结构图

2．1MCU选择

MSP430系列单片机具有超低功耗，采用1.8～3．6 V的低电压，且系统有一种活动模式(AM)和5种低功耗模式(LPM0～LPM4)，同时数字控制振荡器(DCO)使得从低功耗模式到活动模式的唤醒时间小于6 μs；采用目前流行的精简指令集(RISC)结构，具有强大的处理能力；集成了较丰富的片内外设。可靠性能好，加强电干扰运行不受影响，适应工业级的运行环境。

选择MSP430F149作为微控制器，它集成了多种功能模块：片内精密硬件乘法器、2个的16位定时器；一个8路外部通道的12位模数转换器；串行通信接口(USART)异步UART及同步SPI接口；6路P口，在线对单片机进行调试和下载，且在线仿真；60 KB+256 B Flash Memory ROM，2 KB RAM等。

2．2甲烷检测

甲烷检测采用催化燃烧原理的甲烷传感器，其原理是：利用甲烷在载体催化元件上发生氧化燃烧，产生热量并引起电阻值的变化，然后利用转换电路实现甲烷浓度值的测量[4]。选用MJC4/3．0L型甲烷传感器，其检测元件和补偿元件配对组成电桥的2个臂，遇到瓦斯等可燃性气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压变化，该电压变量随其他浓度增大而呈正比例增大，补偿元件起参比及温湿度补偿作用，路桥输出电压呈线性，响应速度快，具有良好的可重复性，元件工作稳定，可靠。传感器信号采集及调理电路如图3所示，通过更改电位器R1的阻值更改电路的放大倍数，使输出的电压范围在0～2．5 V之间。

使用MSP430自带的8路外部通道的12位A/D转换器，选择通道A0、A1、A2对3路甲烷检测信号同时采样，3路传感器调理电路的输出分别与单片机P6．0/A0、P6．1/A1、P6．2/A2相连。内部集成的A/D转换模块具有内部参考电压发生器，可以产生1．5 V 、2．5 V的基准电压，设置2．5 V 的内部参考电压为A/D的参考电压VREF+，而VREF-接地，则A/D的输入信号范围为0～2．5 V．

图3　传感器信号采集及调理电路

2．3无线通信模块

ZigBee是具有短距离、低速率、低功耗、低成本和低复杂度等特点的无线传输技术，由IEEE802．15．4和ZigBee联盟共同制订完成。ZigBee协议采用2．4 GHz ISM频段时，传输速率为250 kb/s，传输距离为10～75 m；ZigBee的协议架构由用户层、应用层、网络层、MAC层和物理层组成[5]。

节点中的无线通信单元采用无线收发芯片CC2420，它基于Smart RF03技术。CC2420是一兼容2．4 GHz IEEE802．15．4标准的射频收发芯片，专为低功耗和低电压无线应用所设计。 图4是无线通信模块与MSP430单片机连接电路，CC2420 与MCU之间通过SPI接口通信：SCLK 为SPI时钟信号；CSn为片选信号，低电平有效；SI为SPI输入；SO为SPI输出。另外采用6个I/O 口控制CC2420以及接收CC2420状态信号：VREG_EN启动CC2420的电压调整器使其正常工作，高电平有效；RESETn用于复位，低电平有效；FIFO指示接收缓冲区RX FIFO 是否为空；FIFOP 指示是否超过接收缓冲区RX FIFO 的临界值或者收到新的数据包；SFD 为当发送或者接受帧起始分隔符SFD ( Start of Frame Delimiter)时为高，当发送或接收数据包时为低；CCA指示信道是否为空闲，若空闲则为高电平。无线传输过程：

(1)使CSn变低，这是为了告知CC2420新的SPI通信周期开始了。

(2)在芯片“被选”以后，开始驱动SCLK时钟信号。SCLK不需要用固定频率驱动并且可以有一个可变的服务周期。在SCLK信号上升沿，CC2420对SI、SO上的数据进行取样。在SCLK信号下降沿，如果SO的操作模式是输出，CC2420将改变SO上的数据。

