張晶，呂少勝，盧智嘉，于京生

（1．石家莊學(xué)院機電學(xué)院，河北石家莊050035；2.河北省電力勘測設(shè)計研究院，河北石家莊050031）

基于ZigBee的煤場無線自燃檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

張晶1，呂少勝2，盧智嘉1，于京生1

（1．石家莊學(xué)院機電學(xué)院，河北石家莊050035；2.河北省電力勘測設(shè)計研究院，河北石家莊050031）

通過比較傳統(tǒng)的檢測方式，采用ZigBee技術(shù)設(shè)計了煤場無線自燃檢測系統(tǒng).以CC2530為主控及通信芯片，設(shè)計了數(shù)據(jù)傳輸模塊、傳感器模塊、天線模塊等硬件電路，并分析了CC2530的組網(wǎng)流程.系統(tǒng)實現(xiàn)了對目標(biāo)節(jié)點溫度的采集、無線傳輸及顯示，在試驗條件下，系統(tǒng)的通信距離約為60 m.該系統(tǒng)功耗低，穩(wěn)定性高，能夠達(dá)到對煤場自燃隱患進行監(jiān)測的目的.

ZigBee；無線自燃檢測；CC2530；組網(wǎng)流程

0 引言

燃煤的自燃特性會給煤的存儲帶來極大的安全隱患.實時檢測煤炭的溫度可以確保電廠安全生產(chǎn)，保障重要原料的安全，并節(jié)約能源.

在傳統(tǒng)的檢測方式中，通常采用人工巡邏的監(jiān)管模式.這樣不僅耗材耗力，而且由于人工監(jiān)管的時效性和準(zhǔn)確性較低，很有可能會因為一時的疏忽而導(dǎo)致事故的發(fā)生.也有研究中使用有線溫度監(jiān)控系統(tǒng)的，但是由于儲煤場進行日常輸煤、取煤作業(yè)很頻繁，安裝的溫度采集節(jié)點經(jīng)常會被移動，并且大型的機械設(shè)備較多，干擾較大，所以很難采用有線溫度監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對儲煤自燃的監(jiān)控[1，2].

現(xiàn)在數(shù)字化儲煤場正在興建，這就需要對煤場溫度的監(jiān)控智能化，運用ZigBee技術(shù)組建的無線網(wǎng)絡(luò)有很強的組網(wǎng)、修復(fù)能力和較高的穩(wěn)定性，具有重要的實用價值.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)工作流程

整個無線檢測系統(tǒng)的工作流程如圖1所示。

協(xié)調(diào)節(jié)點的主要功能是組建網(wǎng)絡(luò)和上傳數(shù)據(jù)給上位機.一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)——PAN（Personal Area Network）中有且僅有一個協(xié)調(diào)節(jié)點，負(fù)責(zé)啟動整個網(wǎng)絡(luò)，然后用分布式尋址方案來配置網(wǎng)絡(luò)成員的地址，這樣就可以確保每個分配出去的網(wǎng)絡(luò)地址在整個網(wǎng)絡(luò)中都是不同的.路由器主要起到擴展網(wǎng)絡(luò)及路由消息的功能，這樣就可以延長傳輸距離.采集終端節(jié)點負(fù)責(zé)采集溫度并把數(shù)據(jù)上傳到路由節(jié)點.上位機將數(shù)據(jù)通過串口調(diào)試助手軟件顯示出來，供值班人員實時觀察現(xiàn)場情況.

圖1 無線檢測系統(tǒng)工作流程框圖

1.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

一般的ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有3種，分別是星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3].本次設(shè)計采用樹型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，相較于星型結(jié)構(gòu)，樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)增加了路由節(jié)點設(shè)備，且不像網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)那樣復(fù)雜.整個樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以包括一個協(xié)調(diào)器節(jié)點、若干個路由節(jié)點和更多的終端節(jié)點.由于出現(xiàn)了3層結(jié)構(gòu)，所以網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍大大增加，所以能夠滿足實際需求.

