地质职称论文网范文基于ZigBee技术的红外无线瓦斯矿灯的设计

　　目前，井下瓦斯检测人员在使用瓦斯矿灯检测时，无法与井上监控中心进行实时通信，只能手工记录，工作量大，并且井上管理人员也无法监控到瓦斯检测人员工作是否认真，检测地点是否全面，检测数据是否准确等情况。如果发生瓦斯超限的紧急事件，井上管理人员也无法及时得到消息，以至于不能有效防止危险的发生。ZigBee技术在井下的应用解决了这一系列难题。

　　摘要：针对当前矿井中存在的瓦斯检测人员工作量大、瓦斯浓度检测不标准、井下通讯不及时等问题，设计了一种基于ZigBee技术的高精度、多功能、智能化程度高的红外无线瓦斯矿灯。笔者介绍了红外无线瓦斯矿灯的工作原理，研究了该矿灯软件和硬件的设计。通过无线射频芯片CC2430，实现了数据的无线传送。该瓦斯矿灯可全程跟踪井下人员的作业情况，确保瓦斯检测工作的顺利进行。

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　　ZigBee是以一个个独立的工作节点为依托，以无线通信方式组成星状或网状网络结构。每一个ZigBee网络传输模块都拥有一个独立的ID号(身份识别标志)，在网络范围内可以相互通信，整个网络的传输距离可以扩展到几百米,甚至几千米。另外,整个ZigBee网络还可以与现有的以太网等各种网络相连接[1]。基于上述原因，笔者设计了一种基于ZigBee技术的红外无线瓦斯矿灯。当井下瓦斯检测人员配备有ZigBee技术的瓦斯检测装置时，便在井下组成了一个大型无线通信网络，可随时与井上管理人员联系，最大限度地避免了灾害发生。

　　一、红外无线瓦斯矿灯的工作原理

　　MH-440D红外瓦斯传感器利用非色散红外(NDIR)原理对空气中存在的瓦斯进行探测，具有很好的选择性，无氧气依赖性。红外瓦斯传感器内部集成了一个线性温度传感器，可进行温度补偿。检测原理为甲烷气体对特定波长的红外光具有一定的吸收作用，甲烷浓度越大,吸收越强烈[2]。当红外瓦斯传感器探测到瓦斯时，红外探测器接收的光信号减弱，由光信号的改变得到输出电压的改变，输出信号随瓦斯浓度变化的曲线如图1所示。

　　图1 MH-440D红外瓦斯传感器0.4-2.0V输出特性曲线图

　　单片机接收到瓦斯浓度值后，对其进行判断，如果瓦斯超限，瓦斯矿灯将自动进行声光报警，同时，将瓦斯浓度数据通过无线发射模块(CC2430)进行发射，无线信号均由设置在检测点一定范围内的无线路由基站接收，并通过布置于井下的由无线路由基站构成的微功耗无线网络传输到监控中心。

　　二、红外无线瓦斯矿灯硬件设计

　　红外无线瓦斯矿灯硬件部分由红外瓦斯传感器MH-440D、控制单元、LCD、声光报警电路、调校电路、存储电路、无线发射模块(CC2430)和电源等组成[3]，硬件结构如图2所示。

　　图2 无线瓦斯传感器硬件结构图

　　1.瓦斯检测电路

　　瓦斯检测电路由红外瓦斯传感器和A/D转换器组成。当一束特定波长的红外光穿过含有甲烷的气体后，甲烷气体对红外光进行吸收，红外探测器接收的光信号减弱。减弱的光信号经A /D接口转换成电信号，由单片机进行运算处理，通过LCD显示甲烷的浓度。该瓦斯检测电路的A/D转换由单片机自带的A/D转换口完成，省去了A/D转换模块，减少了外围电路，提高了系统集成度。瓦斯检测电路原理如图3所示。

　　图3 瓦斯检测电路原理图

　　2.单片机控制系统

　　无线瓦斯矿灯的控制系统由单片机、声光报警器、LCD显示器、标校电路和存储电路组成。无线瓦斯矿灯的标校由标校系统完成，超限阀值和定位信号间隔时间通过仿真器进行设定。单片机接收到瓦斯浓度值后，经运算处理，通过LCD显示器显示数据，同时判断瓦斯浓度是否超过预设值。如果瓦斯超限，瓦斯矿灯将自动进行声光报警。单片机通过SPI接口将瓦斯矿灯ID数据和检测到的瓦斯浓度数据等传输给无线发射模块，由无线发射模块完成数据发射，该数据能被路由基站接收，并传输到监控中心。无线瓦斯矿灯的主控制芯片选用STC12LE5412AD，该单片机采用单时钟/机器周期(1T)，比普通8051单片机快12倍;具有高速SPI端口，能满足同无线通信芯片的高速数据传输要求;超低功耗设计、ESD保护、抗4KV快速脉冲干扰和宽电压防电源抖动等特性，使其能较好地应用于煤矿井下环境[4]。

