在比照常用瓦斯传感元件的基础上，挑选了OPTOSENSE公司最新出产的红外吸收式甲烷气体传感器MIPEX，规划了无线瓦斯传感器节点硬件电路。在ZigBee协议栈的基础上，规划节点软件程序。节点处于周期约为10 min的作业/休眠替换状况，在3节一般电池供电的状况下，从理论上估量其作业时刻可超越10年之久，是选用传统低功耗瓦斯传感元件所远远不能抵达的。
导言
瓦斯事端一直是煤矿安全出产的首要要挟。尽管近些年来，瓦斯监测技能不断发展，但瓦斯爆炸事情仍一再发生。国内外现有的煤矿安全监测体系均是选用有线衔接办法，具有很大的局限性。因为传感器选用有线衔接，这使其首要被约束在主矿道中使用。而在高瓦斯浓度的采煤作业面处，因为煤矿的不断挖掘，作业面各种大型设备需求不断地推动，设备之间的彼此方位也不断地发生改变，有线监测网络不能及时跟进矿道的改变，然后形成监测盲区。将无线传感器网络使用于瓦斯安全监测体系中，与现有有线监测网络相结合，构建一个更为全面的井下瓦斯监测体系，将有助于改进现在瓦斯监测领域中存在的问题。
在这样的体系中，传感器网络节点选用电池供电，其能量十分有限。但是常用低功耗瓦斯传感元件的功耗高达数百mW怎么下降节点能耗是无线瓦斯监测网络所要处理的关键问题。
1硬件电路规划
表1列出了现在常用低功耗瓦斯传感元件及其首要目标。从表中能够看出，常用低功耗瓦斯传感器的功耗都在100mW以上，这关于由电池供电的无线传感器节点来说是十分晦气的。并且表中所列传感元件都有必定的呼应时刻，即传感元件供电后，需求等候其呼应一段时刻，才干正确地反映瓦斯浓度信息。较长的呼应时刻约束了无线瓦斯传感器节点每次收集数据时的作业时刻不能太短。例如，TP-1.1A非加热甲烷气体传感器的呼应时刻挨近20 s.假如瓦斯传感器节点选用该传感元件，当其收集一次数据时，从给传感器供电开端，前20 s收集数据是没有意义的，因为这时传感元件处于呼应阶段，其电压值不能精确地反映实践瓦斯浓度信息。因而每收集一次数据，给传感元件供电的时刻至少继续20 s以上。关于如此高功耗的传感元件来说，收集一次数据所耗费的能量是十分巨大的。这使得所规划的无线瓦斯传感器节点的作业时刻过短，致使不能抵达实用化要求。
在无线传感器节点的规划中，还存在一个问题，即传感元件的作业电压与节点电路中微处理器及无线收发电路作业电压不一致。假如节点中不同模块的供电电压不同，则电路需求进行电压转化。而不同电压的转化将会添加电路规划的复杂度，然后使得节点能耗添加。
俄罗斯OPTOSENSE公司出产的红外吸收式甲烷气体传感器MIPEX选用非色散红外技能（NDIR）原理进行规划，其光源选用非传统的节能LED光源。该光源体系选用了先进的算法发生优化的辐射光谱，光线经过布满甲烷的光学体系后抵达含有硒化铅和硒化镉的光敏二极管上，然后对甲烷浓度进行监测。传感器内置温度传感器，并且内部集成信号处理和温度补偿体系，自行输出数字信号。数字信号能够有效地防止外部环境对其输出信号的影响。传感器输出的数字信号遵从UART格局。
本文所选用的无线收发芯片是CC2430，电源选用电池组供电。跟着电池能量的耗费，电池组输出的电压改变较大，很简单超出传感元件所要求的作业电压规模，因而需求挑选适宜的稳压器材，给传感器元件和无线收发电路供给安稳的作业电压。首要考虑如下：①节点拟选用3～4节5号电池供电，即关于稳压器材来说，其输入电压规模为4.5～6 V；②MIPEX传感器作业电压规模为3～4.5 V，而CC2430无线收发芯片的作业电压范嗣为2～3.6 V，这儿将两者电压一致挑选为3.3 V，这就要求稳压器输出电压为3.3 V；③无线收发模块最大作业电流为27mA，MIPEX传感器均匀作业电流为1 mA，所以要求所挑选的稳压器材能供给不低于28 mA的输出电流；④所挑选的稳压器材静态时的作业电流必定要尽或许小，以便节约能量。
