基于ZigBee的煤矿综合监控系统节点设计

O 引言
基于无线传感器网络的煤矿综合监控系统由井下的传感器节点、路由器节点、协调器和井上监控计算机、数据中心、网络服务器组成。传感器节点可以在井下固定放置，也可以由人员佩戴。系统由固定节点采集井下甲烷、硫化氢、一氧化碳、温度、湿度等环境信息，通过由传感器节点、路由器节点和协调器构成的无线传感器网络将环境信息数据传送到井上监控计算机；同时也可以根据人员佩戴节点所在位置信息实现人员定位，并通过该节点获取相应人员的身份及当时身体状况等信息。本文主要介绍传感器节点设计。

1 传感器节点功能要求及总体结构
1．1 功能要求
该系统没有设计专用的路由节点，因此传感器节点不仅要采集传感器信号，同时又要充当路由器。传感器信号主要有甲烷浓度、硫化氢浓度、氧气浓度、温度、湿度、风速、压力等信号；人员信息包括身高、体重、血型、姓名等基本信息。
1．2 总体结构
传感器节点电路结构如图1所示。主要包括传感器调理电路、A／D转换电路、报警电路、通用控制输出电路和电源电路。

2 硬件电路设计
2. 1 处理器及主要元件选择
传感器节点处理器选择了英国Jennic公司的JN5121无线模块，它是业界第一款兼容于IEEE 802．15．4的低功耗，低成本无线微控制器。该模块内置一款32位的RISC处理器，配置有2．4 GHz频段的IEEE 802．15．4标准的射频收发器，64 KB的ROM，96 KB的RAM，为无线传感器网络应用提供了完善的解决方案，同时高度集成化的设计简化了总的系统成本。JN5121内置的ROM存储集成了点对点通信与网状网通信的完整协议栈；JN5121内置的RAM存储可以支持网络路由和控制功能而不需要外部扩展任何的存储空间。JN5121内置的硬件MAC地址和高度安全的AES加密算法加速器减小了系统的功耗和处理器的负载。JN5121可应用于运行于2．4 GHz频段的各种ZigBee无线传感器网络节点，包括协调器、路由器以及终端设备。
A／D转换器选用了ADI公司的AD7708，是美国ADI公司开发的具有低噪声、高分辨率、高可靠性及线性度好等优点，采用∑-△转换技术的可配置10通道16位A／D转换器件，其灵活的串行接口使AD7718可以很方便地与微处理器或移位寄存器相连接，可以利用SPI总线完成与微处理器的通信，可广泛应用于工业过程控制、测量仪表、便携式测试仪器、智能变送器、应变测量等领域。
2．2 甲烷测量电路设计
甲烷浓度测量选用了国产的煤矿甲烷检测用载体催化元件，催化元件根据催化燃烧效应的原理工作，由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压变化，该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大，补偿元件起参比及温湿度补偿作用，其测量电路如图2所示。