基于ZigBee的煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　O 引言

　　基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)由井下的傳感器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器和井上監(jiān)控計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器組成。傳感器節(jié)點(diǎn)可以在井下固定放置，也可以由人員佩戴。系統(tǒng)由固定節(jié)點(diǎn)采集井下甲烷、硫化氫、一氧化碳、溫度、濕度等環(huán)境信息，通過由傳感器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將環(huán)境信息數(shù)據(jù)傳送到井上監(jiān)控計(jì)算機(jī)；同時(shí)也可以根據(jù)人員佩戴節(jié)點(diǎn)所在位置信息實(shí)現(xiàn)人員定位，并通過該節(jié)點(diǎn)獲取相應(yīng)人員的身份及當(dāng)時(shí)身體狀況等信息。本文主要介紹傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

　　1 傳感器節(jié)點(diǎn)功能要求及總體結(jié)構(gòu)

　　1．1 功能要求

　　該系統(tǒng)沒有設(shè)計(jì)專用的路由節(jié)點(diǎn)，因此傳感器節(jié)點(diǎn)不僅要采集傳感器信號(hào)，同時(shí)又要充當(dāng)路由器。傳感器信號(hào)主要有甲烷濃度、硫化氫濃度、氧氣濃度、溫度、濕度、風(fēng)速、壓力等信號(hào)；人員信息包括身高、體重、血型、姓名等基本信息。

　　1．2 總體結(jié)構(gòu)

　　傳感器節(jié)點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括傳感器調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、報(bào)警電路、通用控制輸出電路和電源電路。

　　2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　2. 1 處理器及主要元件選擇

　　傳感器節(jié)點(diǎn)處理器選擇了英國(guó)Jennic公司的JN5121無線模塊，它是業(yè)界第一款兼容于IEEE 802．15．4的低功耗，低成本無線微控制器。該模塊內(nèi)置一款32位的RISC處理器，配置有2．4 GHz頻段的IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器，64 KB的ROM，96 KB的RAM，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供了完善的解決方案，同時(shí)高度集成化的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了總的系統(tǒng)成本。JN5121內(nèi)置的ROM存儲(chǔ)集成了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信與網(wǎng)狀網(wǎng)通信的完整協(xié)議棧；JN5121內(nèi)置的RAM存儲(chǔ)可以支持網(wǎng)絡(luò)路由和控制功能而不需要外部擴(kuò)展任何的存儲(chǔ)空間。JN5121內(nèi)置的硬件MAC地址和高度安全的AES加密算法加速器減小了系統(tǒng)的功耗和處理器的負(fù)載。JN5121可應(yīng)用于運(yùn)行于2．4 GHz頻段的各種ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，包括協(xié)調(diào)器、路由器以及終端設(shè)備。

　　A／D轉(zhuǎn)換器選用了ADI公司的AD7708，是美國(guó)ADI公司開發(fā)的具有低噪聲、高分辨率、高可靠性及線性度好等優(yōu)點(diǎn)，采用∑-△轉(zhuǎn)換技術(shù)的可配置10通道16位A／D轉(zhuǎn)換器件，其靈活的串行接口使AD7718可以很方便地與微處理器或移位寄存器相連接，可以利用SPI總線完成與微處理器的通信，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制、測(cè)量?jī)x表、便攜式測(cè)試儀器、智能變送器、應(yīng)變測(cè)量等領(lǐng)域。

　　2．2 甲烷測(cè)量電路設(shè)計(jì)

　　甲烷濃度測(cè)量選用了國(guó)產(chǎn)的煤礦甲烷檢測(cè)用載體催化元件，催化元件根據(jù)催化燃燒效應(yīng)的原理工作，由檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件配對(duì)組成電橋的兩個(gè)臂，遇可燃性氣體時(shí)檢測(cè)元件電阻升高，橋路輸出電壓變化，該電壓變量隨氣體濃度增大而成正比例增大，補(bǔ)償元件起參比及溫濕度補(bǔ)償作用，其測(cè)量電路如圖2所示。

　　2．3 一氧化碳和硫化氫測(cè)量電路設(shè)計(jì)

　　一氧化碳和硫化氫濃度測(cè)量均選用了國(guó)產(chǎn)的電化學(xué)氣體傳感器，電化學(xué)元件根據(jù)電化學(xué)的原理工作，利用待測(cè)氣體在電解池中工作電極上的電化學(xué)氧化過程，