基于Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)技術(shù)的煤粉傳感系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u20675基于Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)技術(shù)的煤粉傳感系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)案例 1276131傳感器節(jié)點(diǎn) 2120092協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn) 1069533路由節(jié)點(diǎn) 10本論文利用Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)技術(shù)[34]構(gòu)建了一個(gè)以煤粉傳感器節(jié)點(diǎn)為探測(cè)節(jié)點(diǎn)的定位檢測(cè)裝置。紫峰技術(shù)具有電量耗損少、原理簡(jiǎn)單、花費(fèi)少的固有長(zhǎng)處，而且又擁有傳輸距離不遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)速率不高的特點(diǎn)，見(jiàn)表1.1。根據(jù)以上特點(diǎn)和要求，本文設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基本要求，通過(guò)這些節(jié)點(diǎn)間的能量消耗較小，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的傳輸處理。總的方案設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1.2：表1.1Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)Table1.1ThecharacteristicsofZigbeewirelesssensornetwork特點(diǎn)表現(xiàn)傳輸速度低20kb/s-250kb/s完成一些小數(shù)據(jù)的傳輸，對(duì)視頻、音頻等數(shù)據(jù)不適合頻段多可以隨便在1.5GHz、867MHz以及816MHz等頻段工作，并有多個(gè)擴(kuò)頻通信信道容量很高網(wǎng)絡(luò)最多容納55000多個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)于大部分的分布，優(yōu)勢(shì)大動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、自動(dòng)路由網(wǎng)絡(luò)是動(dòng)態(tài)的，支持動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)路由、支持正在進(jìn)行的工作、添加和退出節(jié)點(diǎn)功耗低待機(jī)時(shí)功率為μW，僅幾十兆瓦（用于短距離通信），兩個(gè)干式電池供電時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)8個(gè)月安全性能高借助硬件內(nèi)置的CRC控制和AES-128加密實(shí)現(xiàn)全面的數(shù)據(jù)控制覆蓋范圍廣通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)，路由節(jié)點(diǎn)之間的多個(gè)過(guò)渡，通信距離可以從兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的幾十米增加到幾百米，甚至1000米圖1.2總體方案示意圖Fig.1.2Thediagramoftheoverallschematic上位機(jī)監(jiān)控中間首要由上位機(jī)監(jiān)控中間和Zigbee傳感器收集組成，首要完成煤粉泄露數(shù)據(jù)的顯現(xiàn)、存儲(chǔ)和統(tǒng)計(jì)闡發(fā)處置等。在Zigbee的無(wú)線(xiàn)傳感收集中，監(jiān)測(cè)地區(qū)上散布著大量的煤粉濃度檢測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)，收集到大量的現(xiàn)場(chǎng)信息后，顛末預(yù)處置、轉(zhuǎn)換模塊的開(kāi)端處置，將信息送到上位機(jī)?？偠灾?