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        基于ZigBee的煤礦數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

        2010-05-09 12:12:16張橫云
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        張橫云

        四川科技職工大學(xué)計算機系 四川 610101

        0 引言

        無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)既能及時準(zhǔn)確地采集煤礦井下指定地點的電壓、溫度、壓力等信息,又能保證巡檢人員在現(xiàn)場檢測的人身安全?,F(xiàn)有的采集系統(tǒng)大多采用預(yù)先布線,通過有線方式進行數(shù)據(jù)采集,主要存在的問題:擴展性差、布線繁瑣、不能動態(tài)聯(lián)接隨時改變采集地點。為此本文介紹了如何利用射頻芯片CC2520與MSP430F2618實現(xiàn)基于Zigbee的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

        1 系統(tǒng)總體設(shè)計

        根據(jù)一般礦井現(xiàn)場實際需要,按照ZigBee技術(shù),在坑道頂部設(shè)置ZigBee節(jié)點,由這些節(jié)點執(zhí)行組網(wǎng)、感知、采樣和初步的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。為了避免井下復(fù)雜環(huán)境對無線信號的干擾,所有ZigBee節(jié)點使用的都是抗干擾的直序擴頻通信方式,而且每個節(jié)點都有接收信號強弱指示功能(RSSI)。為了保證ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性,在布置ZigBee節(jié)點時,應(yīng)使每個節(jié)點要一對多進行通信。另外,礦井安全檢測人員也可攜帶ZigBee節(jié)點作為移動節(jié)點,這些移動節(jié)點將自身信息發(fā)送到固定的ZigBee節(jié)點上,再借助固定的ZigBee節(jié)點將自己的信息傳送到地面的控制中心。為了確保通信的可靠性及減輕可能的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸流量,每個坑道的ZigBee網(wǎng)絡(luò),除了自身通過無線方式與控制中心相連接以外,還可在適當(dāng)?shù)牡胤脚c有線網(wǎng)絡(luò)相接,以保證和控制中心通信的可靠性(如圖1所示)。

        2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

        數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)MCU采用先進的MSP430F2618嵌入式單片機作為核心部件,通過CC2520與采集節(jié)點進行數(shù)據(jù)通信,并將數(shù)據(jù)采集結(jié)果在LCD液晶屏上顯示。數(shù)據(jù)采集節(jié)點主要是將捕捉的現(xiàn)場信號經(jīng)轉(zhuǎn)換器ADC采樣、量化、編碼后,變成數(shù)字信號傳給MCU,并無線發(fā)送數(shù)據(jù),MCU的主要工作是接收數(shù)據(jù)信息、進行數(shù)據(jù)采集節(jié)點管理、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)管理,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖1 基于ZigBee的礦下無線采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

        圖2 ZigBee節(jié)點架構(gòu)

        MSP430F2618是TI公司推出的最低功耗16位通用高性能微控制器家族的五個最新產(chǎn)品系列之一。該器件集成了高達120KB的程序存儲器,并支持20位地址字,因此將總體可尋址存儲容量提升至1MB,從而支持更復(fù)雜程序的開發(fā)。另外還包括三通道直接存儲器存取DMA,八通道12位ADC與雙通道12位DAC等。通用串行通信接口(UCSI)能通過靈活的標(biāo)準(zhǔn)實施方案來縮短開發(fā)時間。

        CC2520是TI公司的第二代的ZigBee RF收發(fā)器,主要用于2.4GHZ的ISM頻段。CC2520可工作高達125度,可提供極好的靈敏度和共存性能,有極好的連接性能和可低電壓工作。此外,CC2520支持幀處理,數(shù)據(jù)緩沖,突發(fā)傳輸,數(shù)據(jù)加密,數(shù)據(jù)鑒權(quán),空閑頻道檢測,連接質(zhì)量指示以及幀定時信息等,從而降低了主控制器的加載。

        3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

        系統(tǒng)軟件中包括數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)傳送等功能。系統(tǒng)初始化階段,以串口1為控制接口,串口2為ZigBee模塊的接口。主程序啟動后,當(dāng)串口1監(jiān)測到采集指令時,通過串口2配置ZigBee模塊以建立無線通信鏈路;啟動A/D轉(zhuǎn)換器,將前端傳感器反饋到對應(yīng)的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為可以直接處理的數(shù)字信息。軟件流程圖如圖3所示。

        圖3 軟件流程圖

        4 測試

        系統(tǒng)測試環(huán)境是學(xué)校室內(nèi)走廊,氣溫約15度,節(jié)點輸出功耗-27dbm。多個ZigBee模塊,USB連接線和計算機終端設(shè)備。對系統(tǒng)進行了點對點通信測試和組網(wǎng)通信測試,并對傳感器模塊進行了測試。傳感器模塊測試主要包括采用標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體對瓦斯?jié)舛炔杉K的測試以及溫濕度模塊的測試。由于井下瓦斯的主要成分為甲烷,在瓦斯?jié)舛炔杉K的測試過程中,可采用純凈甲烷(99.99%)作為標(biāo)準(zhǔn)氣體,使用玻璃試驗裝置來檢驗瓦斯?jié)舛炔杉K能否正常工作,而在溫濕度模塊的測試中檢驗通信接口和時序是否工作正常即可。如圖4所示是瓦斯?jié)舛炔杉K的測試試驗結(jié)果,ZigBee節(jié)點采集的差分電壓值Vd(mV)與甲烷濃度值(Vol%)存在基本線性的關(guān)系,能正常工作。

        圖4 瓦斯?jié)舛炔杉K試驗結(jié)果圖

        5 結(jié)束語

        本系統(tǒng)通過CC2520+MSP430F2618實現(xiàn)了無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能,可同時對多個區(qū)域進行監(jiān)測,安裝維護簡單。通過軟硬件聯(lián)調(diào),可實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送與接收,并實現(xiàn)簡單的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與顯示,通過串口可以將數(shù)據(jù)上傳至上位機,網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)及路由效果良好。

        [1]吳呈瑜.基于ZigBee的煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].中北大學(xué).2008.

        [2]CC2520專題[EB/OL].http://www.c51rf.com/download/CC2520.aspx.

        [3]MSP430專題[EB/OL].http://www.c51rf.com/download/MSP430.aspx.

        [4]萬志平,金永敏,楊亦紅.基于ZigBee的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J].信息技術(shù).2009.

        [5]邵清亮,武衛(wèi)東,李軒.基于Adhoc網(wǎng)絡(luò)的礦下無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報.2005.

        [6]陳丹陽.基于Zigbee的瓦斯?jié)舛炔杉到y(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].西安科技大學(xué).2008.

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