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1、2013 年 第 12 期 仪 表 技 术 与 传 感 器 InstrumentTechniqueandSensor 2013 No. 12 基金项目: 国家自然科学基金( 51274011) ; 教育部新世纪优秀人才支持 计划项目( NCET 10 0002) ; 安徽省杰出青年基金( 1108085J03) 收稿日期: 2013 03 27收修改稿日期: 2013 10 21 基于 CAN 总线和 ZigBee 的煤矿瓦斯监测系统设计 何凯1 ， 吴 健1， 2， 黄友锐1， 丁建群1 ( 1 安徽理工大学电气与信息工程学院， 安徽淮南232001; 2 淮南市科学技术局， 安徽淮南232
2、001) 摘要: 针对目前煤矿瓦斯监测系统对于井下环境的要求， 提出了一种基于 CAN 总线和 ZigBee 技术的煤矿井下瓦斯监 测系统。该系统以 AM 微处理器和 CC2430 芯片为核心， 通过无线传感网络对瓦斯浓度的数据采集和传输， 再通过 CAN 总线将数据实时传送到上位机。该系统具有较高的稳定性、 抗干扰性和低功耗、 低成本的特点。 关键词: 瓦斯监测; CAN 总线; CC2430; 无线传感网络 中图分类号: TP2129文献标识码: A 文章编号: 1002 1841( 2013) 12 0064 03 Design of Coal mine Gas Monitoring S
3、ystem Based on CAN Bus and ZigBee HE Kai1， WU Jian1， 2， HUANG You- rui1， DING Jian- qun1 ( 1 School of Electrical and Information Engineering， Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001， China; 2 Huainan Science and Technology Bureau， Huainan 232001， China) Abstract: Considering the
4、coal mine gas monitoring system in mine environmental requirements， a coal mine gas monitoring system was proposed based on CAN Bus and ZigBee The system took AM microprocessor and CC2430 chip as the core of the sys- tem， the wireless sensor network could achieve the data acquistion and transmission
5、 of gas concentration， finally CAN bus sent data real- time to upper computer system The system has the advantages of high stability， anti- interference ability and low power con- sumption and low cost Key words: Gas monitor; CAN Bus; C2430; Wireless sensor network 0引言 瓦斯浓度监测是煤矿生产系统中必不可少的环节之一， 目 前多数
6、煤矿作业的瓦斯监测传感器采用有线的方式进行瓦斯 数据传输， 与地面监测系统采用了 S 485 的通信方式， 随着 工作面的推进而灵活性收到了限制。为了克服这样的限制， 该 监测系统采用将 CAN 和 ZigBee 技术结合的方式， 设计了一种 无线传感网络的瓦斯监测系统。CAN 总线具有可靠性、 抗干扰 能力强、 节点通信速度快和传输距离远的特点， 同时利用无线 传感网络的优势， 可以有效实现分布式的实时监控， 适用于复 杂的煤矿井下作业环境。该系统由多个传感器节点采集瓦斯 浓度信息， 通过无线传感网络传送给 ZigBee 路由节点， 并由中 心节点通过 CAN 总线上传到监控中心， 从而实现