，終端傳感器節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)，調(diào)和節(jié)點(diǎn)盡力組網(wǎng)，路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，中間節(jié)點(diǎn)（調(diào)和節(jié)點(diǎn)）搜集一切的終端節(jié)點(diǎn)信息，發(fā)送監(jiān)測(cè)中間處置定位泄露源，完成體系功能。無(wú)線(xiàn)傳感器收集體系的設(shè)想首要包含傳感器終端節(jié)點(diǎn)、路由器轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)、調(diào)和器收集節(jié)點(diǎn)等。在這些方式中，傳感器節(jié)點(diǎn)收集獲得現(xiàn)場(chǎng)情況信息，調(diào)和節(jié)點(diǎn)的功能是組建網(wǎng)絡(luò)，路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，把通訊距離變得更遠(yuǎn)，并且只要協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可以組成網(wǎng)絡(luò)，一旦網(wǎng)絡(luò)搭建完成，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)對(duì)路由器起功用調(diào)整的作用，上位機(jī)監(jiān)測(cè)經(jīng)由過(guò)程串口通信得到現(xiàn)場(chǎng)信息，并計(jì)算找煤粉泄漏源的位置。1傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理單元（包括控制器、存儲(chǔ)器）、RF收發(fā)模塊（包括系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)）其中的數(shù)據(jù)處理模塊包括：傳感器、許多不同的傳感元件、煤粉采集裝置、電源部分等。下圖1.3顯示了它的具體組成結(jié)構(gòu)框圖。圖1.3終端傳感器節(jié)點(diǎn)組成結(jié)構(gòu)圖Fig.1.3theblockofterminalsensornodes1.煤粉采集裝置該煤粉收集裝配由煤粉響應(yīng)室和真空泵組成，如圖1.4所示。將煤粉傳感器裝置裝配到煤粉響應(yīng)室中，用于測(cè)量煤粉濃度需要有一定的流速，調(diào)節(jié)氣室內(nèi)煤粉流量的流速，以測(cè)定煤粉濃度。圖1.4煤粉采集框架圖Fig.1.4Blockdiagramofgascollection實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)采集裝置工作時(shí)，檢測(cè)區(qū)域的煤粉氣流進(jìn)入反應(yīng)腔，煤粉氣流在反應(yīng)腔中流動(dòng)，通過(guò)嵌入在反應(yīng)室中的傳感器陣列，可感知探測(cè)煤粉氣流，并將其轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出。1.傳感器及電路（1）不同測(cè)量原理介紹a.超聲波法[35]顧名思義，這種方法是通過(guò)超聲波來(lái)進(jìn)行粉塵的檢測(cè)。具體的方法就是，在區(qū)域內(nèi)按照一定的規(guī)則放置檢測(cè)過(guò)程中所需要的發(fā)聲和接收設(shè)備，在生活中的時(shí)候，如果遇見(jiàn)粉塵，就會(huì)被粉塵所阻礙而造成音量的損失，然后通過(guò)計(jì)算粉塵數(shù)量和音量損失值之間的函數(shù)關(guān)系來(lái)測(cè)量粉塵濃度。這個(gè)方法測(cè)量的時(shí)候需要注意壓力，空氣的濕度，溫度，粉塵顆粒的彌散成分變化以及氣流的速度。b.激光法[36]激光法主要以光源為測(cè)量工具通過(guò)光源在待測(cè)區(qū)域中所穿透的粉塵濃度來(lái)測(cè)算出被測(cè)區(qū)域的粉塵濃度情況。這種測(cè)量法最大的優(yōu)勢(shì)就是，不需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操作，就可以通過(guò)遠(yuǎn)程操作來(lái)收獲比較精確的數(shù)據(jù)。而且操作方法比較簡(jiǎn)單，應(yīng)用起來(lái)也比較普遍。因此也備受許多需要進(jìn)行粉塵濃度測(cè)量的行業(yè)的喜歡。而行業(yè)里測(cè)量粉塵濃度最常用的粉塵測(cè)量?jī)x就是通過(guò)激光法的原理制作而成的。操作的過(guò)程中，可以收獲準(zhǔn)確度比較高的粉塵濃度數(shù)據(jù)。即使是粉塵濃度比較低的環(huán)境也同樣不影響機(jī)器的使用以及準(zhǔn)確性。