基于物联网的矿井瓦斯灾害预警系统网络节点设计

摘要：针对当前有线矿井瓦斯监测系统存在监测盲区及线路繁琐、监测节点位置固定等问题，该文以TI公司CC2430微处理器为核心，设计了一个低消耗、低成本、便于携带和易于维护的多协调器物联网矿井瓦斯灾害预警系统网络节点，该系统网络节点综合解决了传统有线监测系统所不能到达的监测盲区和人工不能实时监测的问题，实现了无线瓦斯浓度动态监测。

关键词：网络节点；Zigbee；CC2430；瓦斯检测

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）34-8326-02

在矿井事故中，瓦斯事故占很大的比例。由于矿井环境恶劣，干扰信号很强，因此在矿井安全监控系统中，仍然大量采用固定传感器和用有线光缆进行信号传输的系统，此类系统需要在矿井内敷设电缆来传递监控信息。有线监控系统抗干扰性得到了提高，但在生产过程中，矿井的布局及构造会发生很大的变化，同时不同位置空间差距变化较大，对有线通信网络的敷设及维护带来了一定的困难。因此，设计无线矿井瓦斯实时监控、预警系统已成为当务之急，是预防煤矿安全事故的有效手段。

无线传感网络的出现，对物联网技术起到了很大的促进作用。

随着物联网技术的发展，无线传感网络也随之出现，其特有的低功耗、自组网的功能相比以往的有线传输通信系统具有了很大的优势[1]。把瓦斯传感器技术、嵌入式单片机技术以及无线传感网络技术结合在一起，可以克服目前矿井瓦斯监测系统存在的缺点，实现高性能的矿井瓦斯预警系统。

1 系统构建

瓦斯灾害预警系统由瓦斯传感器检测模块、无线射频模块、监控中心上位机等组成[2]。系统框图如图1所示，沿矿井巷道每隔30-50m，在巷道顶部安装一个无线传感网网络汇聚节点，在网络汇聚节点周围安装一些瓦斯传感器构成的流量传感器节点，另外，瓦斯安全检查人员可以携带一些动态的瓦斯传感器网络流量节点。整个系统由地面监控中心、固定及移动传感器节点组成。

2 系统硬件设计

基于物联网的矿井瓦斯灾害预警系统网络节点由瓦斯传感器流量传感器节点和无线传感网络Zigbee汇聚节点构成[3]。瓦斯传感器节点采集巷道周围的瓦斯浓度并转换成数字量，通过无线网络将数据发送到巷道汇聚节点。汇聚节点接收瓦斯传感器节点的信息，同时将各个节点的数据发送到上级嵌入式系统上位机，以供应用层处理和显示数据。系统包括以下各部分电路。

电源模块：矿井工作面提供24V直流电源，电源模块采用开关电源芯片，在电压波动情况下，稳定输出流量传感器节点所需电源电压；微处理器模块采用高性能能低功耗51单片机，具备无线传感网络应用所需的主要功能；传感器模块采用电化学型催化元件传感器，元件工作稳定、测量精度较高；无线收发模块使用TI公司CC2430芯片，实现无线传感网络多点数据的采集、传输和组网功能。

2.1 瓦斯浓度检测电路

瓦斯浓度检测采用MQ-2可燃气体传感器，可将瓦斯的浓度变换转换为电压的变换，对所得电压信号进行放大送入单片机，经过CC2430自带的A/D转换，转换为数字信号等待单片机的进一步处理。瓦斯浓度检测电路的原理图如图2所示。

2.2 系统电源模块

系统供电由分站输出的24V本安直流电源提供。系统电源电路如图3所示。24V本安直流电源接到DC-DC芯片MC33063的输入端，输出Vout端输出稳定的8V电压。Vout经TL317CLP稳压后输出+3V，作为系统的电源。

2.3 CC2430核心板电路

本系统考虑到低功耗、低成本、便携等因素，以短距离无线通讯单片机CC2430为核心，设计了CC2430核心板，通过组网核心板之间可完成信息的无线传输。核心电路如图4所示。

2.4 液晶显示模块电路

本系统的显示模块选用OCM12864-9，因为电源系统的续航能力，所以在显示模块中选择小尺寸液晶屏来降低能耗，另外OCM12864-9的正常工作电压为3.3V，正好可以和CC2430核心板公用一个供电系统，另外128×64点阵显示效果良好，足以很好的实现本系统的信息显示。

3 系统软件设计

本系统软件设计采用模块化的设计方法，整个程序包括主程序（汇聚节点、检测节点）、系统自检及初始化程序、A/D转换子程序、显示子程序等。所有的程序均采用C语言编写。该文只介绍汇聚节点以及检测节点程序设计思路。

3.1 汇聚节点程序设计

系统上电后，首先进行系统自检，对系统的硬件进行检测，如有问题，发出警报提示硬件出错；自检通过后，单片机系统首先重新设置堆栈指针SP，设置定时器、外部中断以及串行口的中端优先级，对定时器以及串行口的工作方式进行设置等；然后，CC2430芯片进行能量扫描，建立网络，允许其他节点加入无线互联网络；建立网络后，开始唤醒检测节点，接收瓦斯节点上传的数据，并进行处理，同时把各节点数据上传到应用层计算机。程序框图如图5所示。

3.2 检测节点程序设计

瓦斯检测节点程序流程图如图6所示。瓦斯检测节点初始化完成后，节点处于休眠状态，以节省电能，微处理器停止工作，无线模块处在低电流的待接收状态。汇聚节点或相邻节点发出命令后，节点自动唤醒休眠状态，进入工作状态，开始采集瓦斯浓度，同时判断瓦斯浓度是否超限，如超限，则发出报警信号并上传瓦斯浓度信息，然后再进入休眠状态。

4 结束语

新型低功耗基于物联网的矿井瓦斯灾害预警系统以CC2430为微处理器，硬件设计上采用低功耗器件和低功耗设计方法，解决了传统有线矿井瓦斯灾害预警系统的不足之处，本设计兼顾低功耗、低成本、便携带等优点，致力于保障国家及个人财产生命安全。对该瓦斯检测系统进行测试，各项技术指标均满足或优于该标准要求。

参考文献：

[1] 李文.物联网技术及其应用[J].福建电脑，2010（9）：48.

[2] 解海东，李松林，王春雷，等.基于物联网的智能矿山体系研究[J].工矿自动化，2011（3）：64-65.

[3] 魏宁，尹洪胜，刘秀荣，等.基于无线传感器网络的煤矿瓦斯监测系统的设计[J].工矿自动化，2010（1）：71-72.