基于CC2430的煤矿安监信息采集系统设计

摘要：为了解决矿井环境的实时监控问题，设计了以CC24430为控制核心的矿井安全监测系统，井下环境中的温度、温度、瓦斯气体浓度的数据和矿工的生命体征数据由传感器负责采集，并通过ZigBee协议构建树簇型无线局域网并实现与上位机之间的通信。文章主要介绍了无线传感网络及数据采集与传输的软硬件的设计。该设计方案解决了矿井安全监测传感网络的构建并能在意外发生时提供井下人员的位置及生命体征信息为救援工作提供参考。
关键词：CC2430；ZigBee；矿井安监；无线传感网络

    目前，实际应用中的矿下环境监测系统存在网络布线难度大、可监控地点固定、事故发生后面网络临瘫痪危险等问题。近年来，随着我国能源需求的日益增加，矿难事故的发生呈现上升趋势，如何能够高效低成本的实时监控矿下环境，并在矿难发生时给救援工作提供指导成为应用领域对安全监控系统提出的新需求。基于802．15．4协议的ZigBee技术具有低功耗、高网络容量、高可靠性等优点，非常适合用于布置在井下作业环境中的无线传感网络。本文设计的基本思想是在井下复杂环境中利用传感器和ZigBee模块CC2430构成的便携式或固定的终端，通过自组织方式构成无线传感器网络，将井下环境的检测信号发送到井上安全监测中心，实现矿下环境的实时监控，并将数据自动上传政府监管部门，当意外发生时可为救援工作及事故原因调查提供参考和指导。

1 ZigBee芯片CC2430
    CC2430芯片是挪威chipcon公司提出的首个单芯片ZigBee SoC解决方案。该芯片内部具有CC2420RF接收器和增强性能的8051MCU、8KBRAM等部件，其增强型8051MCU内核的性能是标准8051内核性能的8倍。CC2430还具有直接存储器定址(DMA)功能，拥有可编程看门狗定时器、32／64／128KB可编程闪存、AES-128安全协处理器、多达8输入的8-14位ADC、USART、晶振为32 kHz的睡眠模式定时器、上电复位、掉电检测电路(Brown Out Detection)、以及21个可编程I／O引脚等。可以被应用于所有ZigBee TM的无线网络节点，包括协调器、路由器、设备终端。在接收和发射模式下，电流损耗分别小于27 mA或25 mA，并具有较短时间内从休眠模式转换到主动模式的能力，其低功耗特性非常适合井下无线传感网络应用。
    CC2430的主要特点如下：
    1)高性能和低功耗的8051微控制器内核。
    2)集成符合IEEE802．15．4标准的2．4 GHz的RF无线收发机。
    3)优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰能力。
    4)有工作和休眠双模式，一般电池工作时间最长可达两年。
    5)网络容量大，通过网络协调器可扩展到支持64 000个ZigBee节点。
    6)具有较高安全系数，采用三级安全保护，可根据需要灵活选择安全属性。

2 系统总体设计
    该系统采用树簇型网络拓扑结构，系统包括一个网络协调器(ZC)、一定数量的路由节点(ZR)及终端节点(ZED)。其中终端节点由ZigBee模块、各种传感器及报警器和电源组成，根据功能不同分为固定终端和移动终端。固定终端主要作为路由终端，为网络提供路由服务；移动终端主要是由矿工佩戴的带有环境安全监测传感器和生命体征传感器的穿戴式便携式设备。

    矿工佩戴的便携式终端设备都拥有一个64的IEEE地址，这样只要记录下终端地址就可以很容易的确认矿工身份。意外发生时，通过作为网关固定终端路由信息的最后记录，就可以找到矿工具体位置，同时结合生命体征传感器采集到的生理信息，便可为营救工作提供大量有用信息。

    网络协调器安装在井上安全监控中心，主要负责建立网络和管理网络，并将当前井下传感网络收集到的井下安监数据通过串口与计算机相连，进一步通过网络将信息传输到政府安全监督部门。这种实时同步的井下数据上传模式，可大大减小由私营矿主主观玩忽职守造成的安全隐患，对提高矿下安全监督管理水平有积极意义。