c.過(guò)濾稱(chēng)重法[37]用過(guò)濾器對(duì)本城的質(zhì)量進(jìn)行稱(chēng)量，也是一種比較常見(jiàn)的工程濃度測(cè)試方法。這種測(cè)量方法能夠用最簡(jiǎn)單的技術(shù)收獲精確度很高的結(jié)果，所以我國(guó)的環(huán)保部門(mén)在進(jìn)行粉塵檢測(cè)的時(shí)候，也很青睞這種方法。這種方法的具體原理就是在準(zhǔn)備測(cè)量的地方提前安置一個(gè)性能很好且重量已知的過(guò)濾膜，然后在動(dòng)力系統(tǒng)釋放規(guī)定的壓力和流量的作用下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，然后空氣中的煤粉就會(huì)被自動(dòng)吸附到過(guò)濾網(wǎng)，在對(duì)吸附了煤粉的過(guò)濾網(wǎng)稱(chēng)重之后，用現(xiàn)有的重量減去過(guò)濾網(wǎng)原有的重量就能夠得出空氣中的粉塵情況。但是這種方法一般都是人工手動(dòng)操作，操作過(guò)程比較繁瑣，而且數(shù)據(jù)收集的周期也比較長(zhǎng)，所以一般不用做連續(xù)性的粉塵測(cè)量的要求。d.射線(xiàn)吸收法[38]射線(xiàn)吸收法也是一種能夠測(cè)量粉塵濃度的方法。這種方法是按照射線(xiàn)的輻射性原理，在待測(cè)的區(qū)域放射具有輻射性的射線(xiàn)，因?yàn)榉蹓m會(huì)阻擋射線(xiàn)的輻射，讓射線(xiàn)的能量越來(lái)越衰弱，所以可以通過(guò)測(cè)量射線(xiàn)的衰弱值來(lái)判定待測(cè)區(qū)域中的粉塵濃度量。這些測(cè)量方法的優(yōu)勢(shì)就是它的輻射面積比較寬，而且一些常見(jiàn)的光譜范圍都可以用這種方法進(jìn)行操作，精度比前一種測(cè)量方法更高，而且靈活度也比較好。而它的能量源就是釋放射線(xiàn)的放射性同位素，這種材料，會(huì)對(duì)人體造成輻射上的傷害，所以在使用之前必須對(duì)操作人員做好防護(hù)設(shè)置，因此導(dǎo)致這種方法的操作成本高，而且設(shè)備維修的過(guò)程比較復(fù)雜。e.電容法[39]電容法的具體原理就是在具有可變參數(shù)的電容器里，通過(guò)傳感器進(jìn)行機(jī)械量和電容量之間的轉(zhuǎn)化。在受測(cè)量的有力壓力振動(dòng)，而引起直線(xiàn)改變或者極軸距離變化的時(shí)候，可以采用極軸距離變化類(lèi)型。如果被測(cè)直線(xiàn)的角度和位移存在比較大的偏差，就可以采用面積變化類(lèi)型。如果測(cè)量過(guò)程中介質(zhì)的溫度濕度和密度發(fā)生變化，就會(huì)采用介質(zhì)變化類(lèi)型。（2）不同測(cè)量原理的比較表格1.1為不同煤粉濃度之測(cè)定方法之比較。鑒于現(xiàn)場(chǎng)工作條件下煤制氣行業(yè)各測(cè)量原理的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合各檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)決定采用激光電容傳感器進(jìn)行研究，這類(lèi)傳感器具有對(duì)測(cè)試環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)、信號(hào)延遲性小、測(cè)量精度高、運(yùn)行維護(hù)量低等優(yōu)良特點(diǎn)。表1.2不同煤粉濃度測(cè)量方法比較Tab.1.2Comparisonofdifferentpulverizedcoalconcentrationmeasurementmethods超聲波法激光法過(guò)濾稱(chēng)重法射線(xiàn)吸收法電容法技術(shù)原理超聲波激光散射重量差微波平移電荷遷移適用范圍廣廣廣廣廣現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性較差好較好較好較好信號(hào)滯后性小小較大小小測(cè)量精度差好一般差較好運(yùn)行維護(hù)量較小小一般較小一般（3）激光粉塵傳感器原理選擇ZH03B激光煤粉傳感器[40]，其實(shí)物圖如圖1.5所示，是一個(gè)通用的小尺寸模塊。采用米氏散射原理，檢測(cè)空氣中存在的粉塵粒子具有均勻性、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。串行輸出、PWM輸出、操作簡(jiǎn)單。小巧，易于集成。