摘要：针对现在煤矿井下有线监控体系存在的问题，在此规划了一种无线传感器节点，其特点是无线的、移动性强、牢靠性高、低功耗、实时性强等，能够实时监测煤矿井下的环境参数，包含温度、湿度和瓦斯浓度，并将收集到的信息经过ZigBee无线传输方法进行发送。以CC24 30作为无线网络处理器，担任树立网络和传输数据，选用SHT11温湿度传感器和MJC4/3.0L瓦斯浓度传感器收集煤矿井下数据，用CC2591芯片作为无线发送前端，增强无线发送功率;软件架构选用Z-Stack协议栈，它是依据一个轮转查询式操作体系。最终经过试验测验标明，该无线传感器节点能实时精确地收集环境参数，有用地完结实时监测煤矿井下的环境情况。
0 导言
跟着国家对煤矿安全出产作业的日益注重，煤矿现代化办理的需求，煤矿安全监测体系越来越体现出其重要性。现在，我国许多矿山出产现场还处于有线传感器接到一个终端进行监测和操控，不只增加了本钱而且不利于全体的检测和操控，有些当地因为环境要素无法铺设有线传感器和操控终端，因而简略呈现监控盲点。所以大多的矿山出产现场需求一个无线的、移动性强、牢靠性高、低功耗、实时性强的监控设备。因而，本文规划了一种依据ZigBee无线传感器节点，能实时监测煤矿井下的环境参数，首要监测井下的温度、湿度和瓦斯浓度，并经过ZigBee无线传输方法进行发送。
1 传感器节点的硬件规划
无线传感器节点的硬件整体框图如图1所示，该体系由数据收集模块、CC2430处理器模块和CC2591无线模块及其电源模块组成。
其间收集模块由温湿度传感器SHT11、瓦斯浓度传感器MJC4/3.0L和功率扩大器组成。温湿度传感器SHT11将湿度传感器、A/D转化电路、信号扩大电路、I2C总线接口悉数集成于一个芯片，能够给出全校准相对湿度和温度值输出，带有工业规范的I2C总线数字输出接口，具有牢靠的CRC数据传输校验功用，监测得到温湿度信息，并转化为数字信号，传输到CC2430 I/O口。MJC4/3.0L归于热效式瓦斯传感器，精度高，抗搅扰能力强，适宜用于煤矿井下特别环境。MJC4/3.0L是经过桥路后输出模仿电压信号，而且为毫伏级的电压信号，因而有必要经过扩大电路扩大后再进行A/D转化。为了进步体系的精度，扩大器应该挑选具有差动输入，且功能比较稳定的器材。这儿选用ANALOG DEVICES公司出产的AD623扩大芯片。本规划选用P0.0口作为A/D转化的接口。
CC2430处理器模块由CC2430处理器和相关外围电路组成。该模块首要包含3.3 V和1.8 V电源电路、晶振电路、复位电路。电源电路选用TP63001直流降压芯片，把锂电池的电源转化为3.3 V电压给体系供电。
晶振电路的本振时钟信号挑选内部电路供给，外围电路由晶体振荡器和2个负载电容组成。体系由2个时钟信号，分别为32 MHz和32.768 kHz。32 MHz的晶振电路由1个32 MHz的石英谐振器XTAL1和2只电容构成，32.768 kHz的晶振电路由1个32.768 kHz的石英谐振器XTAL2和2个%&&&&&%构成。
尽管CC2430内部集成无线收发器和8051内核，但简略遭到搅扰，而且通讯间隔有限。因而在CC2430器材与天线之间加一级接口电路即CC 2591无线模块，用来扩大接纳和发送信息的功率，保证数据传送的间隔。
2 传感器节点的软件规划
2.1 Z-Stack协议栈
体系的软件结构选用TI的Z-Stack协议栈Z-Stack在硬件上支撑CC2430芯片，并选用了操作体系的概念，包含了信息办理、使命同步、定时器办理、中止办理、使命办理等功用，无线模块上电后，Z-Stack履行对应的初始化操作，依据节点的人物组成/参加ZigBee网络，并进入OSAL事情轮询，依据音讯呼应转到对应的结构层履行详细操作，详细进程如图2所示。
2.2 和谐器的规划
和谐器首要担任无线网络的创立，数据的接纳、处理以及发送操控指令。和谐器开端发起并创立ZigBee无线网络。首要由和谐器的API层经过NIME-NET-WORK-FORMATION.request原语发动新的网络;NWK层向MAC层恳求进行信道能量扫描，详细经过原语MLME-SCAN.request进行，在取得信道搅扰情况后MAC层经过MLME-SCAN.request原语回来;NWK层依据信道能量检测值的巨细对信道进行排序，经过修正MLME-SCA N.request原语参数，再次对信道进行扫描，记载可利用的信道列表，扫描成果由MAC层经过MLME-SCAN.request原语回来;NMK层在挑选一个适宜的信道后，依据扫描成果挑选PANID，而且将自己的短地址设为0x0000，并经过MLME-SET.Request原语完结MAC层中的相关设置，完结后经过MLME-SET.confirm原语回来;设置好相关网络参数后，NWK层向MAC层发送原语MLME-START.request正式发动运转ZigBee网络，MAC层经过MLME-START.confirm原语反应网络的发动情况;NWK层将取得的网络发动情况向API层陈述，经过原语NIME-NETWORK-FORMATION.con firm完结，最终完结网络的树立。