　　3.无线通信模块

　　Zigbee技术是最近几年提出的一种近距离、低功耗、低复杂度、低成本的无线通信技术，通过自组网技术进行信息传递[5]。完整的ZigBee体系结构是由应用层、网络层、应用支持层、介质访问层、数据链路层和物理层组成。ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化;物理层、介质访问层和数据链路层则采用IEEE 802.15.4标准[6]。

　　CC2430是可以实现嵌入式ZigBee 应用的片上系统，支持2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee 协议。CC2430芯片只需很少的外围元件即可完成硬件系统的设计，外围电路使用一个非平衡天线，连接非平衡变压器，可优化天线性能[7]。图4为无线通信模块部分电路原理图。

　　图4 无线通信模块部分电路原理图

　　CC2430有21个可编程的I/O口引脚，P0、P1口是完全的8位口，P2口只有5个可使用的位。通过软件设定一组SFR 寄存器的位和字节，可使这些引脚作为通常的I/O 口或作为连接ADC、计时器或USART部件的外围设备I/O口。此处将芯片CC2430的P1.0-P1.7端口作为与芯片STC12LE5412AD的通信端口。

　　三、无线瓦斯矿灯软件设计

　　无线瓦斯矿灯软件部分主要负责对检测到的瓦斯数据进行处理，包括浓度显示、浓度判断、数据发送等功能。为了提高检测数据的准确度，对经A/D转换后的瓦斯浓度数据采用中值滤波法，每次读取10个值，去除其中的最大值和最小值，取剩余8个转换值的平均值[4]。当瓦斯检测人员在固定位置记录瓦斯浓度时，需按下存储键来确认检测完成，将检测到的瓦斯浓度数据通过无线发射模块进行无线发射;当瓦斯浓度超限时，除在LCD显示屏上显示外，同时启动声光报警和触发CC2430发送超限信号。同时，无线发射模块每隔10-20S主动发射一次定位数据，确定瓦斯检测人员位置。软件流程如图5所示。

　　图5 瓦斯矿灯软件流程图

　　瓦斯矿灯工作流程部分核心程序代码如下：

　　AAA1：中值滤波程序

　　JNB P1.1 AAA2

　　MOV DPTR 3AH

　　MOVX A @DPTR

　　SUBB A direct

　　JC AAA1 ;判断超限，不超限返回AAA1

　　CLR P1.0 ;声光报警

　　AAA2: MOV A 3AH

　　MOV SBNF A

　　四、结论

　　设计中将红外瓦斯传感器、高速低功耗单片机STC12LE5412AD和单片射频收发芯片CC2430结合起来，具有低功耗、数据传输距离远、高抗干扰性和移动灵活等特点。基于zigbee技术的红外无线瓦斯矿灯从设计上将瓦斯检测和井下无线通信进行了融合，把井下瓦斯检测从原来固定点的检测提升到了区域面的检测，有利于减少矿井瓦斯检测的“死区”，提高信号传输效率和瓦斯检测的可靠性，具有较好的实际应用价值。

　　参考文献：

　　[1]施邦平.基于ZigBee的无线传感器网络在灭火救援中的应用[J].消防科学与技术,2009(2).

　　[2]毛晓波,陈铁军,罗勇.非色散性智能红外瓦斯传感器的研究[J].电子技术应用,2008(1).

　　[3]吴强,沈斌,秦宪礼.无线射频瓦斯传感器研究[J].煤矿安全,2009(5).

　　[4]秦宪礼,刘新蕾,沈斌.基于无线射频通信的多功能瓦斯报警矿灯的研制[J].工矿自动化,2008(6).

　　[5]安葳鹏,沈志广,潘亚锋.基于ZigBee井下人员定位系统关键问题研究[J].煤矿安全,2009(5).

　　[6]薛毅飞,马海波,姜薇.基于ZigBee技术的井下综合人员管理系统[J].微计算机信息.2009(3).

　　[7]王玮,樊则宾.基于CC2430的无线温度检测终端的设计[J].计算机与自动化技术,2007(8).