基于CC2630的低成本井下监测系统研究

宋珍伟, 李莉, 黄友锐

(1.南通科技职业学院，江苏 南通 226007；2.安徽理工大学，安徽 淮南 232001)



基于CC2630的低成本井下监测系统研究

宋珍伟1, 李莉1, 黄友锐2

(1.南通科技职业学院，江苏 南通 226007；2.安徽理工大学，安徽 淮南 232001)

针对大中型煤矿监控系统成本高功耗高的问题，基于ZigBee网络无线传感技术提出了一种低成本监控系统的设计方案，详细阐述了CC2630协调器节点与终端节点硬件电路设计方案与软件控制流程，实现了通过LabView主控制界面对井下环境数据实时采集与控制的功能，并给出了测试结果。测试结果表明系统具有良好的稳定性、较远的无线传输距离以及较低的成本。

LabView; 监控;CC2630;传感器；ZigBee；矿井

0 引 言

矿井中的有害气体统称为瓦斯，主要成份为甲烷，煤矿事故80%以上发生在高瓦斯或有突出危险的矿井，而又以瓦斯爆炸事故为主，因此有必要对甲烷、一氧化碳等有害气体进行随时监测[1]，当前相当部分的中小煤企井下监控及信息处理手段落后，对于井下环境数据不能有效地监测与综合处理。因此,针对中小矿井引入一种低成本的监测系统，提高中小矿井的整体监测水平。本文针对瓦斯以及与矿工生命行为密切相关的温湿度、氧气量等环境参量进行实时有效监测，基于CC2630开发井下环境监测系统。

1 整体方案设计

图1 总体结构图

有线方式井下环境监测系统,布线困难，系统可扩展性较差，相比无线技术则具有非常大的优势，避免了重复布线的麻烦又能够适应移动变化的工作现场，降低了成本提高数据传输效率[2]。本系统由上位机监控中心、协调器节点与传感器节点三部分构成，基于ZigBee无线技术，以CC2630协调器节点为中心组建拓扑结构网络。传感器节点分布在各个区域， 负责采集甲烷、CO、氧气、温湿度等参量，并将数据以无线的方式发送给协调器节点，CC2630协调器节点负责接收传感器数据信息，并把接收到的信息通过串口发送函数发送到上位机监控中心，上位机监控中心主要完成数据的集中处理与集中控制的功能(如图1所示)。

2 硬件电路设计

2．1 协调器节点

图2 协调器节点框图

协调器节点以CC2630为控制核心，主要负责建立ZigBee网络、调度各传感器节点、发送和接收指令并通过串口通信模块与PC上位机进行数据通信，如图2所示。CC2630具有较高的接收灵敏度和优异的抗干扰能力；具有超低的功耗；集成了强大的32位ARM Cortex-M3微控制器；128 kB系统可编程内存以及8 kB RAM,具备在各种供电方式下的数据保持能力；强大的5通道DMA功能，MAC定时器以及4个32位定时器；具有可配置的12位ADC以及最高多达31个的通用I/O引脚，CC2630能够以非常低的成本建立强大的网络节点。CC2630集成了32位ARM Cortex-M3 处理器，与主处理器工作频率同为 48 MHz，具有强大的数据处理能力，仅需要很少的外部器件就能够扩展一片CC2592模块，协调器节点主要由串口通信模块、LED显示模块、电源模块以及CC2592射频前端构成，如图2所示。LED模块主要是用来显示ZigBee网络连接的状态；CC2592射频前端用来提高信号发射功率以及增强接收机灵敏度；串口通信模块主要是负责将收集到的数据通过串口上传到上位机。

2.2 传感器终端节点

图3 传感器节点框图

传感器节点主要负责区域内甲烷、一氧化碳、氧气、温湿度等参数数据的采集、处理与发送[3]。终端节点设计上要尽可能的高度集成，便于矿井工人携带；具有较低的功耗，要能够使用电池供电，在无人值守的地方要能够长时间稳定的工作；具有较强的数据处理能力，保证数据传输的实时性与准确度；尽可能低的成本。综合以上考虑，传感器节点以TI公司的CC2630为核心并通过扩展相应的传感器模块来实现，如图3所示。

