基于ZigBee的煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)點設(shè)計

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、路由器節(jié)點、協(xié)調(diào)器和井上監(jiān)控計算機、數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器組成。傳感器節(jié)點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、路由器節(jié)點和協(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)控計算機；同時也可以根據(jù)人員佩戴節(jié)點所在位置信息實現(xiàn)人員定位，并通過該節(jié)點獲取相應(yīng)人員的身份及當(dāng)時身體狀況等信息。本文主要介紹傳感器節(jié)點設(shè)計。

1 傳感器節(jié)點功能要求及總體結(jié)構(gòu)
1．1 功能要求
該系統(tǒng)沒有設(shè)計專用的路由節(jié)點，因此傳感器節(jié)點不僅要采集傳感器信號，同時又要充當(dāng)路由器。傳感器信號主要有甲烷濃度、硫化氫濃度、氧氣濃度、溫度、濕度、風(fēng)速、壓力等信號；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、報警電路、通用控制輸出電路和電源電路。

2 硬件電路設(shè)計
2. 1 處理器及主要元件選擇
傳感器節(jié)點處理器選擇了英國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，同時高度集成化的設(shè)計簡化了總的系統(tǒng)成本。JN5121內(nèi)置的ROM存儲集成了點對點通信與網(wǎng)狀網(wǎng)通信的完整協(xié)議棧；JN5121內(nèi)置的RAM存儲可以支持網(wǎng)絡(luò)路由和控制功能而不需要外部擴展任何的存儲空間。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)用于運行于2．4 GHz頻段的各種ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，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，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、測量儀表、便攜式測試儀器、智能變送器、應(yīng)變測量等領(lǐng)域。
2．2 甲烷測量電路設(shè)計
甲烷濃度測量選用了國產(chǎn)的煤礦甲烷檢測用載體催化元件，催化元件根據(jù)催化燃燒效應(yīng)的原理工作，由檢測元件和補償元件配對組成電橋的兩個臂，遇可燃性氣體時檢測元件電阻升高，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，補償元件起參比及溫濕度補償作用，其測量電路如圖2所示。