3 系统硬件设计
    系统主要的硬件结构包括信号采集模块、终端模块、信号传输模块。网络节点均采用CC2430芯片作为硬件基础。
3．1 信号采集模块
    信号的采集模块的功能是采集井下的各种环境参数，通过CC2430的ZigBee射频模块发送给上位机。根据需要采集的信息选择适合的传感器，并进一步确定信号转换及电源电路。矿井安全监测需要采集的数据包括以下几种：瓦斯浓度、温度、湿度。井下携带人员的生命体征信息如：体温、脉搏。最后协调器将采集到的数据通过串口发送到上位机。
    CC2430外部有20个通用I／O口，PO口的8个管脚可以直接连接外部模拟输入，其内部有14位的A／D转换器，可以实现各类数字传感器的直接输入和数据转换需要。
    温湿度传感器采用瑞士SHIRION公司的SHT10一体化温／湿传感器采集井下环境中的温度和湿度。其供电电压2．4 V～2．5 V，可直接以终端的电源供电，湿度测量精度±4．5％，温度测量精度为±0．5℃，满足井下数据采集精度需要。瓦斯传感器采用郑州炜盛电子所生产的催化燃烧式气敏元件MJC4／2．8J，它的额定工作电流90 mA，额定工作电压2．8 V。它的内部结构是由一个不带催化剂元件的补偿元件和一个带催化剂传感元件构成。其中催化元件可以与环境中的瓦斯气体如甲烷、一氧化碳反应，引起温度相对补偿元件升高，导致电桥发生偏移。输出的电压模拟信号经过运算放大器TLC279MJ放大以后进入CC2430芯片内具有A／D转换功能的P0口。

    体温传感器采用Dallas公司生产的DS18B20，只要一条单线就能实现数据在控制器与其之间的传输，因而具有接口简单的优点，检测到的温度信息最终以12位二进制的数字化读数输出，在环境温度为30～40℃之间时，DS18B20的分辨率为0．1℃，平均误差低于0．2℃，可以满足设计需求。脉搏传感器采用HKG-07A红外脉搏传感器，该传感器是基于红外检测技术，通过检测由于心脏收缩引起的体表末梢微血管的容积变化来获取脉搏信号。比起早期常用的压电薄膜法测量，该法具有不易受到肢体运动干扰的特点，且技术成熟，信号处理电路相对简单。信号采集模块硬件框图如图3所示。
3．2 协调器模块
    由于系统网络终端节点均采用CC2430芯片作为硬件基础，协调器节点及路由节点和终端节点设计差别不大，其功能主要是是连接无线传感网络硬件系统与上位机的接口，不同点在于终端节点需要添加传感器及数据转换电路，路由节点只需按图1所示连接简单的外围设备即可。

3．3 信号传输模块
    这里的信号传输模块主要是指协调器与上位机之间的信号传输，这主要是由于CC2430芯片的电平与上位机串口电平不相匹配导致的，这里采用FT232RL芯片实现串口电平转换，并通过USB接口完成于上位机之间的串口通信。接入的两个LED灯可通过闪烁来提示当前存在信号的输入输出，电路结构如图4所示。

4 软件设计流程
    主控软件需要完成的任务主要有：实现对整个系统的控制，对传感器网络收集到的数据进行处理，包括数据比对，存储和上传。对系统的控制主要包括控制ZigBee网络开启关闭设置参数及发送突发性命令。为方面使用对象操作系统提供两种操作模式；监管模式和救援调查模式。监管模式下提供以下功能：1)数据处理功能：通过监测数据与内置的阈值数据的比较决定是否发出警报；如：对瓦斯浓度进行比对已决定是否要切断电源；对一氧化碳浓度进行比对以决定是否要撤离人员；对空气湿度进行比较已决定是否又发生透水事故的可能。2)数据存储及上传功能：对整个系统的数据进行自动备份，将监测数据自动上传至安全监督部门。救援与调查模式主要是在矿难发生时，通过查询记录终端位置的固定路由信息和当前终端监测到的实时数据如：当前井下环境数据和终端佩戴者生命体征数据等，为救援工作提供指导。通过把安监数据的自动上传到政府监督部门，即方便政府监管及问责也能为事故后救援提供指导。软件设计流程图如图5所示。

5 结束语
    文中在了解ZigBee技术相关特点的基础上，以ZigBee模块CC2430为硬件基础，利用ZigBee协议进行无线组网，设计了一个基于无线传感网络的矿井安全监管系统。通过该系统用户可以定量定性的对井下安全状况作出评估，并且采用带有报警功能的穿戴式终端节点，意外发生时可为救援工作及事故原因调查提供依据，可有效提高矿区安全生产监督管理水平。