2 硬件電路設(shè)計

主控及傳輸芯片使用CC2530F256，其中256指的是芯片的閃存大小為256 kB.在此基礎(chǔ)上外接晶振電路、電源模塊、天線模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊（PL2320HX、USB接口，只有在協(xié)調(diào)器上使用）、I/O口模塊（用來外接傳感器、按鍵、液晶屏等），系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 ZigBee芯片CC2530F256

作為該系統(tǒng)的主控及通訊芯片，CC2530芯片采用的是高性能、低功耗的8051微控制器內(nèi)核，它擁有能夠適應(yīng)2.4 GHz IEEE802.15.4的RF收發(fā)器.電源電壓范圍為2.0-3.6 V.芯片具有看門狗、電池監(jiān)視器、溫度傳感器和高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）協(xié)處理器、1個通用的16位和2個8位定時器.同時擁有8路輸入8-14位模數(shù)變換器（ADC）、2個串行、21個通用I/O引腳和1個紅外發(fā)生電路[4，5].該芯片具有低功耗、外圍設(shè)備強大、集成度高、無線收發(fā)電路實現(xiàn)簡單等顯著優(yōu)勢.

2.2 主要外圍電路

2.2.1 電源模塊

采用AMS1117-3.3的正向低壓降穩(wěn)壓器，它在1 A電流的情況下壓降為1.2 V，固定輸出電壓為3.3 V.該穩(wěn)壓器擁有限流和過熱保護電路，可為計算機和電池供電.

采集終端節(jié)點和路由節(jié)點可使用3節(jié)7號電池或USB口供電.而為了傳輸數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)節(jié)點必須使用USB口供電.

2.2.2 晶振模塊

CC2530內(nèi)部有16 MHz和32 kHz兩個RC振蕩器，外部振蕩器采用32 MHz和32.768 kHz兩個晶體振蕩器，電路連接如圖3所示.32 MHz或16 MHz振蕩器用來作為系統(tǒng)時鐘提供源，而32 kHz或32.768 kHz振蕩器則可以為看門狗定時器提供標(biāo)記或者驅(qū)動睡眠定時器進行工作.對于部分應(yīng)用程序來說，32 MHz晶振的啟動時間相對來說或許比較長，所以可以先使設(shè)備運行內(nèi)部的16 MHz RC振蕩器，一直到晶振穩(wěn)定.雖然16 MHz RC振蕩器的功耗比晶體振蕩器低，但它不像晶振那樣準(zhǔn)確，所以不能用來進行RF收發(fā)器的操作.

圖3 晶振模塊

32 kHz RC振蕩器功耗較少，但不如32.768 kHz晶體振蕩器精確.這兩個振蕩器不能夠同時使用.

2.2.3 天線模塊

天線模塊采用的是SMA接口的桿狀天線，電路圖如圖4所示.在接收數(shù)據(jù)模式下，正、負(fù)RF輸入信號分別從RF_P、RF_N引腳進入芯片；在發(fā)送數(shù)據(jù)模式時，正、負(fù)RF輸出信號又分別從RF_P、RF_N引腳輸出.

圖4 天線模塊

2.2.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊由USB接口、PL2303HX芯片及芯片外圍電路組成，PL2303HX是RS232-USB接口轉(zhuǎn)換器，提供RS232全雙工異步串行通信裝置與USB功能接口的連接，這里主要用來上傳數(shù)據(jù).PL2303HX使用了28腳貼片SOIC封裝的形式，其工作頻率為12 MHz，滿足USB 1.1通信協(xié)議的要求，能夠用來直接將USB信號轉(zhuǎn)換成串口信號，波特率的范圍為75-1 228 800，總共可以有22種供選擇使用，而且還支持5、6、7、8、16等5種數(shù)據(jù)比特位，是一種非常好的USB轉(zhuǎn)串口芯片.其中PL2303HX芯片的TXD、RXD引腳分別接到CC2530的P0_2/RX、P0_3/TX引腳上.

因為CC2530傳輸數(shù)據(jù)需要用串口，但是作為上位機的計算機很可能沒有配置串口，而USB接口是每個計算機必有的，所以上位機接收數(shù)據(jù)可以通過USB口.這樣協(xié)調(diào)節(jié)點模塊與上位機之間的連接就需要進行串口與USB口之間的轉(zhuǎn)換.

通過試驗測試得知，CP2102不能夠進行在線系統(tǒng)編程（ISP）下載，雖然FT232可以下載，但是它的價格太高.根據(jù)試驗條件，最終選擇PL2303，其下載比較穩(wěn)定，而且還能夠支持多種操作系統(tǒng).

