ZigBee无线传感器网络在瓦斯监测系统中的应用

ZigBee无线传感器网络在瓦斯监测系统中的应用
宋志月
【摘要】为了提高矿井下瓦斯检测系统的安全性和稳定性,采用了基于ZigBee的无线通信技术和基于DEEH算法的无线传感器网络,以C C2430为传感器节点,设计了瓦斯浓度监测系统.实验结果表明,该系统完全符合瓦斯浓度监测的要求,可以有效地减少事故的发生,降低人员的伤亡.
【期刊名称】《软件》
【年(卷),期】2011(032)002
【总页数】3页(P46-48)
【关键词】ZigBee;CC2430;无线传感器网络;瓦斯
【作者】宋志月
【作者单位】中国矿业大学,徐州,221008
【正文语种】中文
【中图分类】TP393.0
近年来，煤矿事故经常发生，造成重大的人员伤亡和巨大的经济损失，其中瓦斯事故就占煤矿事故的70%[1]。

因此，设计一种实时有效的井下瓦斯监控系统，非常必要。

ZigBee是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术。

它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。

这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个
传感器传到另一个传感器，所以它们之间的通信效率非常高。

ZigBee协议栈的网络层和应用层API由ZigBee联盟进行标准化。

ZigBee被业界认为是最有可能应用在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统等领域的无线技术[2]。

传感器网络包括网关，路由节点，移动节点。

网关是传感器网络的中心节点，负责整个网络的建立与启动。

首先，它要接收来自各个传感器节点采集到的瓦斯浓度的信息，并通过协议转换与互联网连接把接收到的信息传到地面监控中心。

其次，它要将监控中心提供的反馈信息传给各个传感器节点。

网关一般安装在巷口等地方。

路由节点主要用于接收各个移动节点的数据。

路由节点一般安装在巷道的拐弯处或直巷道的固定位置，保持无线链路的畅通和传感器网络的强壮性。

移动节点点主要用于每个作业人员或作业机器所处位置的监测,可以安装在煤矿工人的矿灯上。

由于瓦斯传感器网络具有拓扑动态变化、数据转发多跳，能量有限的特点,为了保障网络的畅通和节约能量消耗,必须合理设计网络体系结构。

考虑现在具有代表性的MESH(网格网)的体系结构,以及在节点数多的大规模传感器网络中,我们采用一种动态的，能量有效的层次分簇算法（DEEH）[3]。

整个网络由遍布于监测区的若干无线瓦斯检测节点组成,在簇树网络中，绝大多数设备是RFD设备,而RFD设备总是作为簇树的叶设备连接到网络中。

任意一个FFD都可以充当RFD协调器或者网络协调器,为其他设备提供同步信息。

系统将在一定区域内的节点分为一个传感器群,群内节点通过分簇算法选举产生。

通信时群内每个节点将瓦斯传感器感知的信息传送给路由节点,路由节点间通过一定的路由选择机制在由路由节点组成的网络中选择合适的路径后,通过相邻路由节点将信息发送给路径上的其它路由节点,经过若干路由节点的转发,传送到网关。

监控系统的总体结构如图1所示:
ZigBee无线传感器节点是无线传感网络的重要组成部分。

一般而言，传感节点由传感器模块、无线通信模块、单片机和能量供应模块组成。

如图2所示：
传感器节点的主体结构是单片机和无线通信模块，因此，该主体结构采用了
TI/Chipcon公司的用于2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee的片上系统解决方案
CC2430芯片，它整合了业界领先的2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee RF收发机CC2420以及工业标准的增强型8051MCU的卓越性能，还包括了8KB的SARM，大容量闪存以及许多其他的强大的外围设备。

CC2430芯片具有如下主要特性:
（1）优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性;
（2）在休眠模式时仅0.9微米的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统，在待机模式时少于0.6微安的流耗，外部的中断能唤醒系统；
（3）较宽的电压范围（2.0～3.6v）；
（4）硬件支持CSMA/CA功能；
（5）数字化的RSSI／LQI支持和强大的DMA功能；
（6）集成了14位模数转换的ADC；
（7）带有2个强大的支持几组协议的USART，以及1个符合IEEE 802.15.4规
范的MAC计时器，1个常规的16位计时器和两个8位计时器；
（8）强大和灵活的开发工具[4]。

