一种基于Zigbee无线网络的瓦斯浓度检测系统

一种基于Zigbee无线网络的瓦斯浓度检测系统

技术领域

本发明专利涉及单片机技术领域，尤其涉及一种基于Zigbee无线网络的瓦斯浓度 检测系统。

背景技术

近年来，煤矿事故频频发生，煤矿工人的安全问题时时牵拉着人们的神经。煤碳是 国家经济发展的重要能源，所以安全生产、加强煤矿的安全建设已经越来越紧急和迫切。煤 矿事故的元凶主要是瓦斯，因瓦斯事故每年都给国家和人民带来巨大损失。煤矿瓦斯治理 是煤矿安全生产治理的核心，如何有效控制瓦斯事故是解决煤矿安全问题的关键。据不完 全统计，在 1981 至 2001 年期间，全国煤矿事故总计死亡约 12.6 万人，其中重特大瓦斯 事故死亡人数占 72.3%，平均每年死亡 1579 人。2005 年，煤矿瓦斯事故发生 405 起，死 亡 2157 人；2006 年瓦斯事故发生 327 起，死亡 1319 人。仅 2005 年 12月 7 日河北省 唐山市恒源实业有限公司的瓦斯煤尘爆炸事故就造成了 108 人死亡，29人受伤的严重后 果，直接经济损失 4870.67 万元。在这些残酷的数字面前，人们清醒得认识到，若要保障人 民的生命安全和国家的经济正常发展，必须加强煤矿的安全生产，加强瓦斯含量的检测力 度，努力做到防患于未然，才能将损失降低到最小。

由于煤矿自然环境复杂，矿井开采条件多变，而且存在着火灾、水灾等自然灾害， 加上煤矿作业空间十分狭小，照明条件差等因素，目前常用的煤矿安监系统仍使用有线方 式，即采用光缆、电力线缆或信号线缆等，有线方式存在以下缺陷：

（1）布线繁琐，安装维护成本大。监测系统所需的大量光缆、电缆价格不菲，此外在复杂 的地下环境布设线路同样需要消耗大量的人力物力。

（2）覆盖范围有限。由于地形环境复杂多变，矿井中存在着大量难以布线的区域， 有线监控系统很难遍布矿井的各个地区，无法实现对整个矿井的全方位监测，为安全生产 留下隐患。

（3）线路依赖性强。有线网络的自我修复能力较差，局部线路遭到破坏很可能造成 整个监控系统的瘫痪。特别是发生爆炸事件时，线缆往往会受到致命的破坏，不能为搜救工 作及事态检测提供信息。现阶段，随着各地矿井开采深度的增加，已有的安检系统难以扩展 网络、灵活性不高已成为制约安全检测的瓶颈。这使得网络数据的可靠性、有效性和实时性 得不到保证，难以确保重要数据及时传输。因此，利用无线网络构建网络简单、扩展性强的 特点解决煤矿安检系统对实时性、可扩展性和低成本的需求已经非常迫切。

发明专利内容

本发明专利涉及一种基于Zigbee无线网络的瓦斯浓度检测系统，本发明主要包括 Zigbee 无线网络传输部分和瓦斯信息采集和处理部分。Zigbe无线网络部分的主要功能是 完成矿井下信号的无线传输，它包括 Zigbee射频模块和底板模块两个部件。Zigbee底板主 要提供功能外设，包括模块电源设计、程序下载 Debug 口的设计、液晶显示电路设计、按键 和各种接口设计等。本发明的连接关系如图1所示，瓦斯采集及信息处理模块主要完成瓦斯 信息的采集和处理。电路主要包括瓦斯传感器的配置，CPU主芯片MSP430F169的配置，液晶 显示模块电路的设计，按键部分电路设计及各种接口电路的设计等。

附图说明

图1：模块连接关系图。

图2：系统总体原理图。

图3：电源模块图。

图4：串口模块图。

图5：液晶显示部分图。

图6：系统软件数据流程图。

具体实施方式

为了使本发明专利的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施 例，对本发明专利进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释 本发明专利，并不用于限定本发明专利。

