基于Zigbee的矿井数据采集综合实验平台

梁艳超，程永强

（太原理工大学 信息工程学院，山西 太原 030024）

依据各种状态参数实时监控井下状况，保持井下信息传递的通畅性，对矿井的安全生产具有十分重要的意义。而目前矿井内的通信以及电源的供给大多还使用有线电缆，施工难度大、成本高、安全设计复杂。因此采用电池供电和无线通信相对于有线电缆具有明显的优势。基于Zigbee[1－3]的矿用数据采集综合实验平台可以将不同传感器采集的数据通过Zigbee无线网络发送给中继器进行处理和保存，各部分均使用电池供电，节点可以实现多点采集，而且中继具有友好的人机交互界面和触摸屏，能对整个系统实现复杂灵活的控制。

1 系统结构

基于Zigbee的矿用数据采集综合实验平台由节点和中继两部分组成，如图1所示。节点主要位于矿井中巷道的上方，每隔30～50m设一个，它的主要作用是进行数据的采集和传递。每个节点由Zigbee模块和传感器模块组成，传感器模块将待采集量转化为数字量，再由Zigbee模块将这些信息通过无线网络传给下一个节点。每个节点不仅会将本节点的信息采集并发送，还会将上一个节点的数据打包并与本节点的数据一起发送给下一个节点。这样各个节点接力似地将信息依次传递下去，组成了一个线型的网络系统。当其中的某个节点出现问题，系统会自动跳过这个节点，与下一个节点进行通信。数据最终会传送给中继，中继再将数据显示出来，并存储于Flash中，以便以后查阅。显示模块是一个人机交互界面，通过它可以按节点、按时间查看数据，可以对数据进行分析处理，以折线的形式显示出来，也可以通过触摸操作对网络进行参数设定和控制。

2 系统硬件设计

2.1 节点硬件设计

节点硬件框图如图2所示。主控芯片采用TI的CC2530射频芯片[4－8]，天线采用 PCB天线的方式，减小了空间。为了保障信号能在井下顺利传输，CC2530射频前端加增了功率放大芯片CC2591[9]，可以使最大发射功率增加到20dBm。而且多种发射功率可调，增加了设计灵活性和系统的稳定性。若RSSI（接收的信号强度指示）值大于－80为理想值，在增加功放芯片CC2591以后即使在150m（本平台节点间通信距离最远为100m）处，16dBm的发射功率也能满足要求。

节点采用无线传输，不能采用外接电源，也不能更换电源，因此必须采用大容量电池的同时，也要减小系统功耗，而且电源芯片的选择也决定着系统的稳定性。本设计中电池采用的是19AH的锂氩电池。平台每次从睡眠中唤醒工作后的平均工作电流是50mA，每次工作时间60s，每半个小时唤醒一次，相当于一天工作48次，这样系统可工作的时间T＝1／0.05×60×19／48＝475天。每个节点矿下的生命周期为1年左右，符合系统要求。稳压电源采用TI的具有超低操作电流的3.3V低纹波充电泵tps60211。当系统进入休眠时，芯片可以工作在snooze模式，这样能使芯片进入2μA的极低功耗状态；当系统从休眠状态唤醒后，芯片又会进入正常的工作模式，以保证正常的电流供给。为了进一步降低功耗，基准电源、传感器的电源均通过开关管AO3401由单片机控制，在不使用的情况下，这些器件都会处于关断状态。

CC2530的P0口可配置为八路12位ADC，其精度满足平台要求。为了保证CC2530在模数转换时的精度，在P0.7引脚使用了基准电压源REF3030[10]，它能提供了3V、0.2%高精度的基准电压。所以平台提供了多达七路可自由使用的ADC，结合不同类型的传感器可以多点采集不同的信息量。

2.2 中继硬件设计

中继硬件框图如图3所示。主控芯片采用STM32F103VET6[11]，内嵌uc／OS操作系统，可以轻松实现复杂的功能；结合ucGUI，实现了友好的人机交互界面和复杂灵活的系统功能；Zigbee通信模块与STM32主控芯片过SPI接口相连；显示器采用10.9cm（4.3英寸）、分辨率为320×240像素的TFT液晶屏；控制器为SSD1963，使用CPU的FSMC功能驱动；触摸屏为四线电阻屏，接口采用SPI接口，可显示人机交互界面，并能通过触摸屏对系统实现各种命令的发送和数据的读取操作；闪存存储器用于将系统的数据存储起来，以便查阅分析，闪存芯片采用3片M25P64闪存芯片[12]。使用SPI串行接口进行读写操作，方便高速。存储器按天分段，按时间分页，如果一个系统有100个节点，每个节点两路数据，每半个小时唤醒发送一次，存储一年的数据量为402B×48×365天＝7043040B。考虑到节点数可能增加和日期可能增长等情况，设计中的3×64Mbit的容量完全可以满足要求。中继电池采用5节3.2V、5AH磷酸铁锂电池。电源芯片采用TI的tps63001。它具有1.8～5.5V的宽输入电压范围，高达96%的效率，1.2A的输出电流。符合中继的供电要求。

3 系统软件设计

3.1 节点软件设计

节点协议流程及其数据的流动方向如图4、表1所示。未采用TI的Z-Stack协议栈，首先是因为系统的网络比较特殊，节点分布在巷道中；其次，由于系统对功耗要求比较高，为降低功耗要求程序越简单越好，所以采用了自定义的数据格式和通信协议。

图4 协议流程

表1 数据流动方向

3.1.1 数据格式

数据格式如图5所示。

图5 数据格式

一个数据报由4个部分构成，分别是命令字段、数据编号、数据长度和数据字段。命令字段有2个字节，用来表示本数据报的作用，即指明将要完成什么功能；数据编号字段有2个字节，表示该数据的次序编号；数据长度字段有2个字节，说明数据字段中数据的长度，数据字段为可变长度，最长为100字节，它存放了需要处理的数据。