采用这样的节点结构不仅省去了连接单片机和无线通信模块的麻烦，而且还节省了节点的成本。

瓦斯传感器采用的北京东方吉华科技有限公司生产的KGS-20低功耗瓦斯传感器，如图3所示。

KGS-20 以二氧化、锡为基本敏感材料，专门用于可燃气浓度检测的一种半导体型气体传感器。

它的基本特征是：极高灵敏度和极快的响应速度且低功耗。

KGS-20型可燃气传感器适用于对瓦斯等可燃气浓度的检测，用于瓦斯报警器，可燃气报警器，瓦斯检测仪等。

该传感器体积小，耗电低，应用电路简单，报警浓度为甲烷≥1%，响应时间≤20s，恢复时间≤30s，工作温度范围-15℃～+50℃，
湿度≤ 97%RH，静态功耗为150mW，报警状态功耗为300mW，供电电压为
3～5VDC。

传感器敏感组件的电阻R S的变化表现为负载电阻RL 上的电压变化。

驱动电压VH、负载电阻RL以及检测电压VD的取值参照公司提供的典型资料，
以使传感器处于最佳工作状态[5]。

传感器电源的供电电路设计对传感器模块的能量消耗来说非常重要。

对于小电流工作的传感器（几百μA），可由处理器I/O口直接驱动；当不用该传感器时，将
I/O口设置为输入方式。

这样外部传感器没有能量输入，也就没有能量消耗。

无线传感器网络节点的电池一般不易更换，所以选择电池非常重要。

本设计采用2节5号AA电池供电。

我们采用成都无线龙公司C51RF-3-CC2430-PK无线单片机开发系统作为开发平台，来设计基于ZigBee的传感器网络节点，具体步骤如下：
（1）建立传感器节点设备开发平台基于ZigBee的C51RF-3无线单片机开发平台，由两块基于ZigBee的无线扩展表演板和两台宿主机所构成。

扩展表演板和宿主机两者通过RS-232接口建立连接，两块扩展表演板之间通过天线可以完成无线收发等功能测试；
（2）开发各个功能模块的驱动软件在无线传感器网络应用平台建立后，就可以安装 IAR7.2C51 开发环境进行软件设计，根据需要开发应用程序，实现各个模块的
功能；
（3）进行试验仿真将开发系统C51RF-3实时在线仿真器通过USB 接口直接连接到宿主机，同时，通过10线仿真电缆连接到CC2430 ZigBee 无线单片机目标板，对节点设备功能进行在线仿真测试、调试、下载程序等。

系统软件总的设计流程如图4所示。

井下瓦斯的报警浓度为1%，瓦斯监测系统的规定误差范围0.05%，KGS-20传感器的报警浓度即为1%。

在实验室中采用多种标准浓度的甲烷气样，将气样导入钢
瓶, 然后将传感器探入，测定气体浓度。

基于KGS－20的瓦斯监测系统的监测结果见表1，在3min的测试中，传感器测得的瓦斯浓度数据误差基本小于0.05%。

六次实验的平均误差仅为0.028%，根据井下瓦斯浓度的标准以及井下瓦斯误差范围的规定，系统完全满足瓦斯浓度监测系统的要求。

基于ZigBee网络的井下瓦斯监控系统，可以更有效减少煤矿瓦斯爆炸事故，减少人员事故伤亡。

与传统的有线网络监控系统比起来，解决了布线难的问题，减少了开销。

经过了系统的测试，证明了节点在超低功耗和稳定性方面，可以较好的满足瓦斯监控系统的技术指标。

但该系统需要进一步优化网络的路由功能，解决移动节点在短时间内的网络切换问题，从而可以更好地应用于井下监控系统。

【相关文献】
[1]张志斌，王玉芬，李长江.ZigBee 无线传感器网络在瓦斯监测系统中的应用.矿上机械，2007(6).
[2]蒋挺，赵成林.ZigBee紫蜂技术及其应用.北京：北京邮电大学出版社，2006.
[3]WANG Wei-DONg，ZHU QING-XIN.A Hierarchical Clustering Algorithm and Cooperation Analysis forWireless Sensor Networks.Journal of Software，Vol.17, No.5, May 2006.
[4]高守玮，吴灿阳.ZigBee技术实践教程.北京：北京航空航天大学出版社，2009.
[5]吴呈瑜,孙运强.基于ZigBee的瓦斯无线监测系统硬件设计.今日电子，2008(1).
[6]杨梁，巩秀钢.ZigBee技术在井下瓦斯浓度监测中的应用.山东理工大学学报（自然科学版），2010，(3).。