徐　溪，鄭紀玲，徐　釗

(中國礦業(yè)大學信電學院，江蘇徐州　221008)

0　引言

在煤礦生產(chǎn)中，可能發(fā)生安全事故，而對井下環(huán)境氣體參數(shù)(CH4、CO、空氣溫濕度等)及設(shè)備運轉(zhuǎn)情況進行實時監(jiān)控和故障報警[1]，可在事故發(fā)生前進行有效的預(yù)警，亦可在礦井突發(fā)事故時有助于救護工作有效進行。但現(xiàn)有的監(jiān)測裝置通常選用8位或者16位的控制芯片處理采集數(shù)據(jù)，并通過CAN總線或者RS485總線傳送數(shù)據(jù)，這使得多數(shù)監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)處理能力有限，且對數(shù)據(jù)的有線傳輸方式使得其有成本高昂、維護困難等缺點。

文中設(shè)計一種基于STM32W108無線射頻芯片的環(huán)境監(jiān)測儀，該控制芯片采用了處理能力較強的32位ARM Cortex-M3內(nèi)核，且內(nèi)部集成了2．4 GHz、兼容IEEE 802．15．4的無線收發(fā)器，這種完全集成的系統(tǒng)級芯片可滿足絕大部分場合的環(huán)境監(jiān)測需求。

該監(jiān)測儀使用傳感裝置對井下溫濕度和瓦斯?jié)舛冗M行實時監(jiān)測，采集的數(shù)據(jù)存儲在Flash中，通過LCD實時顯示采集數(shù)據(jù)。在聯(lián)機使用時，應(yīng)用ZigBee無線通信功能與主機間進行雙向無線通信；在脫機使用時，可經(jīng)由數(shù)據(jù)接口連接上位機進行數(shù)據(jù)采集。而針對目前在用的便攜式環(huán)境監(jiān)測儀難以脫機持久工作的缺點，設(shè)計了一種具有運動狀態(tài)感知功能的監(jiān)測儀，當監(jiān)測到目標保持一段時間的靜止狀態(tài)時，可使控制芯片進入“深度睡眠”狀態(tài)，從而大幅度節(jié)省電能。

在充分考慮數(shù)據(jù)采集、機內(nèi)存儲、實時顯示、無線發(fā)送和低功耗要求后，對系統(tǒng)進行軟硬件設(shè)計。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1　系統(tǒng)硬件設(shè)計

1．1傳感器系統(tǒng)設(shè)計

1．1．1濕溫度傳感器模塊

溫濕度傳感器采用SHT11，該器件是具有I2C總線接口的單片全校準數(shù)字式相對濕度和溫度傳感器，具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標定、免外圍電路及全互換的特點[2]。

由于STM32W108本身并沒有I2C總線接口，在設(shè)計中，STM32W108通過2條GPIO線模擬I2C接口與SHT11進行通信。

1．1．2瓦斯傳感器模塊

瓦斯傳感器選用MJC4/2．8 J型催化甲烷傳感器模塊，測定環(huán)境中瓦斯的濃度。MJC4/2．8J型催化甲烷傳感器采用載體催化元件為檢測元件，敏感元件產(chǎn)生一個與甲烷的含量成比例的微弱信號，經(jīng)過由放大器件AD620及其外圍電路組成的放大電路后產(chǎn)生一個輸出信號，送入控制芯片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換輸入口，進行A/D轉(zhuǎn)換[3-4]。圖2為甲烷傳感器模塊的原理圖。

圖2　甲烷傳感器模塊原理圖

1．1．3加速度傳感器模塊

加速度傳感器模塊采用的芯片型號為ADXL345，其通過SPI口與控制芯片相連。

由于該便攜式監(jiān)測儀經(jīng)常在脫機狀態(tài)下由移動目標攜帶，所以大部分情況下其只能通過內(nèi)部電池進行供電，但是頻繁的更換電池或者充電給使用和維護帶來了諸多不便，而加速度傳感模塊的有效使用可大幅度節(jié)省系統(tǒng)電能，減少充電頻率，延長電池工作壽命。

其具體的節(jié)能工作過程為：開始時，該監(jiān)測儀處于“深度睡眠狀態(tài)”，當該監(jiān)測儀“運動”時，加速度傳感器將感知得到的加速度信號作為外部中斷傳輸給控制芯片，將其“喚醒”，系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài)；當MCU根據(jù)加速度信號判斷監(jiān)測儀保持一段時間的靜止狀態(tài)時，系統(tǒng)的穩(wěn)壓器、振蕩器和所有外設(shè)被關(guān)斷，控制芯片進入“深度睡眠狀態(tài)”，等待被喚醒[5]。