考虑到一起满意以上4点要求，本文挑选了深圳明和科技公司出产的低压差线性稳压器MH5333.它的输入电压最高可达10V，输出电压为3.3V；最大输出电流达500mA，静态电流为1μA.可见MH5333稳压器材能较好地满意上述要求。
由3～4节5号电池串联作为稳压器MH5333的输入，其输出（3.3 V）为无线收发电路和传感器元件供给电源。无线收发电路与传感器元件之间经过串口进行数据传输。CC2430的引脚P0.0和P0.1别离衔接了一个LED灯，便利后边调试程序及调查程序的履行状况。为了下降能耗，这儿选用CC2430的一个引脚操控MIPEX传感器的电源。MIPEX传感器对其电源的要求是电源电压在3～4.5 V规模内，输出功率在0.02～0.25 W.CC2430的P1.0和P1.1两个引脚能够供给20 mA的驱动电流，可见CC2430的P1.0和P1.1两个引脚的输出功率能够满意这一要求。这儿挑选CC2430的P1.0引脚操控MIPEX传感器的电源。甲烷传感器MIPEX的TXD和RXD引脚别离衔接CC2430的P0.2和P0.3引脚，即衔接到CC2430的异步串行接口0的RXD和TXD端。
2节点软件规划
红外甲烷气体传感器MIPEX输出的数字信号遵从UART格局，要求波特率为9 600，8个数据位，1个中止位，无奇偶校验位。MIPEX传感器的操控指令遵从ASCII码，并且每一个操控指令结束都要以回车结束。每个MIPEX传感器都有自己的地址，其规模为00～FF.出厂时默许地址为00，用户能够自己改写。因为每个无线瓦斯传感器节点只带有一个MIPEX传感器，不需求修正其地址。
MIPEX传感器的数据查询指令为DATA.当CC2430需求查询MIPEX传感器中的浓度信息时，首要要向MIPEX传感器发送一组指令：44 41 54 41 0D.其间前4个字节别离是“D A T A”所对应的ASCII码值，最终的“0D”为回车符的ASCII码。MIPEX传感器接收到查询指令后，其返回值为Concl.该返回值是以一个5位的ASCII码来表明浓度信息的，结束仍然是一个回车符（0Dh）。例如，甲烷气体浓度为1.86％，传感器的返回值为00186.48 48 49 56 54别离为0 0 1 8 6的ASCII码，如下所示。
传感器上电后，需求60 s的热身时刻。在这期间，传感器输出的不是浓度信息，一般为FFFF.60 s往后，传感器才输出正确的丈量值。因而在规划读写传感器的程序时，等传感器上电1 min后，再向其发送数据查询及读取指令，不然读取的数据没有意义。
无线收发芯片CC2430有4种作业形式：PM0、PM1、PM2和PM3.其间PM3形式最省电，但只能被外部中止唤醒；PM2形式比较省功耗并且能够被守时唤醒。这儿的低功耗设置是让CC2430作业于PM2形式。ZigBee协议栈的低功耗完成分为两个部分：一个是没有使命需求履行时，主动进入低功耗形式；另一个是CC2430周期性收集瓦斯浓度信息时的低功耗规划。ZigBee协议栈在进行使命轮询时，假如没有需求履行的使命，其会主动进入低功耗形式。详细完成是在协议栈主循环程序osal_start_system中调用osal_pwrmgr_powerconserve（）低功耗函数。该函数把获取OS层timer下一次届时的时刻作为参数，调用hal_sleep（）进入PM2睡觉形式。假如当时没有使命，那么将进入PM3.在后续程序中，每次都设置一个传感器读取事情，即假如主动进入睡觉形式，则必定是进入PM2形式。睡觉前设置TImer2（睡觉守时器），醒来的时刻刚好等于下次使命到来的时刻，当完成使命后再次进入睡觉。