該系統(tǒng)具有一致性好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)精度高、功耗低、分辨率最小等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)0.3微米的分辨。圖1.5ZH03B激光粉塵傳感器實(shí)物圖Fig.1.5physicalpictureofzh03blaserdustsensorZH03B傳感器技術(shù)指標(biāo)如表1.3所示。如圖1.6所示，激光塵埃傳感器的基本原理是Mie散射理論，ZH03B將傳感器漫射光的結(jié)構(gòu)和參數(shù)與激光光束產(chǎn)生的散射光信號(hào)強(qiáng)度分布信息相結(jié)合?？梢杂?jì)算出F~D（光通量F和粒度D）兩個(gè)光學(xué)傳感器的光通量分布曲線(xiàn)。其質(zhì)量濃度可由粒度分布曲線(xiàn)、密度、取樣體積等來(lái)計(jì)算。表1.3ZHO3B技術(shù)指標(biāo)Table1.3technicalindexesofZHO3B產(chǎn)品型號(hào)ZH03B檢測(cè)種類(lèi)可吸入顆粒物輸出數(shù)據(jù)UART輸出PWM輸出工作電壓5V±0.1V工作電流＜120mA休眠電流＜20mA響應(yīng)時(shí)間T90＜45s工作濕度0～80％RH（無(wú)凝結(jié)）工作溫度－10～50℃存儲(chǔ)溫度－30～70℃外形尺寸50×31.4×21mm(L×W×H)圖1.6粉塵傳感器測(cè)量原理圖Fig.1.6schematicdiagramofdustsensormeasurementprincipleZH03B的內(nèi)對(duì)角線(xiàn)方向，放置有和光軸相互交錯(cuò)的紅外發(fā)光二極管和光電晶體管，當(dāng)攜帶煤粉的空氣通過(guò)光軸時(shí)，煤粉會(huì)反射到紅色紅外光上，反射光強(qiáng)與煤粉濃度成正比。由于有了光電晶體管，即使很小的微粒也能被探測(cè)出來(lái)，另一方面，來(lái)自紅外發(fā)光二極管的光照射到粉塵時(shí)會(huì)反射光。這樣，受光傳感器就會(huì)檢測(cè)反射光的強(qiáng)度，并輸出信號(hào)。能夠通過(guò)反饋信號(hào)強(qiáng)度的大小來(lái)判斷粉塵的濃度是多少，如圖1.7所示，是以輸出兩個(gè)不同的脈寬調(diào)制信號(hào)（PWM）來(lái)判斷不同的煤粉粒子的濃度。圖1.7工作原理圖Fig.1.7workingprinciplediagram圖1.8ZH03B傳感器電路圖Figure1.8ZH03Bsensorcircuitdiagram3.CC2530核心模塊[41]ZigbeeWirelessRF模塊目前市場(chǎng)上的主要選項(xiàng)包括：itcorporationcc2530、freescalecorporationMC1321x和Jennifercompanyjn5121。在選擇主要模塊時(shí)，表1.4考慮了以下因素。表1.4核心模塊選型因素Table1.4Thefactorsofcoremoduleselection指標(biāo)描述集成控制器減少系統(tǒng)復(fù)雜度，一般選擇控制器與射頻模塊能夠集成在一起存儲(chǔ)器大小Zigbee協(xié)議堆棧通常會(huì)占用更多空間防止存儲(chǔ)擴(kuò)展，選擇更大的存儲(chǔ)量的型號(hào)外圍借口集成定時(shí)器、串口、A/D轉(zhuǎn)換、看門(mén)狗等發(fā)出功率考慮到通信距離和可靠性，請(qǐng)選擇具有更高傳輸功率的模型公司服務(wù)考慮生產(chǎn)公司售后服務(wù)是否為完善價(jià)格鑒于成本的考慮，價(jià)格也是一個(gè)重要考慮因素最后，決定采用TI公司的CC2530無(wú)線(xiàn)模塊使之成為我們所設(shè)計(jì)的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的中樞。CC2530具有的優(yōu)點(diǎn)是256KB的閃存、位置辨別的能力更強(qiáng)和對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力更好以及封裝更加精簡(jiǎn)。另外，對(duì)于我們手上現(xiàn)存的的CC2430板，只需要用一個(gè)新的PCB板對(duì)其進(jìn)行加工就達(dá)到CC2530所具有的功能。此外，CC2530可以與任何兼容良好的CC2430設(shè)備進(jìn)行通信，表1.5顯示了這一點(diǎn)?？傮w而言，CC2530具有很高的可操作性，硬件設(shè)計(jì)很容易，封裝精簡(jiǎn)，非常容易上手使用，在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。CC2530芯片的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.9。