Zigbee技戒在瓦斯楦测及辩下人员定位由硇应用
王晓峰张志恒郝潇张波／山西大学工程学院电力工程系
[摘
要]本文提出了基于Z{g bee技术的一种无线传感器的设计方案。硬件部分由CC 2431，及瓦斯传感器构成；分
为人员携带型和固定型两种；可以实时的、精确的检测井下瓦斯浓度，并实时的对井下人员定位。另外无线传感器将会
把瓦斯及定位信息通过无线接力方式送至并上的控制中心。
[关键词]zigbee
人员定位
瓦斯检测
无线传感器
随着科学技术水平的提高和企业管理的规范，我国的
煤矿安全生产状况总体上不断的好转。但是煤矿灾害事故
仍然频繁发生，2009年1至10月，全国煤矿瓦斯事故死亡551
人。从以上数据可以看出，瓦斯灾害事故仍然是煤矿企业中
危害最大、死亡比例最高的重大事故之一。
携带式节点为精简功能节点，只负责采集瓦斯浓度和人员
定位。
2硬件设
不同节点的不同功能由软件区分，硬件部分则采用以
CC24301CC243 1为核心的相同的结构．这 带来降低开发和
计
样
我国目前煤矿的瓦斯监测大致分为便携式瓦斯监测器
和瓦斯监测系统两种。其中瓦斯监测系统为固定安装，不能
生产威本，降低开发难度和风险．便于维护等好处。
2．1 CC2430／CC2431
CC24301CC2431芯片延用了以往CC2420芯片的架构。在
脱离线缆自由移动；而便携式瓦斯监测仪器只能检测到仪
器所在位置的瓦斯浓度。这样就不可避免的留下了瓦斯检 单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。
它使用1个8位MCU(8051)，具有32／641128KB可编程闪存
测的盲区，为瓦斯事故的发生埋下了隐患。当事故发生以
后，又必须分秒必争的确定井下人员的位置，为营救争取时 和8
KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器
(Timer)、AESl28协同处理器、看门狗定时器(Watchdog
Timer)、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power
问。将人员定位与瓦斯检测融为一体。可以较好的解决以上
这两个问题。
1ZigBee
On
Out
Reset)、掉电
检
测
电路(Brown
Detection)以及21个可编
1．1
程I，O引脚。
ZigBee技术概述
CC2430／CC2431芯片采用0．18 It,m CMOS工艺生产，工
ZigBee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络
技术，主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准，
作时的电流损耗为27 mA；在接收和发射模式下。电流损耗
在数千个微小的传感器之间相互协 现通信。这些传感
调
实
分别低于27 mA或25 mA。CC2430／CC2431的休眠模式和转
到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿
命非常长的应用。
换
器只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据
从一个传感器传到另一个传感器。因此它们的通信效率非
常高。ZigBee的基础是IEEE802．15．4，这是IEEE无线个人区
CC2431与CC2430的最重要区别在于CC2431具有— 个无
线定位跟踪引擎。CC2431的定位引擎通过接受参考节点的
标
域网工作组的一项标准，被称作IEEE802．15．4(ZigBee)技术
RSSI值经过定位算法计算而得到。在CC2431无线网络定位
准。ZigBee不仅只是802．15．4的名字。IEEE仅处理低级MAC
层和物理层协议。因此ZigBee联盟对其网络层协议和API进
系统中，定位精度与参考节点数量有关，一般而言，参考节
点越多，定位精度越高。
行了标准化。同时ZigBee联盟还开发了安全层，可以满足数
据传输中对安全的要求。
1．2网络拓扑结构
2．2瓦斯传感器
目前，矿井中常用的瓦斯传感器可分为热导式和热效式
两大类。热导式瓦斯传感器是利用瓦斯与空气的导热系数
不同而测量瓦斯浓度的。这种传感器能耗大、一致性和互换
性差、易受二氧化碳和水蒸气影响。适合与测量高浓度瓦
斯。
ZigBee传感器网络才的拓扑如图1所示。
热效式瓦斯传感器(又称热催化式瓦斯传感器)，其工作
原理是利用可燃气体在催化剂的作用下进行无焰燃烧，产生
热量，使元件电阻因温度升高丽发生变化，测知瓦斯的浓度。
这种传感器的优点是精度较高，输出信号较大(1％CH4时，输
出电压可达15— 20mV)，且不受其它燃气和灰尘存在的影
响。
图一
ZigBee传感器网络包含固定式节点、携带型节点、智能
分站和控制中心。控制中心由信息处理服务器、数据库等组
根据多种瓦斯传感器比较，最后采用KGS一20低功耗瓦
成，主要完成对瓦斯数据和人员定位数据实时采集、网络管 斯传感器。KGS一20以二氧化锡为基本敏感材料，专门用于
可燃气浓度检测的～种半导体型气体传感器。该传感器体
积小，耗电低，应用电路简单，报警浓度为甲烷≥ 1％。响
理、数据分析、处理，预警和报警等功能。智能分站除了充
当网络中的协调器，另外井下智能分站还 责无线网与有
负
应
时
间
≤ 20s，恢复时
湿度≤ 97％RH，静态功耗为150row，报警状态功耗为300roW。
供电 3— 5VDC。
2．3节点硬件设
2．3．1固定式节点的硬件设
调
间≤ 30s，工作温度范围一15℃一+50℃，
线网之间中转数据，使zigbee网络与控制中心联接起来，网
络中只能有一个智能分站。固定式节点作为路由，通过专用
接口，联接在井下专用电缆上。携带式节点由井下人员随身
携带的电源供电。
电压为
计
计
在拓扑结构中，井下智能分站充当zigbee网络中的协
固定式节点的硬件都分以CC2430为核心。瓦斯传感器
器，负责建立起zigbee网络，并协调网络工作。固定式节点
为网络中的路由节点，同时也是人员定位的参考节点。人员
通过信号调理电路，由CC2430中的ADC来采集调理电路输
科学时代· 2010年第Ol期62
万方数据
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