2.2.5 按鍵及LED模塊

LED連接如圖5所示，其中RX為接收指示，TX為發(fā)送指示，PWR為電源指示，而D1、D2、D3則根據(jù)具體的需要進行配置.所有指示燈均在I/O口低電壓時點亮.

按鍵的連接如圖6所示，其中S1、S2可以根據(jù)需要進行配置，S3為復(fù)位鍵.當(dāng)按鍵被按下時，I/O口會檢測到低電壓，即I/O置0，這樣CC2530F256就可以了解具體是哪個按鍵被按下了.需要提及的是，令CC2530F256的RESET_N引腳為低電壓時，就可以使芯片復(fù)位.

圖5 LED連接圖

圖6 按鍵連接圖

除此之外還有一個開關(guān)被用在電源模塊的電路中，作為供電口的總開關(guān).當(dāng)其關(guān)閉時，圓孔電源口和USB口均被關(guān)閉.

2.2.6 液晶屏模塊

該模塊只安裝在采集終端節(jié)點上，可以使值班人員在現(xiàn)場方便地了解煤堆的溫度.將薄膜晶體管（TFT）彩屏模塊按照圖7所示連接到CC2530F256芯片，可以配合取模軟件PCtoLCD2002對所顯示的字符進行修改.

TFT彩屏模塊的DC為數(shù)據(jù)/命令選擇引腳，置1為寫入數(shù)據(jù)，置0為寫入命令；RST為復(fù)位引腳，控制彩屏的復(fù)位；SDA為雙向數(shù)據(jù)接口，置1為輸出數(shù)據(jù)，置0為寫入數(shù)據(jù)；SCL為時鐘接口.

2.2.7 蜂鳴器模塊

蜂鳴器主要分為有源蜂鳴器和無源蜂鳴器兩種.區(qū)別在于，前者可以直接接上額定電源進行連續(xù)發(fā)聲，而后者則必須接在音頻輸出電路中才能夠產(chǎn)生聲音.因為I/O引腳輸出的電流較小，無法驅(qū)動有源蜂鳴器，所以這里選擇了無源蜂鳴器，然后接入一個電流放大電路.蜂鳴器模塊只安裝在采集終端節(jié)點模塊上，用于當(dāng)采集終端節(jié)點所測得溫度超過預(yù)設(shè)值時進行報警，提醒值班人員采取措施.

2.2.8 傳感器模塊

目前應(yīng)用較為廣泛的溫度傳感器是DS18B20，主要用于測量環(huán)境溫度或物體表面溫度，不適合檢測深層煤堆的內(nèi)部溫度.鉑電阻溫度傳感器是利用自身的電阻隨溫度變化而變化的特性做成的測溫元件，其中的PT100鉑熱電阻具有精度高、穩(wěn)定性好等特點，而且可以做成1-2 m的插入式探頭，符合實際測量需求.

常見的PT100連接方式有三線制和兩線制，而三線制的優(yōu)勢是可以消除導(dǎo)線電阻.電路中使用TL431和電位器VR1來配合調(diào)節(jié)出4.096 V的參考電源.R1、R2、VR2（100 Ω）、PT100構(gòu)成了測量電橋.R3、R4、R5、R6構(gòu)成了差動放大電路，放大倍數(shù)為R5/R3.當(dāng)PT100電阻值與VR2不相等時，電橋就會輸出一個mV級的電壓差信號，該信號可以直接送到CC2530F256中進行AD轉(zhuǎn)換.

溫度傳感器模塊安裝在采集終端節(jié)點上.電路采用5 V供電，數(shù)據(jù)傳輸引腳為P0_7.溫度傳感器的連接圖如圖8所示.

圖7 液晶屏連接圖

圖8 溫度傳感器連接圖

3 系統(tǒng)組網(wǎng)過程

3.1 Z-Stack工作流程

Z-Stack是TI公司開發(fā)的開源ZigBee協(xié)議棧，并且通過了ZigBee聯(lián)盟的認(rèn)可，協(xié)議棧采用分層的軟件結(jié)構(gòu)，定義了通信硬件和軟件在每個分層里怎樣協(xié)調(diào)工作.協(xié)議棧的各層相對獨立，每一層都提供了一些服務(wù)，這些服務(wù)由協(xié)議定義，設(shè)計者只需要關(guān)心與其工作直接相關(guān)的那些層的協(xié)議，為其設(shè)計和調(diào)試帶來極大的方便.Z-Stack協(xié)議棧的每個工程都包含用戶應(yīng)用層APP、硬件抽樣層HAL、物理層MAC、網(wǎng)絡(luò)層NWK、操作系統(tǒng)抽樣層OSAL和ZigBee設(shè)備對象層ZDO等14個目錄文件.Z-Stack下任務(wù)的執(zhí)行是通過系統(tǒng)消息進行傳遞調(diào)用，當(dāng)有事件發(fā)生時就會去執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù).Z-Stack工作流程圖如圖9所示.

