趙慶川

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司， 重慶　400039)

?

基于無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一氧化碳傳感器設(shè)計(jì)

趙慶川

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司， 重慶400039)

摘要：針對(duì)傳感設(shè)備在煤礦工作面移動(dòng)環(huán)境中使用的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一氧化碳傳感器，詳細(xì)介紹了傳感器硬件電路設(shè)計(jì)及各部分電路低功耗工作機(jī)制等。測(cè)試結(jié)果表明，該傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦井下一氧化碳濃度的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確在線監(jiān)測(cè)，具有組網(wǎng)速度快、抗干擾能力和避障能力強(qiáng)、無(wú)線通信距離遠(yuǎn)、功耗低的特點(diǎn)，特別適合在工作面等設(shè)備多、環(huán)境復(fù)雜的地方應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：一氧化碳傳感器; 無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò); 低功耗; 光控電路; 自組網(wǎng)

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160705.1455.003.html

0引言

一氧化碳是有毒有害氣體，是導(dǎo)致井下人員中毒傷亡事故的重要原因；同時(shí)一氧化碳也是易燃易爆氣體，是引起煤礦爆炸的主要?dú)怏w之一[1]。所以，在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)一氧化碳?xì)怏w濃度對(duì)于保障人員及生產(chǎn)安全都至關(guān)重要[2]。現(xiàn)有的礦用一氧化碳傳感器多采用有線通信方式監(jiān)測(cè)一氧化碳濃度,這類傳感器擴(kuò)展性能差,布線繁瑣[3]。為解決礦用有線一氧化碳傳感器存在的問(wèn)題，人們研發(fā)了基于ZigBee和WiFi等技術(shù)的礦用無(wú)線傳感器[4]，主要用于回采、掘進(jìn)工作面等具有瓦斯突出風(fēng)險(xiǎn)的重點(diǎn)區(qū)域的一氧化碳濃度監(jiān)控。但是ZigBee和WiFi等無(wú)線通信技術(shù)屬于視距傳輸，而回采工作面環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備眾多，割煤機(jī)、液壓支架等設(shè)備位置不斷變化，導(dǎo)致ZigBee和WiFi無(wú)線信號(hào)差，不適宜在工作面應(yīng)用。無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)是面向基于IP接入的新型無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)[5]，最大的特點(diǎn)是非視距傳輸，同時(shí)具有易于安裝、健壯性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)靈活、快速部署、帶寬寬等優(yōu)勢(shì)，非常適合在煤礦井下工作面這種需經(jīng)常移動(dòng)的環(huán)境中使用[6-7]。因此，兼顧功耗和性能，筆者設(shè)計(jì)了以無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，采用電化學(xué)檢測(cè)原理的一氧化碳傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦井下一氧化碳濃度的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確在線監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線自組網(wǎng)及低功耗運(yùn)行，能夠保證在不換電池的情況下工作15 d以上。

1傳感器總體設(shè)計(jì)

基于無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一氧化碳傳感器原理如圖1所示，主要由電池供電電路、一氧化碳檢測(cè)電路、聲光報(bào)警電路、顯示電路、光控喚醒電路、無(wú)線組網(wǎng)模塊等部分組成。通過(guò)合理的低功耗電路設(shè)計(jì)及傳感器運(yùn)行工作機(jī)制，完全可以保證一氧化碳傳感器在不更換電池的情況下工作15 d以上。

圖1　基于無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一氧化碳傳感器原理

一氧化碳傳感器以16位PIC24FV32KA304單片機(jī)為主控芯片，該芯片具有運(yùn)行、空閑、休眠3種功耗管理模式，芯片從休眠模式喚醒切換到運(yùn)行模式只需要1 μs，運(yùn)行模式下最低電流為3.8 μA，8 MB主頻下最大電流為2.6 mA,非常適合低功耗電路的開(kāi)發(fā)。芯片內(nèi)置有16路通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)﹄姵仉妷?、一氧化碳信?hào)等多路模擬信號(hào)依次進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換；芯片內(nèi)置有RTCC模塊，可以實(shí)現(xiàn)RTCC鬧鐘中斷喚醒功能，具有512 byte E2PROM存儲(chǔ)器，可以存儲(chǔ)傳感器調(diào)校、報(bào)警點(diǎn)、通信地址等信息，具有SPI，I2C，UART等通信模塊，方便系統(tǒng)拓展開(kāi)發(fā)運(yùn)用。

2傳感器硬件電路低功耗設(shè)計(jì)