和谐器节点在创立ZigBee无线网络后，开端收发数据及发送各种操作指令。首要和谐器判别当时是否有新的节点参加自己树立的网络，假如有则自动分配一个短地址给新参加的节点;然后接纳节点发送过来的数据信号，并经过串口传给上位机显现和处理。其程序流程如图3所示。
2.3 传感器的规划
传感器节点的首要使命是收集温湿度、瓦斯浓度等数据且发送给和谐器，一起接纳履行操控指令。首要传感器节点敞开初始化，接着自动扫描有用的网络信道，寻址最佳的的父节点，NWK层向MAC层发送MLME-ASSOCIATION.request，由MAC层完结网络的物理衔接，MAC层将回来MLME-ASSOCIATION.confirm原语，陈述衔接状况，若衔接成功，NWK层将记载父节点分配的16位短地址，设置邻接表信息，并向API层发送承认原语NLME-JOIN.confirm。
设备在参加网络后，调用osal_start_timerEx()函数发动定时器，周期触发APP_SEND_PERIOD%&&&&&%_MSG_EVT事情的产生，相当于周期收集煤矿井下的环境参数，假如定时器没溢出，事情没有被触发，则节点进入休眠状况，以便节省能源。假如节点在休眠期间，外部中止或定时器中止产生，节点会康复到作业状况，开端履行使命。其程序流程如图4所示。
2.4 节点的通讯
Z-Statck协议栈中，都是经过调用ProcessEvent()函数来处理每一个使用层的使命事情，在ProcessEvent()函数中有一个定时器事情处理循环检测事情的产生。其间传感器节点(发送端)直接调用AF_DataRequest()函数来发送数据，而接纳端(和谐器)则是经过调用AF_INCOMING _MSG_CMD音讯事情来判别是否收到传感器发送过来的数据。
传感器节点首要将丈量的温湿度、瓦斯浓度等数据转化为ZigBee协议包，然后经过多跳方法将数据包传送给和谐器。当和谐器接纳到传感器发送过来的数据包之后，解分出数据源的短地址，将温湿度、瓦斯浓度等信号值上传给上位机，上位机实时显现当时节点的收集到的数据，一起和谐器按原途径回来承认信息给传感器节点。详细的数据通讯流程如图5所示。
2.5 数据传输协议
本体系触及数据在井下无线传感器网络中的传输，以及井下数据到地上监控体系的传输。需求传输的数据包含有经过ZigBee网络核算的环境参数监控数据(如温度、湿度、瓦斯浓度等)。
数据以字节为单位，依据不同节点承当的详细使命觉得实践数据包的内容和长度，用表1所示格局标明。
其间数据类型以及其对应数据长度如表2所界说。
Z-Stack协议栈选用分层的结构，以事情为驱动，契合操作体系的音讯机制，ZigBee节点间的数据传输，首要需求确认接纳数据所在的结构层以及所属的事情ID，OSAL才能将数据传送到正确的方位。
本体系ZigBee节点的嵌入式代码在Z-Stack的基础上进行编写，每一结构层的操作中看作一个使命，界说使命ID;每一层中分为不同的事情，界说事情ID，体系使命ID的界说以及使用层中的事情ID如表3和表4所示。
3 试验研讨与剖析
在试验中，将规划的节点组成测验网络，在试验室的不同方位放置了和谐器节点和传感器节点，和谐器经过串口与PC机相连，将接纳到的数据在串口中显现出来。首要翻开和谐器的开关，几秒钟后，绿色LED灯点亮，标明和谐器树立无线网络成功。然后翻开传感器节点的开关，几秒钟后，绿色LED灯点亮，标明和谐器节点参加网络成功，传感器节点参加网络后将自己的短地址和收集到的数据发送给和谐器，和谐器经过串口上传到上位机。图7是经过串口调试东西检查收集数据。
经过以上试验测验剖析，得到无线传感器节点的功能指标如表5所示。
4 结语
本文规划了一种煤矿井下无线传感器节点，选用CC2430芯片为中心处理器，收集模块选用高集成度的温湿度传感器SHT11和瓦斯传感器MJC4/3.0L，能实时监测煤矿井下的环境参数。ZigBee网络具有组网简略、开支小、自组织能力强，十分适宜于煤矿井下特别的环境。因而煤矿井下无线传感器节点的使用将使得煤矿井下的安全监控愈加的自动化、网络化和智能化，进一步有用地保证井下作业人员的安全。
