基于ZigBee通信的瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2002年8月成立了由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司組成的ZigBee聯(lián)盟。ZigBee的物理層和鏈路層協(xié)議主要采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，利用全球共用的公共頻率2.4～2.484 GHz免執(zhí)照頻段進(jìn)行通訊，工作在2.4 GHz頻段上的最高傳輸速率為250 Kb／s，采用了0-QPSK調(diào)制方法。圖3給出ZigBee無線通信接口電路，用于通信的ZigBee線路接入器選用符合標(biāo)準(zhǔn)ZigBee協(xié)議的集成收發(fā)RF器件CC2420和利用PCB無線收發(fā)天線，以及少量的外圍器件。CC2420采用直序擴(kuò)頻技術(shù)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。電路中，其外圍電路包括晶體振蕩器時(shí)鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和微控制器接口電路3部分。CC2420的晶振信號(hào)既可由外部有源晶體提供，也可由內(nèi)部電路提供。由內(nèi)部電路提供時(shí)，需外加晶體振蕩器和兩只負(fù)載電容，容值取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數(shù)。射頻輸入／輸出匹配電路主要用來匹配器件的輸入／輸出阻抗。CC2420通過內(nèi)部繼承的SI、SO、SCK和CSn 4條SPI總線設(shè)置器件的工作模式，并實(shí)現(xiàn)讀／寫緩存數(shù)據(jù)及讀／寫狀態(tài)寄存器等功能，通過控制FIFO和FIFOP引腳接口狀態(tài)設(shè)置發(fā)射／接收緩存器。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，CSn必須始終保持低電平。另外，通過CCA引腳狀態(tài)的設(shè)置清除通道估計(jì)，通過SFD引腳狀態(tài)的設(shè)置控制時(shí)鐘／定時(shí)信息的輸入。當(dāng)系統(tǒng)上電后，將自動(dòng)與井下無線通信網(wǎng)絡(luò)建立鏈路關(guān)系，通過中心控制臺(tái)，向監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)出網(wǎng)絡(luò)連接自檢信號(hào)，當(dāng)MCU接收到連接信號(hào)后，返回應(yīng)答信號(hào)至控制中心，完成一次完整的ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信；如果在發(fā)送信號(hào)時(shí)ACK標(biāo)志位置位，而且在一定的超時(shí)期限內(nèi)沒有收到應(yīng)答，發(fā)送器將重復(fù)發(fā)送固定次數(shù)，若仍無應(yīng)答就宣布發(fā)生錯(cuò)誤，請(qǐng)求重新建立通信連接。當(dāng)通信鏈路成功時(shí)，整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)開始工作，C8051F010將采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換、分析處理，將結(jié)果保存到內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器中，通過SPI接口方式與CC2420實(shí)現(xiàn)通信。CC2420擴(kuò)頻后將數(shù)據(jù)發(fā)送到中繼器FFD-1以數(shù)據(jù)包的形式傳送給下一級(jí)FFD網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，依次傳輸后到達(dá)井口的FFD中繼器，它通過RS485有線連接到地面指揮中心。

下位機(jī)程序設(shè)計(jì)方案包括動(dòng)態(tài)連接網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集部分和應(yīng)用控制程序。動(dòng)態(tài)連接網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)查詢網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和建立通訊鏈路；數(shù)據(jù)采集部分包括瓦斯濃度的采集、處理和保存；應(yīng)用控制程序負(fù)責(zé)執(zhí)行控制命令等功能?？傮w程序流程如圖4所示。

在仿真試驗(yàn)箱內(nèi)，對(duì)不同測(cè)試點(diǎn)分別注入不同濃度的瓦斯樣本用于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試。表1給出不同測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果對(duì)比，真實(shí)值由標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試儀提供；該方法由仿真監(jiān)控中心上位機(jī)提供。實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)保證了誤差在1％以內(nèi)的精確度。

設(shè)計(jì)了基于ZigBee和雙MCU結(jié)構(gòu)的井下無線通信現(xiàn)場(chǎng)綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過巧妙選擇和配置控制器，合理優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)接口電路，實(shí)現(xiàn)了傳感器信息的高速、高精度采集和復(fù)雜算法的大數(shù)據(jù)量實(shí)時(shí)計(jì)算、分析等功能，并降低成本，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。

該系統(tǒng)作為井下現(xiàn)場(chǎng)綜合監(jiān)測(cè)的子系統(tǒng)，用于井下瓦斯信息的采集分析。實(shí)驗(yàn)表明，它能夠滿足井下的信息采集、數(shù)據(jù)分析以及通信控制等任務(wù)，具有較好的可靠性和實(shí)時(shí)性。