引言

　　隨著計(jì)算機(jī)和無線通信技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)、無線通信技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用于礦井安全和生產(chǎn)監(jiān)測，廣泛涉及到計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息傳輸技術(shù)、電氣防爆技術(shù)、應(yīng)用化學(xué)技術(shù)、控制技術(shù)、光纖技術(shù)和嵌入式技術(shù)等多種技術(shù)。ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，完整的協(xié)議棧只有32KB，可以嵌入各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能。這些特點(diǎn)決定ZigBee技術(shù)非常適合應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。與現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)在功耗和成本上相對較低，有很大的優(yōu)勢。本文研究設(shè)計(jì)的煤礦瓦斯無線監(jiān)測系統(tǒng)就是基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測礦井空氣中的瓦斯?jié)舛龋瑢?shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性、便于安裝性、低成本、節(jié)能和實(shí)際可行性，從而給煤礦生產(chǎn)工作的順利進(jìn)行提供一定的保障，為礦井的防災(zāi)、減災(zāi)以及提高生產(chǎn)效率方面發(fā)揮一定的作用。

　　煤礦瓦斯無線監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)是由多個(gè)自給供電的ZigBee節(jié)點(diǎn)組成的，每個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)都可以進(jìn)行周圍環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、簡單計(jì)算以及與其他節(jié)點(diǎn)及外界進(jìn)行通信，從而使得眾多的傳感器可以通過協(xié)同工作進(jìn)行高質(zhì)量的傳感，組成一個(gè)容錯(cuò)性較好的采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要包括ZigBee節(jié)點(diǎn)和ZigBee基站節(jié)點(diǎn)，整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1，其中ZigBee基站節(jié)點(diǎn)主要用于組合從各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)得到的數(shù)據(jù)以及負(fù)責(zé)與外界的通信，該節(jié)點(diǎn)基于嵌入式系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用部分網(wǎng)狀 (Partial Mesh)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其主要好處是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的范圍都成倍地?cái)U(kuò)大了，沒有最大通信距離的限制，因?yàn)樗械墓?jié)點(diǎn)都被用作中繼器或路由器。在圖1中，節(jié)點(diǎn)A通過以下路徑傳送信號到ZigBee基站節(jié)點(diǎn)：A－B－ZigBee基站節(jié)點(diǎn)，另一替代路徑為：A－E－F－ZigBee基站節(jié)點(diǎn)，也還有其他幾種冗余的路徑。

　　1 ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　ZigBee節(jié)點(diǎn)的主要功能是采集瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給各個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)組的基站。ZigBee節(jié)點(diǎn)主要由傳感器模塊、 MSP430F149模塊、CC2420收發(fā)模塊、存儲(chǔ)模塊和電源管理模塊五部分組成，包括電源模塊指示燈/開關(guān)、傳感器模塊接口、USB接口、天線接口等。

　　ZigBee節(jié)點(diǎn)的傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)中傳感器模塊采用瓦斯傳感器和溫濕度傳感器；MSP430F149模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理、任務(wù)管理等，MSP430F149處理器自身具有A/D功能，從傳感器得到的模擬信號可以直接送到MSP430F149進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，且功耗低；CC2420收發(fā)模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)，提供SPI接口與 MSP430F149通信，而MSP430F149則連接鍵盤、顯示等人機(jī)交互界面、傳感器、控制器等；存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)；電源管理模塊提供能量，選通所用到的傳感器，由兩節(jié)1.5V堿性電池組成。

　　①M(fèi)SP430F149模塊

　　MSP430F149模塊，即MCU模塊，采用TI公司的MSP430F149，如圖2所示。TI公司的MSP430系列單片機(jī)是一種超低功耗的混合信號控制器，能夠在低電壓下以超低功耗狀態(tài)工作；其控制器具有強(qiáng)大的處理能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)；帶FLASH存儲(chǔ)器的單片機(jī)還可以方便高效地進(jìn)行在線仿真和編程。MSP430F149是MSP430X1XX系列中功能最強(qiáng)的單片機(jī)，而且MSP430F149的運(yùn)行環(huán)境溫度范圍為-40℃～+85℃，可以適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境。

　　②CC2420收發(fā)模塊

　　CC2420是Chipcon公司推出的首款符合2.4GHz IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。該器件是第一款適用于Zigbee產(chǎn)品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF03技術(shù)，以 0.18μm CMOS工藝制成，只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250Kb/s，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。它的外圍電路包括晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和微控制器接口電路三個(gè)部分。芯片本振信號既可由外部有源晶體提供，也可由內(nèi)部電路提供。由內(nèi)部電路提供時(shí)需外加晶體振蕩器和兩個(gè)負(fù)載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數(shù)。CC2420收發(fā)模塊的外圍電路如圖3所示。