本发明专利涉及一种基于Zigbee无线网络的瓦斯浓度检测系统，本发明主要包括 Zigbee 无线网络传输部分和瓦斯信息采集和处理部分。Zigbe无线网络部分的主要功能是 完成矿井下信号的无线传输，它包括 Zigbee射频模块和底板模块两个部件。Zigbee底板主 要提供功能外设，包括模块电源设计、程序下载 Debug 口的设计、液晶显示电路设计、按键 和各种接口设计等。本发明的连接关系如图1所示，瓦斯采集及信息处理模块主要完成瓦斯 信息的采集和处理。电路主要包括瓦斯传感器的配置，CPU主芯片MSP430F169的配置，液晶 显示模块电路的设计，按键部分电路设计及各种接口电路的设计等。

进一步的，瓦斯浓度检测仪电路按照I类电气设备（煤矿用电气设备）本质安全电 路的要求进行设计，以MSP430F157为核心，外扩电源监视看门狗电路，传感器探头驱动电 路，检测信号滤波放大电路，4～20mA电流环电路，RS485接口电路，报警输出接口及电源部 分等，电路原理框图如图2所示。系统的硬件功能模块主要分为协调器、路由器、终端节点和 瓦斯采集节点，其中协调器、路由器、终端节点因为主芯片相同可以用同一套硬件系统来实 现，只要下载相应的软件即可完成相关功能。

进一步的，Zigbee网络模块因为要包含协调器、路由器和终端节点三种网络设备 的功能。因此需要完备的电路配置，本发明采用底板和射频板分离的方案，在底板上设计了 各种功能：

（1）电源部分：如图3所示，电源部分采用电池供电和电源供电两种供电方式，用户可以 自行选择。电池供电采用2节1.5V干电池，由于系统主板要求电源电压3.3V，输入电压不能 小于2.8V，若电池电量降低供电电压会低于2.8V，为了最大限度使用电池，需要使用BOOST 电源芯片SP6641将3V的电池电压转换成 3.3V，然后使用线性电源芯SP6201过滤开关电源 产生的纹波电压。电源供电方式，由于其输入电压为5V，同样需要转换为系统所需的3.3V， 这里采用线性电源芯片AM1117 来完成电压的转换；

（2）串口部分：如图 4 所示，用芯片 MAX3232 来完成串口的配置，同时加上发送和接 收两个端口的 LED 灯指示，方便调试。本发明选用 P0.2 和 P0.3 两个串口作为系统的输 入输出串口；

（3）液晶显示部分：如图5所示，本发明采用东显LCD12864-I型号的液晶模块，因为此模 块是并行数据口，而CC2430引脚资源有限只能使用串行数据，所以使用74HC595芯片将 CC2430的串行数据变换为并行数据再连接液晶模块。

进一步的，本发明主要通过串口透传方法将 A/D 采样的数据经终端节点送到网 关协调器，其传输介质是电磁波，整个数据流程经过了多个模块，如下图6所示。 网络模块 都具有无线接受和发送的能力，应用程序只需为协议栈注册应用端口、为操作系统添加任 务、为协议栈准备好数据就可以通过协议栈发送数据，接收方通过消息处理函数接收来自 发送方的数据。终端节点需要完成加入网络的工作，加入网络后就可以从串口接收 A/D 采 样数据并通过协议栈将数据无线发送。路由器的工作比终端节点点多了一个数据转发功 能，这可以由协议栈完成，用户应用程序不作处理。