表1.5CC2530特性Table1.5ThecharacteristicsofCC2530模塊描述中央處理器及內(nèi)存一個(gè)周期8051兼容的內(nèi)核、三種內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)的總線(xiàn)、單個(gè)調(diào)試接口、18個(gè)輸入擴(kuò)展中斷單元時(shí)鐘電源低壓穩(wěn)壓器為數(shù)字內(nèi)核和外圍設(shè)備提供電源，并幫助降低功耗外部設(shè)備21個(gè)GPIO、看門(mén)狗定時(shí)器、AES128協(xié)同處理器、8路輸入可配置的12位ADC、8位和16位定時(shí)器、2個(gè)USARTCC2530所具有的功能很多，操作起來(lái)很簡(jiǎn)單，對(duì)于一般的簡(jiǎn)單通信，只要有極少的外圍電路就能實(shí)現(xiàn)；對(duì)于通信距離比較遠(yuǎn)的情況，可附加RF模塊，如圖1.10所示。4.電源模塊圖1.11中顯示的電源模塊原理圖是整個(gè)系統(tǒng)的能量核心，它為不同的系統(tǒng)提供了不同的環(huán)境條件下不同的供電。由于電池容量有限，一般情況下，即使設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)功率很小，特別是在煤粉濕度高在保護(hù)措施缺失的情況下，干電池漏電也會(huì)使電池壽命受到限制，或者電池質(zhì)量有問(wèn)題的情況下，由于電力供應(yīng)不足，節(jié)點(diǎn)將無(wú)法工作，因此一般的干電池供電方式更適合于更換節(jié)點(diǎn)電池。另一種改進(jìn)的電池供電方式是采用高容量可充式挪動(dòng)電源供電，這類(lèi)體例容量大，利用利便，具有簡(jiǎn)樸的轉(zhuǎn)換模塊輸出。也有一種圖1.9CC2530片內(nèi)功能模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.1.9CC2530modulestructurefunctioninchipdiagram圖1.10CC2530外圍接口電路Fig.1.10TheperipheralinterfacecircuitCC2530方式是操縱監(jiān)測(cè)情況中的反射光或折射光，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能充電電池提供電源，再把節(jié)點(diǎn)和充電電池連接為之供電，這類(lèi)方式還能夠按照現(xiàn)實(shí)環(huán)境節(jié)制太陽(yáng)能供電體例，經(jīng)由過(guò)程檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的電量，設(shè)定適合的閾值，當(dāng)電量小于此閾值時(shí)，起頭利用太陽(yáng)能為電池供電，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的電量大于此門(mén)限值時(shí)，不再提供電源，一次又一次就可以了。另外，本體系還斟酌到了龐大的事情情況，必要較長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)候，并且，簡(jiǎn)樸利便地挑選了以充電式挪動(dòng)電源作為供電體系的焦點(diǎn)，該表1.6中列出了電源的詳細(xì)參數(shù)。表1.6電源具體參數(shù)Table1.6Thespecificparametersofpower電源名稱(chēng)電池容量輸出電壓鋰聚合物電池5000mAh5V或12V圖1.11電源模塊原理圖Figure1.11Schematicdiagramofpowersupplymodule因?yàn)閆igBee模塊必須加3.3v電源，而開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器LM1575-3.3可以將5v轉(zhuǎn)到到3.3v電源，所以選用該開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器即可達(dá)到要求。LM1575-3.3采用TO-220芯片封裝形式，共有5個(gè)功能引腳。如圖1.12所示，LM1575-3.3芯片的開(kāi)關(guān)插口與微型計(jì)算機(jī)的輸入輸出口P14連在一起，當(dāng)P14插口處于低電狀態(tài)時(shí)，電路工作，當(dāng)接高電時(shí)，穩(wěn)壓電路停止工作，ZigBee模塊停止工作，降低節(jié)點(diǎn)功耗。圖1.12電壓轉(zhuǎn)換原理圖Figure1.12Voltageconversi