7、地面对煤矿 井下瓦斯浓度的实时监测， 保证煤矿生产的安全1 。 1系统总体设计 CAN 总线的通信传输采用短帧结构， 通过 CC 检查报文 的准确性， 具有数据通信实时性强、 传输距离远和可靠性高等 特点， 无线通信的 ZigBee 技术具有协议简单、 组网容易和功耗 低的特点。将两者相结合组成移动分布式网络， 充分利用了两 者各自的优点， 更有利于瓦斯监测的准确性和安全性。传感器 节点将采集到的信息通过 ZigBee 网络传送给路由节点， 再由 ZigBee 路由节点转送给 CAN 中心节点， 最后 CAN 节点通过 CAN 总线将信息传到井上的监控系统， 这样就完成了瓦斯浓度 的采集和实时
8、监测， 系统的整体框图如图 1 所示 2 。 图 1瓦斯监测系统的整体框图 2系统硬件设计 2 1传感器节点硬件设计 因为煤矿井下监测范围广， 需要的瓦斯传感器采集节点较 多， 所以系统中传感器采集节点采用 CC2430 为主芯片， 配备瓦 斯传感器模块、 电源及电源管理模块、 功率放大器和天线等外 围电路， 具体的硬件电路如图 2 所示， 这样使得采集节点具有 性能高、 低功耗的特点， 更重要的是节约了成本。传感器节点 负责采集监测区域内的瓦斯浓度， 采集完成后的数据信号经放 大处理后送入 CC2430 处理器的 P1 0 口， 然后 CC2430 芯片进 行模数转换处理， 处理得到的瓦斯数
9、据经过射频天线部分发送 第 12 期何凯等: 基于 CAN 总线和 ZigBee 的煤矿瓦斯监测系统设计65 给路由节点， 同时终端节点还接收来自路由节点的指令， 根据 指令启动或者关闭采集终端节点， 使得节点在休眠和无线收发 状态之间调整传感器采集的时间， 实现数据的实时采集和传 输 3 。 图 2传感器采集节点硬件原理图 2 1 1瓦斯传感器模块 系统的传感器模块采用了敏感基体制作的广谱性气敏元 件 MQ 2， 它对瓦斯等多种可燃性气体具有极高的敏感性。传 感器采集后输出的信号经过信号放大电路转换为标准信号， 然 后再经过滤波电路处理后送入 CC2430 芯片， 瓦斯传感器模块 的电路图如
10、图 3 所示。由 MAX4197 构成的三级运放差分放大 电路具有较高的共模抑制比， 精度较高， 同时单片集成滤波芯 片 MAX7413 构成的低通滤波器能有效的滤除高频干扰信号， 以提高信号源的精确度， 保证传输的瓦斯数据的准确性。 图 3瓦斯传感器模块电路图 2 1 2处理器模块 传感器采集节点的处理器采用 CC2430 无线通讯芯片， 该 芯片上集成了 IEEE 802 15 4 标准的 2 4 GHz 的射频收发器 和一个增强型、 低功耗的 8 位 8051 微处理器内核， 以及 128KB 的可编程闪存、 14 位数模转换器 ADC、 8KB 的 AM、 AES 128 安全协处理器
11、、 上电复位电路、 看门狗定时器、 掉电检测电路 等， 具有良好的天线收发灵敏度和抗干扰性， 非常适合用于复 杂的电气干扰等环境恶劣的煤矿井下。 2 2路由节点硬件设计 基于 AM7 LPC2119 微处理器的路由节点， 具有强大的 数据处理、 存储和实时通信的高性能特点， 在嵌入式操作系统 的平台上能够及时响应外部事件和对数据的准确处理和分析， 能够保证所有实时任务的高效、 协调一致运行。路由节点主要 是负责建立新的网络、 地址分配、 允许子节点加入网络以及发 送控制命令和处理所有节点的数据等功能， 节点以 LPC2119 芯 片为微处理器， 由接口电路、 声光报警电路、 LCD 显示电路、
12、 电 源及电源管理模块和 CC2430 射频模块等组成， 其构成如图 4 所示4 。 图 4路由节点硬件结构图 2 2 1CAN 通信接口电路的设计 CAN 通信接口电路是路由节点的重要组成部分， 它负责上 位机与 ZigBee 网络间的通信， 向下级节点发送指令， 同时也接 收下级节点发来的数据并上传到地面的计算机监测中心。 LPC2119 是一款性价比较高的 AM7 处理器， 内部集成了 两路独立的 CAN 控制器。CAN 通信接口电路以 LPC2119 作为 微处理器， 同时还作为 CAN 网络的节点控制器， 以及 CAN 总线 收发器 TJA1050 和高速光耦合器 6N137 组成，
13、 如图 5 所示。 CAN 控制器主要完成 CAN 的通信协议， 实现报文的装配和拆 分、 接收信息的过滤和校验等， 收发器 TJA1050 则是实现 CAN 控制器和通信线路的物理连接， 提高 CAN 总线的驱动能力、 可 靠性以及差动发送和接收能力， 同时在 LPC2119 引脚 TX1、 X1 与收发器 TJA1050 之间通过高速光耦合器 6N137 连接， 以进一 步提高系统的抗干扰能力， 更好的实现总线上各个 CAN 节点 之间的电气隔离5 。 图 5 CAN 通信接口电路图 2 2 2声光报警模块 声光报警模块主要由发光二级管和扬声器组成， 其中光报 警部分由多个发光二级管和保护
