基于ZigBee技术的无线红外瓦斯传感器智能监测系统设计

摘要：给出了以AT86RF212为核心的ZigBee无线通讯技术实现红外检测终端的组网监测方法，详细介绍了系统架构及终端红外检测模块的硬件设计及软件架构。该方法可以很好地实现井下特殊环境下的检测布控，从而有效监控井下各点的瓦斯突变。
关键词：Zigbee；红外无线通信；瓦斯传感器；智能监控

0 引言
    在煤矿开采过程中，矿井瓦斯浓度的测量对煤矿安全生产非常重要。对煤矿井下瓦斯浓度进行精确测量和实时监测控制是防止煤矿瓦斯爆炸、确保人身安全的重要措施。但目前我国矿井存在不能实时监测井下的瓦斯、温湿度等信息，瓦斯检测系统技术滞后等问题，给矿井安全带来重大隐患。因此，本文采用IEEE 802．15．4／ZigBee协议，设计了一种以基于ATMEL公司AT86RF212为核心的无线监测传感器网络系统。

1 ZigBee协议简介
    ZigBee是ZigBee联盟定义的无线网络标准，ZigBee联盟的主要目标是通过加入无线网络功能，为消费者提供更富有弹性、更容易使用的电子产品。ZigBee技术能融入各类电子产品，应用范围横跨全球的民用、商用、公共事业以及工业等市场，使得联盟会员可以利用ZigBee这个标准化无线网络平台，设计出简单、可靠、便宜又节省电力的各种产品。
    ZigBee技术网络有两种网络拓扑结构：星型的拓扑结构和对等的拓扑结构。星型拓扑网络结构由一个叫做PAN主协调器的中央控制器和多个从设备组成。主协调器必须为一个完整功能的设备；从设备既可为完整功能设备，也可为简化功能设备。在实际应用中，应根据具体应用情况，采用不同功能的设备，合理地构造通信网络。

2 无线瓦斯传感器监控系统组成
    图1所示是本无线瓦斯传感器监控系统的组成框图。该系统设计主要包括监控节点模块、数据接收模块及井上信息综合处理中心等部分，主要是利用不同的瓦斯采集终端对各采集点进行瓦斯采集，通过建立的Mesh无线通信网络将数据进行中继传输，逐级路由最终到达地面监控中心，实现动态显示、分析及其他处理。Mesh网络有效缩短了信息传输的延时，并提高了网络通信的可靠性。基于ZigBee技术的中继器由节点除负责发送本节点的数据外，还负责转发其他节点的数据至中心节点，从而形成无线通讯网络。

3 终端采集节点设计
    终端采集节点由传感器模块、无线通讯模块和电源模块组成。基于ATMEL公司的AT86RF212 RF射频芯片及PIC18F4580 CPU构成的终端瓦斯数据采集节点实现了将井下各工作面和巷道点的瓦斯数据及其他温湿度数据信息通过各中继模块上传地面综合信息处理中心。该终端节点采用了红外气体检测技术来进行瓦斯气体检测，克服了原来催化燃烧传感器检测精度低、高浓度易中毒等缺点，更好地实现了井下瓦斯数据的监测。图2所示为该节点的整体设计框图。

    对于无线射频电路来说，需要特别注意电路中的器件间相互干扰。在设计无线模块电路部分，需要采用双层PCB架构，Toplayer层主要用于信号线的布线，Bottomlayer层主要用于电源线和地线的布线，在无线的区域需要打少量过孔。另外，AT86RF212芯片为了避免干扰，芯片底部必须接地，这样在芯片底部也需要打少量过孔与地相连。芯片的电源管脚需相连去耦电容，外围器件采用0402封装的阻容器件。PCB天线采用FR4普通板材，可使天线获得最佳性能，其介电常数要求为4．5，板材厚度为1 mm，敷铜厚度为0．35 μm。

4 ZigBee软件节点设计
    整个软件包含的子程序有AD测量浓度模块、无线收发模块、终端显示模块等几部分组成。系统每隔500 mS采集一次井下终端所处环境的瓦斯浓度等模拟量，30 s滤波处理后显示。其软件流程图如图3所示，图4所示是ZigBee收发模块的设计流程。

5 结语
    在矿井采煤及掘进面上，由于放炮会造成传感器通信线路的损坏，影响传感器正常的使用问题，本文提出的以AT86RF212为核心，基于ZigBee无线通信技术的解决方案具有低功耗、低成本的优势。该方案设计的无线红外传感器比传统的瓦斯传感器，在监控组网的便捷性及终端设备的使用寿命上都有很大的优势。用ZigBee的无线通信方式代替原来使用的有线通信方式，大大提高了监控系统的性能。实验证明，设计的无线红外瓦斯传感器结构简单、性能更加稳定，更适应煤矿井下恶劣工作环境。