CC2630通过扩展相应的传感模块与CC2592射频模块一起构成了整个传感器节点，瓦斯传感器模块基于MJC4/3.0L载体催化元件进行设计，MJC4根据催化燃烧效应的原理工作，具有良好的元件工作稳定性和可靠性，由检测元件和补偿元件构成了惠斯通电桥的两个桥臂，若被探测区域内无瓦斯气体存在则电桥保持平衡无电压信号输出；若空气中有瓦斯气体存在，检测元件表面发生无焰催化燃烧致其阻值增大，电桥失去平衡，输出一个与瓦斯浓度成正比的电信号，但此信号非常微弱，需经过放大器电路放大之后再送入CC2630进行无线传输。放大电路为一片AD623，AD623是一个集成单电源仪表放大器，它能在单电源(+3 V到+12 V)下提供满电源幅度的输出，具有较宽的共模输入范围，可以放大低于地电平150 mV共模电压信号。

氧气传感模块基于Alphasense公司的O2-A3进行设计，O2-A3根据电化学原电池的原理工作，通过测量对象气体在阴极上的电化学还原和阳极的氧化过程，产生电流，得出对象气体的浓度，O2-A3具有长寿命(4年左右)以及长期的工作稳定性且无漂移、较高的测量精度与灵敏度、优异的抗干扰能力，适合矿下氧气浓度的检测，将O2-A3产生的微弱电流经放大电路放大之后送给CC2630控制芯片。

温湿度传感器模块选用Sensirion公司SHT11进行设计，SHT11传感器将温度与湿度一体化测量，电路连接方便只需要将SHT11的DATA、SCK端连接到控制芯片的相应的引脚，降低了硬件成本[4]。SHT11传感器具有极强的抗干扰能力、超快的响应时间、较高的测量精度和长期工作稳定性，微小的体积和低功耗等特点使得SHT11传感器非常适用于无线传感器网络的相关应用。

3 软件设计

通过对系统的硬件部分进行软件编程，来实现ZigBee网络的建立；传感器数据的采集、数据传输以及数据处理[5]。本文采用TI公司的Z-STACK协议栈，Z-STACK协议栈嵌入了实时操作系统，能够通过对任务的事件触发来完成任务调度，软件设计主要包括终端节点程序、协调器节点程序(如图4所示)以及LabView监控主界面程序三部分构成。

3.1 传感器节点

如图5所示,传感器节点主要负责完成瓦斯、一氧化碳、温湿度等数据的采集，图6所示为瓦斯传感器节点采集的动态数据，传感器节点将采集到的数据发送给协调器节点，同时负责接收来自协调器节点的相关指令。节点通电之后，首先完成相应的初始化工作，包括ZigBee协议栈的初始化和硬件外设的初始化。查询信道选择合适的网络，向协调器节点发送入网请求，入网成功后即进入休眠模式。图4所示，当有数据传输请求时，由终端节点完成对相关数据参量的实时采集，并将采集到的参量数据实时处理以无线方式发送到CC2630协调器节点，当终端传感器节点没有数据传输请求时，系统进入睡眠模式。采用此种工作模式，传感器节点的功耗可保持在很低的水平。

图4 协调器节点流程图 图5 传感器节点流程图

3.2 协调器节点

协调器节点负责建立并维护ZigBee网络的运行、处理传感器节点的入网请求和接收转发传感器节点的参量数据。节点上电后，首先初始化CC2630芯片以及ZigBee协议栈，接着查询信道，选择合适的信道建立网络，并设置协调器地址，对无线网络不断的进行监听。当有CC2630传感器终端节点的加入请求时，允许节点加入并给节点并分配网络地址,如图5所示。协调器节点接收终端节点发送过来的数据，并调用发送函数通过串口发送到上位机。