14、电阻构成并直接与 LPC2119 的 GPIO 口连接， 声报警部分需要在系统中预先设置报警声音 程序， 当瓦斯浓度超限时， 扬声器响应报警， 另外大功率的器件 66Instrument Technique and SensorDec. 2013 扬声器需要连接一个放大电路才能驱动工作， 从而完成整个报 警模块的工作 6 。 2 2 3显示模块 显示模块采用 LCD12864 液晶显示器， 具有 8 位并行接口 方式， 其分辨率为 128 64， 并且可以通过编写驱动程序实时显 示瓦斯浓度， 便于井下工作人员直观的掌握环境中瓦斯浓度， 及时采取相应的措施。 3系统软件设计 3 1CAN 通信程
15、序设计 CAN 通信的软件设计主要分为 3 个部分: 控制器初始化、 数据的发送和数据的接收。CAN 通信模块负责接收来自上位 机的数据和命令， 并发送本节点数据。首先是对 CAN 控制器 的初始化操作， 检测 CAN 总线工作是否正常; 其次是数据发送 子程序， 将代发送数据从数据存储区中取出， 以主机 ID 地址为 帧头组成一帧报文发送到控制器的发送缓存区， 然后启动 CAN 控制器即可完成数据的发送; 其次是数据接收子程序， 控制器 会自动将数据放入接收缓存区， 接收子程序只要从数据缓存区 读取信息然后将其存储在数据存储区即可。主程序只要通过 调用驱动程序提供的接口来实现数据的接收和发送
16、， 而编写 CAN 驱动程序则是 CAN 总线通信工作的关键。 CAN 节点程序的初始化对于系统的正常工作是十分重要 的， 操作内容包括: 硬件使能、 软件复位、 设置报警界限、 设置总 线的波特率、 设置中断工作方式、 设置验收滤波器工作方式、 设 置工作模式和启动 CAN 等， 具体的初始化程序如下: Void InitCAN( eCANNUM CanNum) HwEnCAN( CanNum) ; / /硬件使能 SoftstCAN( CanNum) ; / /软件复位寄存器 CANEWL( CanNum) Bits EWL _ BIT = USE _ EWL _ CANCan- Num
17、; / /设置错误警告界限 CANBT( CanNum) Word = USE_BT_CAN CanNum ; / /初始化波 特率 VICDefVectAddr = ( UINT32) CANIntPrg; / /初始化中断 VICIntEnable| = ( 1 19) |( 1 ( 20 + CanNum) ) |( 1 ( 26 + CanNum) ) ; CANIE( CanNum) Word = USE_INT_CAN CanNum ; CANAFM Bits AccBP_BIT =1; / /设置验收滤波器( 即屏蔽验收滤 波器) CANMOD( CanNum) Bits TPM
18、 _ BIT = USE _ TMP _ CANCan- Num ; / /初始化工作模式 CANMOD( CanNum) Bits LOM_BIT = USE_MOD_CAN CanNum ; SoftEnCAN( CanNum) ; / /启动 CAN 3 2ZigBee 程序设计 传感器采集节点将采集到的瓦斯数据经过 CC2430 模块处 理后存储在 Flash 中等待发送， 同时将采集到的瓦斯浓度实时 显示在 LCD 上。如果收到数据请求的指令， 则读取 Flash 并将 数据发送出去， 发送完毕后清空 Flash; 当每完成一次数据采集 后， 传感器节点会进入休眠状态， 当接收到路由
19、节点的唤醒指 令后会进入采集数据的工作状态。如果采集瓦斯浓度的时候， Flash 饱和或者数据超限， 那么系统会自动终止采集数据， 并发 出报警信号， 具体的传感器采集节点软件流程如图 6 所示。 路由节点是连接无线传感网络和 CAN 总线通信的桥梁， 它上电复位后建立壹个网络同时发送指令允许终端节点的加 入， 传感器采集节点收到指令后将采集的瓦斯数据经处理后传 送到路由节点， 路由节点分析、 校验数据后通过 CC2430 模块进 行发送给 CAN 节点， 最后 CAN 总线会将数据传送到地面监测 中心， 路由节点的工作流程如图 7 所示。 图 6采集节点软件流程图 图 7路由节点软件流程图