2.1電池供電電路

單節(jié)鋰離子電池的工作電壓一般為3.6 V，經(jīng)本安處理后其輸出電壓一般為3.52 V。因本文設(shè)計(jì)選用的單片機(jī)PIC24FV32KA304的工作電壓為3 V，檢測(cè)一氧化碳濃度的電化學(xué)元件的工作電壓也為3.0 V，為了降低信號(hào)處理電路的噪聲及實(shí)現(xiàn)元件電路供電控制，所以，將采用2個(gè)LDO芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。電池供電電路如圖2所示。

圖2　電池供電電路

TLV70430芯片將電壓降為3 V，為單片機(jī)及無(wú)線組網(wǎng)模塊等電路提供電源。MIC5205-3.0BM5芯片的輸出電壓為3 V，作為一氧化碳元件及其信號(hào)處理電路的供電電源。同時(shí)MIC5205-3.0BM5芯片具有輸出使能引腳，單片機(jī)輸出不同脈寬的脈沖，從而控制一氧化碳元件電路的工作時(shí)間，達(dá)到既能有效檢測(cè)環(huán)境一氧化碳濃度，又能最大限度降低功耗的效果，這也是實(shí)現(xiàn)傳感器整機(jī)低功耗的措施之一。

為了檢測(cè)鋰離子電池的電壓，從而推斷出電池剩余電量，設(shè)計(jì)由R1、R5、R6、Q1構(gòu)成的電池電壓檢測(cè)電路。單片機(jī)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換模塊獲取Vbat處的電壓，由電阻分壓關(guān)系反推得出電池電壓。

電池供電電路的電流大小基本取決于后續(xù)電路的電流消耗，TLV70430的漏電流只有5 μA，因此，在分析整機(jī)功耗的時(shí)候基本可以忽略電池電壓轉(zhuǎn)換電路的自身電流消耗。

2.2顯示電路

本文設(shè)計(jì)的一氧化碳傳感器具有4位LED數(shù)碼管，第1位為狀態(tài)顯示位，后3位顯示數(shù)值。本文采用功耗相對(duì)較低的動(dòng)態(tài)電路設(shè)計(jì)顯示電路，正常顯示時(shí)該部分電路的電流消耗為2 mA左右。電路共需要4根LED位選線和8根控制顯示筆劃“a，b，c，d，e，f，g，dp”的段選線，全部為單片機(jī)端口直接驅(qū)動(dòng)。

動(dòng)態(tài)顯示電路如圖3所示，正常情況下數(shù)碼管全部熄滅，顯示電路電流消耗小于3 μA，當(dāng)井下工人用頭燈光照喚醒單片機(jī)時(shí)，顯示電路工作，并實(shí)時(shí)顯示測(cè)量值，延時(shí)2 s。

2.3光控喚醒及遙控接收電路

光控喚醒技術(shù)是低功耗電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，是控制單片機(jī)由低功耗休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換到正常運(yùn)行狀態(tài)的觸發(fā)源，而遙控接收電路的供電控制技術(shù)也是降低整機(jī)功耗的重要保證之一。光控喚醒及遙控接收電路如圖4所示，Light-wake為單片機(jī)的外部邊沿中斷端口，D5為光電二極管，當(dāng)無(wú)光照時(shí)，D5為高阻抗?fàn)顟B(tài)，電流小于1 μA，所以三極管Q10基級(jí)電壓低于0.7 V，Q10處于截止?fàn)顟B(tài)，Light-wake處的電壓為高電壓；當(dāng)有光照到D5時(shí)，隨著光照的增強(qiáng)，流過(guò)D5的電流逐漸增大到幾百微安培,從而使Q10飽和導(dǎo)通，Light-wake處由高電平變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)單片機(jī)的邊沿中斷功能，將單片機(jī)由休眠狀態(tài)喚醒，進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，采集一氧化碳檢測(cè)元件的信號(hào)，同時(shí)數(shù)碼管全亮顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，方便井下工作人員查看實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)。

4月22日，水利部抗震救災(zāi)前方領(lǐng)導(dǎo)小組冒著風(fēng)雪檢查禪古水電站修復(fù)工作，督促施工單位保質(zhì)保量按時(shí)完成禪古水電站大壩應(yīng)急除險(xiǎn)恢復(fù)重建工程。

圖3　動(dòng)態(tài)顯示電路

(a)光控喚醒電路(b)遙控接收電路

圖4光控喚醒及遙控接收電路

單片機(jī)休眠時(shí)，HWJSKZ為高電平，Q3截止，遙控接收電路不工作；單片機(jī)運(yùn)行時(shí)，HWJSKZ為低電平，Q3飽和導(dǎo)通，遙控接收電路工作，工作電流為3 mA，接收遙控器的相關(guān)操作命令。