1．2USB接口電路設(shè)計

當環(huán)境監(jiān)測儀在脫機模式下工作時，可通過USB接口上傳Flash中的數(shù)據(jù)至PC，而由于控制芯片本身并沒有USB接口，設(shè)計中采用FT232RL來實現(xiàn)UART到USB接口的轉(zhuǎn)換，該芯片功耗低、引腳少、無需很多的外圍器件。

此外，當檢測儀處在脫機模式下進行上傳數(shù)據(jù)或者實驗測試時，可通過USB接口對檢測儀進行供電，而對鋰電池的充電操作亦可通過該接口進行。由于USB接口接入的是5 V電壓，可通過芯片LP2985將其轉(zhuǎn)換為3．3 V電源為系統(tǒng)供電。圖3為該USB接口連接示意圖。

圖3　USB接口電路連接示意圖

1．3系統(tǒng)電源設(shè)計

該監(jiān)測儀有2種供電模式，即在聯(lián)機模式下由鋰離子電池供電，而在脫機模式下由USB接口對其進行供電，以減少電池電能消耗，使用撥動開關(guān)在2種供電模式間進行切換。

通過芯片TPS79428可實現(xiàn)3．3 V電壓到2．8 V電壓間的轉(zhuǎn)換，為瓦斯傳感器供電，而芯片MAX828實現(xiàn)2．8 V到-2．8 V電壓間的轉(zhuǎn)換，±2．8 V電壓同時為瓦斯傳感器模塊中的放大器提供電能。具體電路連接圖如圖4所示。

圖4　電源電路連接原理圖

2　軟件設(shè)計

對該監(jiān)測儀的軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計思想，在IAR EWARM集成開發(fā)環(huán)境中使用C語言編寫程序，使得程序的編寫、修改以及調(diào)試較方便。

2．1主程序

STM32W108固件程序主要實現(xiàn)控制芯片對傳感器、LCD、串行Flash存儲器的操作，以及USB、按鍵、電源等的操作。當控制芯片與傳感器進行通信時，控制芯片發(fā)送請求給傳感器，傳感器返回響應(yīng)，控制芯片充當master，初始化所有通信，傳感器充當slave，響應(yīng)這些請求。該環(huán)境監(jiān)測儀完整運行的程序流程圖如圖5所示[6]。

圖5　主程序結(jié)構(gòu)框

2．2無線傳感網(wǎng)絡(luò)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種由許多傳感器節(jié)點組成的一種自組織無線網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中一般有一個或者幾個基站用來采集傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)[7]。

該設(shè)計依托EmberZNet協(xié)議棧構(gòu)建一套無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可使監(jiān)測儀相互間較方便地進行無線通信。該網(wǎng)絡(luò)由上位機軟件、匯聚節(jié)點、路由節(jié)點、傳感器節(jié)點4部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

而在具體的無線通信中，監(jiān)測儀可簡單地分為葉子節(jié)點和協(xié)調(diào)者兩個角色：葉子節(jié)點采集數(shù)據(jù)并無線發(fā)送給協(xié)調(diào)者，協(xié)調(diào)者負責建立網(wǎng)絡(luò)并接受葉子節(jié)點采集的數(shù)據(jù)[8]。

3　結(jié)束語

該礦用環(huán)境監(jiān)測儀以STM32W108為核心控制單元，擁有豐富的外設(shè)功能模塊，根據(jù)礦井的特殊工作環(huán)境，設(shè)計了聯(lián)機和脫機2種工作模式。在聯(lián)機工作模式下，該監(jiān)測儀可實時采集井下環(huán)境參數(shù)，將數(shù)據(jù)存儲于Flash中，并于LCD上實時顯示，同時可自行進行無線組網(wǎng)并與主機進行無線通信；在脫機工作模式下，可通過USB接口將Flash中的數(shù)據(jù)上傳至PC，以便后期對數(shù)據(jù)進行分析。除此以外，靈活的使用加速度傳感器模塊，可最大幅度降低電池的電能消耗，延長監(jiān)測儀的工作時間和電池的使用壽命。該便攜式低功耗礦用環(huán)境監(jiān)測儀功能豐富，工作模式多樣，擁有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻：

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