20、4结束语 设计的基于 CAN 总线和 ZigBee 的煤矿井下瓦斯监测系 统， 实验表明通过无线传感网络可以很好的完成对井下瓦斯浓 度的采集、 发送和显示， 并且在瓦斯浓度超限时会发生报警， 将 采集到的数据实时通过 CAN 总线上传到地面监测中心， 有效 的实现了对煤矿井下瓦斯浓度的实时监测， 对于煤矿安全生产 起到重大的作用和意义。 参考文献: 1米兰， 任子晖， 黄涛 基于 CAN 总线和 VB60 的煤矿井下温度监测 系统设计 煤矿机械， 2012， 33( 11) : 253 255( 下转第 69 页) 第 12 期郑恭明等: 基于 WVD 的电缆测试系统研究与设计69 理用 4
21、路 200 MHz 采样率 ADC 对信号等间隔连续采样实现 800 MHz 采样反射信号， 降低了硬件成本和抗干扰能力; 实现 了设定参数和测试结果显示的人机交互式， 达到高精度、 便携 式、 智能化的设计目标。 图 4电缆测试 SOPC 系统 图 5主程序流程图 图 6电缆测试子程序流程图 参考文献: 1C M CO， W K LEE， Y S HUNG Signature representation of under- ground cables and its applications to cable fault diagnosis in: Ad- vances in Power
22、System Control， Operation and Management， 1993 APSCOM 93 ， 2nd International Conference on Publication Date: 7 10 Dec 1993: 861 865 2 PINTELON， L BIESEN VAN Identification of transfer functions with time delay and its application to cable fault location IEEE Trans- actions on Instrumentation and Mea
23、surement， Publication Date: June 1990， 39( 3) : 479 484 3Naoki Kurosawa， Haruo Kobayashi， Kaoru Maruyama Explicit Analysis of Channel Mismatch Effects in Time- Interleaved ADC Systems IEEE transactions on Circuits and Systems， 2003， vol48， ( NO3) 4Daubechies I The Wavelet transform， time- frequency
24、localization and signal analysis IEEE Trans Inform Theory， 1990 5GUINEE A A novel pulse echo correlation tester for transmission line fault location and identification using pseudorandom binary se- quences Industrial Electronics， 2008 IECON 200834th Annual Con- ference of IEEE， 10 13 Nov， 2008: 1833
25、 1838 6王晓迪， 张景秀 SOPC 系统设计与实践 北京: 北京航天航空大学 出版社， 2008 7Altera Corp Cyclone Device Handbook2009 作者简介: 郑恭明: ( 1980) ， 讲师， 硕士， 主要从事信号处理、 嵌入式及 EDA 技术与应用的教学和研究。 E- mail: zgm831 yangtzeu edu cn ( 上接第 3 页) 2于泓博， 朱恒军， 李会 基于 CAN 总线和 ZigBee 的矿井瓦斯监测 系统设计 化工自动化及仪表， 2011， 38( 6) : 722 725 3雷霖， 董华莉 基于 ZigBee 协议的煤矿瓦斯和温湿度监测节点设 计 工矿自动化， 2011， 37( 1) : 32 34 4刘玉珍， 程政， 蒋靖 基于 ZigBee 的井下巷道瓦斯监测系统 仪表 技术与传感器， 2012( 9) : 49 51， 59 5高红玉， 徐建城， 曾成奇 基于 AM 的 CAN 总线智能节点的设 计 电子技术应用， 2005， 31( 4) : 24 26 6费玲玲 基于 AM 的瓦斯实时监测及预警系统 煤炭技术， 2011， 30( 3) : 155 157 作者简介: 何凯( 1988) ， 硕士研究生， 主要研究领域为物联网应用。 E- mail: hekai0918163 com