2.4元件信號(hào)處理電路

傳感器采用4CM電化學(xué)氣體傳感器作為敏感檢測(cè)元件，并且采用LMP91000芯片作為元件信號(hào)的可編程模擬前端(AFE)，元件信號(hào)處理電路如圖5所示。

在圖2中，CH4EN為單片機(jī)控制MIC5205-3.0BM5芯片VCC輸出的使能引腳，每2 s內(nèi)CH4EN為高電平的時(shí)間為0.5 s。當(dāng)CH4EN為高電平時(shí)，元件信號(hào)處理電路工作，電流為1.2 mA。REF3025芯片為L(zhǎng)MP91000芯片提供高精度低溫漂的2.5 V參考電壓，以設(shè)置內(nèi)部零點(diǎn)電壓偏置。LMP91000芯片通過(guò)I2C數(shù)字接口與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，進(jìn)行內(nèi)部零點(diǎn)偏置電壓、信號(hào)增益倍數(shù)等芯片參數(shù)的設(shè)置，VOUT_ADC為對(duì)應(yīng)一氧化碳濃度的電壓信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換及運(yùn)算，得出環(huán)境中真正的一氧化碳濃度。當(dāng)CH4EN為低電平時(shí)，MIC5205-3.0BM5芯片無(wú)電壓輸出，元件信號(hào)處理電路不工作，電流小于1 μA，進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)。

圖5　元件信號(hào)處理電路

2.5聲光報(bào)警電路

本設(shè)計(jì)采用3 V有源蜂鳴器作為聲報(bào)警，聲音可以達(dá)到85 dB以上。光報(bào)警采用的是高亮發(fā)光二極管，保證光報(bào)警時(shí)20 m外可見(jiàn)。聲光報(bào)警電路在常態(tài)下不工作，漏電流只有2 μA,可以忽略不計(jì)。當(dāng)一氧化碳超限報(bào)警時(shí)，聲光報(bào)警電路的電流約為20 mA，因?yàn)槌B(tài)下傳感器不報(bào)警，所以，計(jì)算電池工作時(shí)間時(shí)無(wú)需考慮這部分電流消耗。

本文所用的無(wú)線組網(wǎng)模塊完全為自主設(shè)計(jì)，其核心RF芯片為CC1110。該模塊是低功耗分布式無(wú)線自組網(wǎng)模塊，工作在433 MHz免費(fèi)頻段，發(fā)射電流為33 mA，接收電流為20 mA，休眠電流為0.5 μA，視距通信距離達(dá)150 m。內(nèi)嵌無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)私有協(xié)議IPMKMesh，理論無(wú)線路由級(jí)數(shù)達(dá)255級(jí)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)量達(dá)到65 535個(gè)。

單片機(jī)與無(wú)線自組網(wǎng)模塊接口連接如圖6所示，UART的波特率為19 200 bit/s。無(wú)線組網(wǎng)模塊鏈路層采用智能的同步校時(shí)喚醒算法及碰撞避免算法，具有優(yōu)異的抗干擾能力，所有組網(wǎng)的設(shè)備都可以同步工作、休眠，保證一氧化碳監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線多跳鏈路傳輸?shù)綗o(wú)線數(shù)據(jù)接收終端。

圖6　單片機(jī)與無(wú)線組網(wǎng)模塊接口連接

3電池容量計(jì)算與選型

元件信號(hào)處理電路每間隔2 s 上電工作0.5 s，因此，該部分電路平均工作電流Ia為0.3 mA；單片機(jī)電路及遙控接收電路部分工作電流為5.6 mA，每間隔2 s上電工作0.5 s，其余時(shí)間休眠，因此，這部分電路的平均工作電流Ib為1.4 mA；無(wú)線組網(wǎng)模塊發(fā)射電流為33 mA，接收電流為20 mA，每2 s發(fā)送1次測(cè)量數(shù)據(jù)，發(fā)射、接收大約各工作0.2 s，因此，無(wú)線組網(wǎng)模塊平均工作電流Ic為5.3 mA；考慮到其他電路漏電流及單片機(jī)、無(wú)線組網(wǎng)模塊的休眠電流，假設(shè)這部分平均電流Id為1 mA，那么整個(gè)傳感器的平均工作電流I為上述4項(xiàng)平均電流之和，即8 mA。

傳感器每天消耗的電量為24I，即192 mA·h，工作15 d需要的電量為2.88 A·h。一般情況下，電池只能釋放自身85%的電量，因此，選用的電池額定電量應(yīng)不低于3.4 A·h。經(jīng)查找對(duì)比，電池選用ER18505型一次鋰亞硫酰氯電池，該電池額定容量為3.8 A·h，滿足設(shè)計(jì)要求。