3.1.2 通信协议描述

由于节点对次序的要求严格，所以，安装的时候也要按照次序，先从近节点依次向远节点安装，每个节点在下井安装前都已经接通电源，但处于低功耗状态，先用中继将待安装节点激活。节点的网络地址出厂值都为0x0000，中继的出厂地址固定为0x0001。此时中继先发初始化命令，如果系统中没有节点，中继向0x0000地址发送，如果系统中已经有节点，中继则向最近的节点上发送；节点收到命令后，判断为地址数据时，若本地地址为0x0000，则将地址取出，作为本地地址；如果本节点为最后一个节点，则向0x0000地址发送。如果不是最后一个节点，则向下一个节点传递命令；节点得到地址信息后，则向上一节点发送成功指令。依次传递到中继，节点初始化过程完成。

节点初始化完成后，就进入接收同步时间状态。如果收到的是同步时间命令，则首先把命令发送给下一个节点，然后将数据字段中的时间取出，其中一部分为时间的基准，其作用是避免长时间工作引起的累积时间误差；另一部分为睡眠时间，其作用是决定下次唤醒的时间。时间设定完成后，节点进入接收数据状态，如果此时收到的是数据命令，则说明此节点状态错误，节点立即进入发送数据状态并处理数据，若本节点为最后一个节点，则同样进入发送数据状态。当数据发送完成后，睡眠开始。

当唤醒时间到，节点将自动进入接收时间状态。如果在除等待初始化地址状态以外的任何状态等待超过2min，则认为通信失败，节点自动进入休眠状态。当超过3次通信失败，节点将不再进入睡眠状态，直到通信成功。

在任何发送状态时，如果在发送完成后30ms内没有接收到目地节点发回来的应答，则再次发送；如此反复20次，20次后也未收到应答消息，则认为发送失败。接收端收到数据后，为确保发送端能接收到应答信号，接收端将每隔5ms无条件发送5次应答，然后进入下一状态。

本系统还有其他命令，与上述过程相似，不再赘述。

3.2 中继软件设计

中继的显示界面使用ucGUI设计，使用触摸屏进行操作。主要功能包括：节点初始化、时间设置、日期设置、时间同步、数据按节点查询、按时间查询、绘制折线、数据清除等。

系统主要建立了2个任务：主任务（用户界面任务）和触摸屏任务（SPI串口任务）。主任务还负责通过SPI接口向Zigbee模块发送命令，再由Zigbee模块将命发送出去；而当Zigbee模块接收到数据时，也通过SPI接口将数据发送给主任务进行处理。中继上的Zigbee通信模块定时时间与节点相同，当多次未与节点通信成功，Zigbee通信模块将一直向节点发送命令，直到通信成功为止。

4 防爆措施

矿井中的设备必须进行防爆设计，平台的设计严格按照GB3836.4—2010和GB3836.2—2010，电路符合本安要求，外壳也符合隔爆要求。

在电源部分，除了电源芯片外，输入端还增加了限流电阻和整流二极管，当电源芯片出现问题或某个整流二极管损坏时，电路仍然可以正常工作，不会因为电压的不正常而烧毁。平台的工作电压为3.3 V，电路之间的爬电距离、电容电感的选择都符合本安要求。

5 结束语

基于Zigbee的矿用数据采集综合实验平台实现了井下数据的多点采集与无线传输。灵活简单稳定的通信协议，可以形成通用开放的Zigbee网络，以便其他基于Zigbee的数据通过本网络进行传输，实现一网多用。也可以在此基础上开发顶板离层仪、多点位移计、锚杆应力计等煤矿产品。

（References）

[1]李小珉，赵志宏，郭志.Zigbee无线传感器网络组网实验[J].电子测量技术，2007，30（4）：147-149，195.

[2]陶为戈，钱志文，贾子彦，等.ZigBee无线传感器网络实验教学体系研究与探索[J].实验技术与管理，2012，11（29）：163-165.

[3]赵迎新，徐平平，夏桂斌，等.基于无线传感器网络的教学实验平台设计[J].电气电子教学学报，2008，30（5）：48-50.

[4]Texas Instruments.CC2530datasheet[EB／OL].[2013-01-05].http：／／www.ti.com.cn／product／cn／cc2530.

[5]Texas Instruments.CC2530Software Examples User’s Guide[EB／OL].[2013-01-05].http：／／www.ti.com.cn／product／cn／cc2530.

[6]Texas Instruments.CC2530-2591EM 参考设计[EB／OL].[2013-01-05].http：／／www.ti.com.cn／product／cn／cc2530.

[7]Texas Instruments.CC253x／4xUser Guide[EB／OL].[2013-01-05].http：／／www.ti.com.cn／product／cn／cc2530.

[8]Texas Instruments.CC2530－Software Examples[EB／OL].[2013-1-5].http：／／www.ti.com.cn／product／cn／cc2530.

[9]Texas Instruments.CC25912.4GHz RF Front End[EB／OL].[2013-1-5].http：／／www.ti.com.cn／product／cn／cc2591.

[10]Texas Instruments.REF3030datasheet[EB／OL].[2013-1-5].http：／／www.ti.com.cn／product／cn／ref3030.

[11]STMicroelectronics.STM32F103VET6datasheet[EB／OL].[2013-01-05].http：／／www.stmicroelectronics.com.cn／internet／mcu／product／164491.jsp.

[12]Numonyx.M25P64.datasheet[EB／OL].[2013-01-05].http：／／www.micron.com／parts／nor-flash／serial-nor-flash／m25p64-vmf3tpb.