依据传感器的操作要求，设置无线瓦斯传感器依照以下的流程进行作业。节点处于作业/休眠替换状况，一个作业周期约为10 min.在前8分30秒中CC2430的P1.0引脚输出低电平，操控MIPEX传感器不作业。紧接着，CC2430进入低功耗运转形式。8分30秒往后，CC2430被唤醒，P1.0引脚输出高电平，即给MIPEX传感器供电。此刻CC2430进入PM1低功耗形式。因为MIPEX传感器的热身时刻为1min，这儿设置70s后，CC2430被唤醒，开端读取MIPEX中的瓦斯浓度信息，然后将其无线发送出去。待发送结束后，设置下一次瓦斯浓度读取事情，周期为20 s，这20 s内，CC2430主动进入低功耗形式。20 s之后，触发该事情，并送给使用层处理，开端了上述循环进程。程序规划的详细流程如图1所示。
无线瓦斯传感器节点的作业流程首要是在zb_HandieOsalEvent（events）编程完成的，详细程序为：
3节点能耗估量
在所规划的电路中，耗费能量的部分是稳压电路、CC2430芯片和MIPEX传感器。CC2430芯片在一个作业/休眠周期（10 min）内，至少有8分30秒处于PM2低功耗状况，本文设定的是PM2低功耗状况，在此期间电流为0.9μA.有70 s的时刻处于PM1低功耗状况，其他20 s处于PM0状况。MIPEX传感器正常作业时，其电流为1 mA.一般电池的能量选用mAh的办法进行表明，为了便于估量所规划的节点电路作业寿数，这儿也选用mAh的办法来表明能量。依据上面的剖析，能够核算出在一个作业/休眠周期内，节点电路所耗费的能量。CC2430在一个周期的能耗约为：Q1=0.9μA×510 s+0.2 mA×70 s+25 mA×20 s=514.459 mAs MIPEX传感器在一个周期内的能耗约为：Q2=1 mA×90 s=90 mAs文中所规划的电路选用3节1.5 V电池供电，即输入为4.5 V，输出为3.3 V.MH5333稳压器的功率与其压差有关，线性稳压器材（LDO）的功率一般在85％～90％之问，且跟着压差的减小，其功率会有所添加。这儿假定其转化功率为85％，则整个节点电路在一个周期（10 min）内的能耗能够表明为：
一节一般5号电池的能量在600～700mAh，由此能够估算出所规划的节点电路在3节电池供电状况下的作业时刻为：
由此可见，本文所规划的无线瓦斯传感器节点具有很低的能量耗费，3节一般5号电池供电的状况下，作业时刻可达3 797天即10年之多。文中设定丁作/休眠周期可适当缩短，以进步监测状况的实时性。假如设置周期为5 min，那么作业时刻也有5年左右。
传统的低功耗瓦斯传感元件功耗都在百mW以上，且有至少10 s的呼应时刻，所以仅传感元件自身的能耗就十分大。假如再加上信号扩大电路、无线收发电路的能耗，仍没定作业/休眠周期为10 min，那么一般3节1.5 V电池仪能保持一个月左右。因而与传统瓦斯传感元件比较，MIPEX传感元件的低功耗功用体现十分优胜。这也为低功耗无线瓦斯传感器节点实用化供给了一条卓有成效的途径。
结语
本文选用低功耗红外瓦斯传感器MIPEX和CC2430规划的无线瓦斯传感器节点，能够保持满足长的作业时刻，是选用传统低功耗瓦斯传感元件所远远不能抵达的，这关于推动无线瓦斯传感器节点进一步走向实用化具有重要意义。不过论文所规划的传感器节点对瓦斯浓度呼应的实时性有待进一步进步。当瓦斯浓度超限时，能够向CC2430宣布中止触发信号，将其从休眠中唤醒。不过，需求添加硬件电路，才干完成该功用。传感器节点也能够依据瓦斯浓度的凹凸及改变速率。来确认其作业/休眠周期。假如瓦斯浓度低，且改变速率不大，则能够设置较长的作业/休眠周期；假如瓦斯浓度改变较大，则设置较短的作业/休眠周期；假如瓦斯浓度超限，则应处于实时作业状况。