进一步的，本发明使用串口连接瓦斯含量信息检测模块或其他外设模块，另外，如 果网关支持串口，可以方便的将Zigbee协议转换为其他协议，利用已有的网络资源，避免重 复投资。本发明根据协议栈提供的串口应用实例做了适合本系统的改动，设计了串口透传 的应用层程序。使用该技术可以将所有具有串口功能的外设模块接入Zigbee网络，从而代 替了有线连接。在透传系统中，所有的网络模块都具有串口的收发功能，只要上位机串口有 数据输出，模块就把串口的数据以无线方式编码发送。当接收模块接收到发射模块发送的 无线数据后，就会把解码后的数据按发送端的格式从串口输出，这样网络两端的上位机和 下位机都通过串口收发数据而不用理会无线传输部分，这就是无线透传的工作。无线透传 是一种使用UART串口的Zigbee网络应用，与其它应用的实现方法一样，UART串口透传应用 需要将程序以任务的规范，加入操作系统，有网络操作系统调度执行，在做Zigbee项目设计 时，所有的应用，都以任务的方式加载到操作系统，由操作系统来调度。用户只需要编写自 己的任务，以适当的方式将任务加入 OSAL的任务表中就可以了。OSAL主要负责任务管理、 消息管理、电源管理、定时器管理和存储器管理等。Zigbee中的操作系统对任务的管理是基 于任务轮询方式的，在系统的任何位置只要我们实现了osalInitTasks就可以将本发明中 的所有任务放在操作系统中执行。程序代码如下：

void osalInitTasks( void )

{

uint8 taskID = 0；

tasksEvents = (uint16 *)osal_mem_alloc( sizeof( uint16 ) * tasksCnt)；

osal_memset( tasksEvents, 0, (sizeof( uint16 ) * tasksCnt))；

macTaskInit( taskID++ )；

nwk_init( taskID++ )；

Hal_Init( taskID++ )；

#if defined( MT_TASK )

MT_TaskInit( taskID++ )；

#endif

APS_Init( taskID++ )；

ZDApp_Init( taskID++ )；

SerialApp_Init( taskID )；

}

分别完成协议栈各层的初始化任务。各层之间的信息交换通过消息命令的方式来完 成，在应用层接受到各类消息后由相应的处理函数来处理。用户任务初始化函数 SerialApp_Init( taskID )加载到最后表示优先级最低。

进一步的，Zigbee网络是局域网，外界要使用Zigbee网络的数据必须通过网关把 Zigbee网络协议转换为外界网络的的协议。现今，最广泛使用的网络是TCP/IP 网络。所以 本项目设计了Zigbee转TCP/IP 网关将协调器接收到的数据，通过串口交给到网关。网关将 这些数据转化以太网格式，发送到远端的监控室。网关设计需要使用TCP/IP协议栈，TCP/IP 协议是一个四层的分层体系结构。高层为传输控制协议(TCP，Transmission Control Protocol)，它负责聚集信息或把文件拆分成更小的包。这些包通过网络传送到接收端的 TCP层，接收端的TCP层把包还原为原始文件。低层是网际互联协议(IP，Internet Protocol)，它处理每个包的地址部分，使这些包正确的到达目的地。TCP/IP使用客户端/服 务器模式进行通信，TCP/IP通信是点对点的面向连接的协议，也即通信在网络中的一台主 机与另一台主机之间进行，主机之间的数据传输可靠性由协议栈在保证。与TCP/IP协议相 对的协议还有用户数据包协议(UDP)，它不是面向连接的，因此网络数据是否到达对端要有 用户程序考虑。还有一些协议是网络主机用来交换路由信息的，包括Internet控制信息协 议(ICMP)，内部网关协议(IGP)，外部网关协议(EGP)，边界网关协议(BGP)等等。本发明的网 关采用串口转接以太网的方式实现，将串口输入的数据转化为TCP/IP协议数据通过以太网 输出，从以太网输入的数据包先解码取出有效载荷后由串口输出。开发协议栈使用 LWIP1.3.2，操作系统使用 UCOS II 2.86，CPU 使用ARM S3C6410，网关使用 ARM11 开发板 设计。

以上所述仅为本发明专利的较佳实施例而已，并不用以限制本发明专利，凡在本 发明专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利 的保护范围之内。