论文研究-基于ZigBee技术的煤矿瓦斯无线监测系统节点设计 .pdf

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基于ZigBee技术的煤矿瓦斯无线监测系统节点设计,刘鹏,康栋梁,本文提出了一种基于ZigBee的煤矿瓦斯无线监测系统中节点的设计方案。系统主要包括ZigBee节点和ZigBee基站节点。利用ATmel公司的ATmega16和CC
国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 图2 ATmegal6模块 Fig. 2 Atmega16 Module 22CC2420无线收发模块 CC2420是 Chipcon公司推出的首款符合24 GHZ IEEE802.154标准的射频收发器。该器 件包括众多额外功能,是第款适用于ZgBe6产品的RF器件。它基于 Chipcon公司的 Smart RF03技术,以0.18 um CMOs工艺制成只需极少外部元器件,性能稳定且功耗极低。CC2420 的选择性和敏感性指数超过了IEE802.154标准的要求,可确保短距离通信的有效性和可 靠性。利用开发的无线通信设备支持数据传输率高达250kbp可以实现多点对多点的快速 组网。它的外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输岀匹配电路和微控制器接口电路三个 部分。芯片本振信号既可由外部有源晶体提供,也可由内部电路提供。由内部电路提供时需 外加晶体振荡器和两个负载电容,电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。CC2420 收发模块电路如图3所小 上DRAM SCLK 图3CC2420收发模块 Fig 3 CC2420 Receive Send Module 23传感器模块 传感器有很多种类,可以检测加速度,光照,振动,温湿度以及各种气体浓度等物理量 本系统中的传感器模块采用了瓦斯传感器和温度传感器。 温度传感器采用DS18B20型数字温度传感器,该产品是美国 DALLAS公司牛产的可组 数字温度传感器芯片。采用单线制数据传输,接口简单,准确度高。 瓦斯传感器采用了炜盛科技公司生产的载体催化型MJC42.8L型低功耗瓦斯传感器 国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 其具有线性的电压信号输岀,快速响应恢复以及较高的稳定性和抗温湿度丨扰能力。其探测 范围为0100%LLL,报警浓度为大于1%。响应时间小于20s,恢复时间小于10s,稳定可靠, 广泛应用于煤矿瓦斯等可燃性气体浓度检测。其信号调理电路如图4所示,运算放大器 wIUA将传感器的输出信号与由芯片TL431的提供的电压基准进行比较,再经过以运算放 大器w1UD为垓心的可调增益放大电路,得到瓦斯浓度的模拟信号 UUID 可受咖随 图4瓦斯监测电路 Fig 4 (as Detection Circuit 2.4存储模块 存储模块采用 Atmel公司的基于12C串行总线的24C128,芯片米用微型SO8N型封装, 封装外壳宽度仅为3.8πm,内置肀行总线,是保存经常变动的参数以及大容量数据的最佳选 择,存储密度较大。24C128支持100Kz和400KHz的时钟⊥作频率,全面兼容谷C规范, 1.8V~5.5V的宽作电源电压,16Kb*8的存储结构,支持字节和页两种读写模式,操作速 度极快。数据保存能力超过30年,耐擦写能力不低于100万次。该芯片的应用电路如图5 所示 U A aCC HOLD 3 6 SCL 7k47k CLK S SDA GND DATA 4C128 图5存储模块 Fig 5 Storage Module 3 ZigBee基站节点设计 Zigbee基站节点主要由处理器模块、存储模块( NAND Flash,64MB)、CC2420收发 模块、传感器模块和电源管理模块组成。处理器模块采用ST公司的STM32F03微处理器, 该处理器是基于ARM公可的 Cortex-M3内核的高性能、低成木、低功耗的产品。时钟频率 可达72MHz,内置128KB闪存6。该处理器具有丰富的外设,例如USB20接∏和以太网接 ∏,便于实现与上位机的多种方式通信。所设计的 ZigBee基站节点的结构框图如图6所示。 4 国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 天线 传感器 STM32103F cc2420 徵处迎器 sB2楼口 长≤>以人网冂 电源模块 仁佬模块 图6基站节点结构框图 Fig 6 Base Station Node Structure Diagram 4瓦斯无线监测系统架构 般炔矿矿井的长度都在15Km以卜,因此系统需要布设20个以上: ZigBee节点。节 点执行自行组网、探测、采集和初步数据处理仟务。系统要求各节点可以相互通信并具有较 强的抗干扰与自恢复通信的能力。通过转发节点间的信息,节点间构成逐点跳跃的通信网络。 本系统采用∫MESH状內络结构,保证数据传输的可靠与高效。在一个 ZigBee监测网络 中设置一个 Zigbee基站节点,该节点负责将 ZigBee节点探测的坏境数据上传至上位机。 5结论 本系统的设计结合现阶段煤矿安全牛产现状及 ZigBee技术的发展现状,应用低功耗微 处理器 Atmagel6及无线通信芯片CC2420设计 ZigBee节点,能够采集井下环境中的温度和 瓦斯参数,并通过 ZigBee基站节点传到上位机。 ZigBee技术是一种短距离,低复杂度、低 功耗、低数据速率的尢线恻终技术。随着其进一步发展,将成为实现尢线监测系统的最理想 应用方案。 参考文献]( References ]徐瑞娜,胡方明,仁爱锋〃gle无线传感器网终在远程环境监测中的应用设计刂电子元器件应用.2010 (12):1~2 [2]李文仲,段朝 ZigBee无线网络入门与实栈[M]北京:北京航空航天大学出版社,2003 [3]江海波,王卓然,耿德根,深入浅出AVR单片机M]北京:中国电力出版社,208 [4]吴光荣,章剑雄基丁CC2420的尢线传感器网络的实现[现代电子技术,2008(12):121-~124 [5]张国雄,测控电路[M]北京:机械工业出版社,2008. [6]王水虹,徐炜,郝立平.STM32系列 ARM Cortex-M3微控制器原哩与实践M]北京:北京航空航天大学 出版社,2008

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