3.3 基于LabView的监控界面软件

LabView是NI公司基于图形化G语言的编程软件，与传统编程语言相比，界面更加友好，利用模块化和递归方式可以在很短的时间内构建、设计和更新自己的软件系统，提高程序编写的效率。LabView是一款针对测试及自动化领域而专门设计的程序开发环境，带有庞大的函数库，能够很方便的完成数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储等相应工作，基于以上考虑选用LabView作为上位机监控平台的开发环境[6]。

图6 瓦斯浓度监测数据

系统采集的环境参数数据通过ZigBee网络传到上位机，通过上位机监控界面实现数据的处理与显示，监控界面的主要功能：对采集与传输系统上传的环境参数数据进行存储、分析和显示,并支持环境参数的查询功能;通过数据分析对矿井内的执行器件发出相应的控制命令；串口通讯参数设置和节点管理等功能。

4 测试及结果分析

ZigBee无线网络由一个协调器节点与多个传感器节点构成，传感器节点与相应的瓦斯、氧气以及温湿度传感器相连接，协调器通过串口线与上位机相连接,通过TIZ-NETWORK工具查看各节点信息。经测试可正常组网，控制台正确显示远程ZigBee节点上的传感器设备，测试传感器正常工作情况。测试数据网络传输丢包率和传输速度，协调器节点与各终端节点周期性互发固定大小的数据包，记录数据包收发情况，实际测得的稳定速率22 kb/s左右，传输速率越高，稳定性越差。

测试结果可知，仅有主芯片CC2630时传输距离超过60 m信号就变得不稳定甚至收不到信号，无法满足井下数据传输的需求，增加CC2592功放后传输距离明显延长如表1所示，稳定传输距离可以达到500米左右，增加功放之后传输距离得到了明显的改善但总成本并没有增加太多。

表1 数据传输测试结果

5 结束语

本文以CC2630为控制核心扩展一片CC2592，充分利用CC2630强大的处理能力结合Z-Stack协议栈构建了煤矿井下环境参数无线测控系统，经测试该系统能够准确提供井下各个传感器节点的实时数据并提供报警功能，加射频功放之后的无线传输距离能够满足中小煤矿井下数据传输的需求。

[1] 魏作辉,艾惠明.基于ZigBee无线传感器网络的煤矿监测系统设计[J].工矿自动化,2008,36(3):41-43.

[2] 倪冠华,张超.中小型煤矿瓦斯监测监控系统的设计[J].煤矿安全,2011,42(3):58-71.

[3] 张睿,王建中.基于CC2530的无线温度传感网络的设计[J].杭州电子科技大学学报,2014,34(3):87-90.

[4] 衣翠平,柏逢明.基于ZigBee技术的CC2530粮库温湿度检测系统研究[J]. 长春理工大学学报,2011,34(4):53-56.

[5] 章伟聪,俞新武,李忠成.基于CC2530及ZigBee协议栈设计无线网络传感器节点[J].计算机系统应用,2011，20(7)：184-187.

[6] 刘圆,朱华.基于ZigBee技术的煤矿安全监控系统[J].工矿自动化,2007,35(4)：1-3.

Research on System of Environment Monitoring of Mine Based on CC2630

Song Zhenwei1,Li Li1,Huang Yourui2

(1.Nantong Science and Technology Institute, Nantong Jiangsu 226007, China;2.Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)

For the high-cost and high-power of the mine monitoring, this paper introduces a design of wireless network environment monitoring system with lower costs based on ZigBee and Sensor. It elaborated the hardware design and software flow chart of senor node, realized the environmental data acquisition and control functions by LabView main control interface .Test results have proved that the system is appropriate for small coal mines with good stability and accuracy, farther transmission distance of wireless data, lower costs.

LabView; monitoring; CC2630; sensor; ZigBee; mine

国家自然科学基金(51274011)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.04.017

TD676

A

1000-3886(2016)04-0054-02

宋珍伟 ( 1979 - ) ,男,江苏铜山人, 讲师,硕士生, 研究方向为智能仪器与测控技术。

定稿日期: 2016-02-04