4傳感器軟件設(shè)計(jì)

基于無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一氧化碳傳感器的程序采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)，主程序主要是進(jìn)行單片機(jī)初始化及休眠等待中斷，軟件程序的核心是2個(gè)中斷程序的處理，一個(gè)是實(shí)現(xiàn)RTCC鬧鐘周期性中斷喚醒，以執(zhí)行一氧化碳濃度采集及運(yùn)算、超限報(bào)警、UART發(fā)送濃度數(shù)據(jù)到無(wú)線組網(wǎng)模塊等任務(wù)；另一個(gè)是實(shí)現(xiàn)光控邊沿中斷喚醒單片機(jī)執(zhí)行濃度顯示、紅外遙控響應(yīng)等任務(wù)，具體軟件流程如圖7所示。

5結(jié)語(yǔ)

基于無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一氧化碳傳感器采用電化學(xué)檢測(cè)原理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦井下一氧化碳濃度的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確在線監(jiān)測(cè)，已在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明， 該傳感器組網(wǎng)速度快，抗干擾能力和避障能力強(qiáng)，特別適合在工作面等設(shè)備多、環(huán)境復(fù)雜的地方應(yīng)用。在模擬煤礦巷道環(huán)境下對(duì)5個(gè)傳感器進(jìn)行測(cè)試，無(wú)線通信距離達(dá)到100 m，至少能夠達(dá)到5級(jí)路由深度的數(shù)據(jù)傳輸，電池工作時(shí)間最短為18 d，最長(zhǎng)為21 d。該傳感器在煤礦井下具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

圖7　傳感器軟件流程

參考文獻(xiàn)：

[1]方長(zhǎng)青,葉樺,尤衛(wèi)衛(wèi).基于STM32的礦用電化學(xué)一氧化碳傳感器的設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù)與信息化,2013(5):145-148.

[2]關(guān)中輝,賀玉凱,劉中奇.煤礦井下一氧化碳?xì)怏w檢測(cè)發(fā)展與研究[J].礦山機(jī)械,2006,34(5):21-24.

[3]李長(zhǎng)青,尚華.基于ZigBee技術(shù)的礦用無(wú)線一氧化碳傳感器研究與設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2010,26(9):140-142.

[4]孫繼平.《煤礦安全規(guī)程》傳感器設(shè)置修訂意見(jiàn)[J].工礦自動(dòng)化,2014,40(5):1-6.

[5]顧義東.無(wú)線Mesh技術(shù)在煤礦工作面通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].工礦自動(dòng)化,2014,40(12):96-98.

[6]張智宏,顧軍,王桂華.WLAN通信技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].通信技術(shù),2011,44(10):88-90.

[7]季曉剛,王忠賓,周信.無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)在綜采面機(jī)電設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控的研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2011,39(6):78-81.

Design of carbon monoxide sensor based on wireless Mesh network technology

ZHAO Qingchuan

(CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China)

Abstract:A carbon monoxide sensor based on wireless Mesh network technology was designed according to usage characteristics of sensor equipment in mobile environment of coal mine working face, and hardware circuit design and its low power consumption work mechanism were introduced in details. The test results show that the sensor realizes real-time and accurate on-line monitoring of underground carbon monoxide concentrations and has characteristics of fast networking speed, strong ability of anti-interference and obstacle avoidance, long wireless communication distance and low power consumption, which especially is suitable for application on working face with more equipment and complex environment.

Key words:carbon monoxide sensor; wireless Mesh network; low power consumption; light control circuit; Ad-Hoc network

文章編號(hào)：1671-251X(2016)07-0008-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.07.003

收稿日期：2016-01-12；修回日期：2016-05-25；責(zé)任編輯：張強(qiáng)。

基金項(xiàng)目：2014年國(guó)家物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展補(bǔ)助資金支持項(xiàng)目(2014083105)；重慶市煤監(jiān)局2014年煤炭發(fā)展專項(xiàng)資金項(xiàng)目(渝煤[2014]-kj-09)；中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司科技創(chuàng)新基金面上項(xiàng)目(2014MS025)。

作者簡(jiǎn)介：趙慶川(1984-)，男，山東濟(jì)寧人，助理研究員，碩士，主要研究方向?yàn)榈V用智能儀器儀表設(shè)計(jì)及電氣控制技術(shù)、傳感器無(wú)線通信技術(shù)，E-mail:zhaoqich@163.com。

中圖分類號(hào)：TD679

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-07-05 14:55

趙慶川.基于無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一氧化碳傳感器設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(7)：8-11.