3.2 數(shù)據(jù)收發(fā)過程

數(shù)據(jù)傳輸時，為每個終端采集節(jié)點設(shè)置一個編號.協(xié)調(diào)器收到上位機的命令有兩種形式：一種是不帶編號的參數(shù)，需要所有終端節(jié)點處理；一種帶編號的參數(shù)，只有相應(yīng)節(jié)點處理.協(xié)調(diào)器收到上位機的命令，以廣播形式發(fā)送出去，終端節(jié)點接收到數(shù)據(jù)做出相應(yīng)判斷.終端節(jié)點以點播的形式向路由節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，路由節(jié)點再將各終端節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)上傳給協(xié)調(diào)器，終端節(jié)點之間不進行通信.數(shù)據(jù)收發(fā)過程如圖10所示.

試驗中設(shè)計了兩個終端節(jié)點，一個路由節(jié)點，一個協(xié)調(diào)節(jié)點，傳輸距離約為60 m，實際應(yīng)用中可以根據(jù)被測煤場區(qū)域大小，增加路由節(jié)點個數(shù)，從而增加傳輸距離.

圖9 Z-Stack工作流程圖

4 結(jié)論

基于ZigBee技術(shù)設(shè)計系統(tǒng)，采用樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用CC2530作為主要控制和通信芯片，設(shè)計了各個模塊的硬件電路，通過試驗過程測試，確定各個模塊的參數(shù)，實現(xiàn)了煤場的無線溫度檢測.該系統(tǒng)體積小、功耗低、穩(wěn)定性高，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，但也有不足和待改進之處，如結(jié)果顯示不能隨時隨地觀察、協(xié)調(diào)節(jié)點出現(xiàn)問題引起的系統(tǒng)故障等，后續(xù)將繼續(xù)對這些問題開展研究.

圖10 數(shù)據(jù)收發(fā)示意圖

[1]鞏娜，張素娟，雷勇，等.基于CC2530的智能溫度傳感器節(jié)點設(shè)計[J].氣象科技，2014，42（5）：764-768.

[2]趙琳娜，高力寶，孫可，等.基于ZigBee的火電廠儲煤自燃監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，30（4）：287-291.

[3]范燕，俞洋，李永義，等.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].實驗室研究與探索，2016，35（1）：80-84.

[4]李建勇，李洋，劉雪梅.基于ZigBee的糧庫環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42（1）：65-67.

[5]楊萌，趙亮.基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015，（1）：34-34.

（責(zé)任編輯鈕效鹍）

Hardware Design of Coal Mine Wireless Spontaneous Combustion Detection System Based on ZigBee

ZHANG Jing1,LV Shao-sheng2,LU Zhi-jia1,YU Jing-sheng1
(1.School of Mechanical&Electronic Engineering,Shijiazhuang University,Shijiazhuang,Hebei 050035,China; 2.Hebei Electric Power Design&Research Institute,Shijiazhuang,Hebei 050031,China)

By comparing the traditional detection methods,the ZigBee technology is used to design the wireless spontaneous combustion detection system.CC2530 is used as the main control and communication chip,and the hardware circuits of data transmission module,sensor module,antenna module and so on are designed.The networking process based on CC2530 is analyzed.The functions of collecting,transmitting and displaying the temperature of the target node are realized.Under the experimental conditions,the communication distance is about 60 m.The system has low power consumption and high stability,which can achieve the purpose of monitoring the hidden danger of coal spontaneous combustion.

ZigBee;wireless spontaneous combustion detection;CC2530;networking process

TN915

A

1673-1972（2017）03-0033-06

2017-03-20

河北省科技廳項目（15270349、15220353）；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)研究計劃（ZC2016107、QN2016324）

張晶（1981-），女，河北滄州人，講師，主要從事信息處理與傳輸研究.