基于ZigBee的煤礦綜合監控系統節點設計

O 引言
基于無線傳感器網絡的煤礦綜合監控系統由井下的傳感器節點、路由器節點、協調器和井上監控計算機、數據中心、網絡服務器組成。傳感器節點可以在井下固定放置，也可以由人員佩戴。系統由固定節點采集井下甲烷、硫化氫、一氧化碳、溫度、濕度等環境信息，通過由傳感器節點、路由器節點和協調器構成的無線傳感器網絡將環境信息數據傳送到井上監控計算機；同時也可以根據人員佩戴節點所在位置信息實現人員定位，并通過該節點獲取相應人員的身份及當時身體狀況等信息。本文主要介紹傳感器節點設計。

1 傳感器節點功能要求及總體結構
1．1 功能要求
該系統沒有設計專用的路由節點，因此傳感器節點不僅要采集傳感器信號，同時又要充當路由器。傳感器信號主要有甲烷濃度、硫化氫濃度、氧氣濃度、溫度、濕度、風速、壓力等信號；人員信息包括身高、體重、血型、姓名等基本信息。
1．2 總體結構
傳感器節點電路結構如圖1所示。主要包括傳感器調理電路、A／D轉換電路、報警電路、通用控制輸出電路和電源電路。

2 硬件電路設計
2. 1 處理器及主要元件選擇
傳感器節點處理器選擇了英國Jennic公司的JN5121無線模塊，它是業界第一款兼容于IEEE 802．15．4的低功耗，低成本無線微控制器。該模塊內置一款32位的RISC處理器，配置有2．4 GHz頻段的IEEE 802．15．4標準的射頻收發器，64 KB的ROM，96 KB的RAM，為無線傳感器網絡應用提供了完善的解決方案，同時高度集成化的設計簡化了總的系統成本。JN5121內置的ROM存儲集成了點對點通信與網狀網通信的完整協議棧；JN5121內置的RAM存儲可以支持網絡路由和控制功能而不需要外部擴展任何的存儲空間。JN5121內置的硬件MAC地址和高度安全的AES加密算法加速器減小了系統的功耗和處理器的負載。JN5121可應用于運行于2．4 GHz頻段的各種ZigBee無線傳感器網絡節點，包括協調器、路由器以及終端設備。
A／D轉換器選用了ADI公司的AD7708，是美國ADI公司開發的具有低噪聲、高分辨率、高可靠性及線性度好等優點，采用∑-△轉換技術的可配置10通道16位A／D轉換器件，其靈活的串行接口使AD7718可以很方便地與微處理器或移位寄存器相連接，可以利用SPI總線完成與微處理器的通信，可廣泛應用于工業過程控制、測量儀表、便攜式測試儀器、智能變送器、應變測量等領域。
2．2 甲烷測量電路設計
甲烷濃度測量選用了國產的煤礦甲烷檢測用載體催化元件，催化元件根據催化燃燒效應的原理工作，由檢測元件和補償元件配對組成電橋的兩個臂，遇可燃性氣體時檢測元件電阻升高，橋路輸出電壓變化，該電壓變量隨氣體濃度增大而成正比例增大，補償元件起參比及溫濕度補償作用，其測量電路如圖2所示。