(3)当这一周期完成时，停止SCLK的驱动并将CSn信号变高。

图4　无线通信模块与MSP430单片机连接电路

2．4数据存储模块

为使数据采集系统能记录较长时间的被测物理量，数据存储器应具有较大的容量和较低的功耗[6]。系统采用 SanDisk 公司生产的 SD 卡(容量 2 G)，SD 卡具有高容量、高性能和安全性高等特点，其工作电压为 2．7～3．6 V．SD 卡工作在 SPI模式，其 SPI接口利用 SD 卡的 CS、SCLK、DATAI．、DATAOUT 与 MSP430 进行通信，其中DATAI．和 DATAOUT 是数据的输入和输出信号线，CS 是 SD 片的片选信号线，在整个SPI操作过程中，CS 必须保持低电平有效，SCLK 是外部控制器提供的时钟信号，SD 卡与 MSP430F149的接口电路如图5 所示。数据采用FAT16文件系统的格式存储于SD卡上，文件系统在SD卡上的表现形式为．txt文本文件的格式，用户能够很容易地取出SD卡，使用SD读卡器在PC机上查看或者拷贝存储历史数据的文件。

图5　数据存储模块与MSP430单片机连接电路

2．5电源模块

兼顾到有稳定电源和采用电池供电两种工作方式。外部输入电源直接由有线电源供电，非电池供电时输入电压为3．3 V，电池供电采用2节1．5 V电池，每组电源都能够单独关闭[7]。电路结构如图6所示。

图6　电源结构

3　软件设计

传感器节点负责数据采集和上传任务，节点在正常状态和休眠状态间进行切换，其中工作时间和休眠周期由网关节点控制并实现同步，软件设计考虑协议栈和应用程序的实现，并采用低功耗工作模式。采集和整个软件系统分为初始化、入网、命令处理、数据采集等部分，其工作流程图如图7。

图7　传感器节点软件流程

传感器节点的软件设计采用模块化程序设计，包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。主程序首先完成初始化工作，初始化包括配置时钟，配置单片机ADC12的寄存器，SD存储FAT16文件系统的初始化，配置无线通信模块等。初始化后定时采集数据，当中断产生时，启动 A/D，采集完成后存储在片内Flash中，然后对数据进行数据融合处理，得到甲烷的浓度值，并以．txt文件的形式存储在SD卡内，如果测量值高于瓦斯上限则报警，完成以上工作中断返回，数据采集流程如图8所示。利用单片机内部的定时器产生准确的时间延迟，每隔一定时间就对处理对象进行采样，且计数时不占用CPU的时间。

4　结论

节点采用多个甲烷传感器对同一位置空气中甲烷浓度进行检测，对MSP430单片机采集的数据，应用贝叶斯估计的多传感器数据融台方法，充分利用了先验知识，降低传感器故障对检测系统的影响，提高检测的准确性和可靠性。系统通过片内定时器每间隔一段时间进行采集甲烷浓度的检测，并把此次检测的结果通过ZigBee无线网络发送到监控中心和把此次结果存储在SD存储卡内，在其他时间系统处于低功耗睡眠状态，实现系统低功耗。若空气中甲烷浓度超过设定值时，将进行报警，监控中心及时给出必要措施。该传感器网络节点安装方便，功耗低，造价低，对预防由于甲烷含量过高而引起的事故有很好的应用前景。

图8　甲烷数据采集流程图

参考文献：

[1]林孝工，刘月棠，王宏建．多维置信距离方法的研究．自动化技术与应用，1997，16(3)：33-35．

[2]张晓东，施云．基于Bayes信息融合的几何产品测量不确定度评定方法．中国仪器仪表，2010(3)：67-70．

[3]李剑，姚金杰．无线振动传感器网络节点设计．仪表技术与传感器，2011(10)：25-31．

[4]孙忠坦，刘福强．煤矿常用甲烷检测仪器的校准和管理．山东煤炭科技，2009(1)：150-151．

[5]吴琼．基于甲烷监测的无线传感器网络节点的硬件设计．仪表技术与传感器，2012(8)：239-241．

[6]蔡巍巍，汤宝平，黄庆卿．面向机械振动信号采集的无线传感器网络节点设计．振动与冲击，2013，32(1)：73-77．

[7]虞致国，魏斌，万书芹，等．面向多传感器模块接入的低功耗无线传感器节点．电子与封装，2011，11 (10)：23-27．