CN108979718A - 一种基于ZigBee的无线瓦斯监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于ZigBee的无线瓦斯监测系统及方法，属于无线传感监测技术领域。本发明包括电源管理模块、协调模块、传感模块、复位电路、报警模块；电源管理模块分别与传感模块和协调模块连接，传感模块与协调模块通过无线射频模块实现无线通信；协调模块再分别与复位电路、报警模块相连接。本发明功耗小，成本低，节省能源，延长监测系统的工作寿命；且本发明能设计较多的监测点，使井下环境都被全面的监测，加强了井下工作人员的工作环境的安全保障，降低瓦斯事故发生的概率。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于ZigBee的无线瓦斯监测系统及方法，属于无线传感监测技术领域。
背景技术
近年来，井下开采工作环境的安全问题颇受重视，正因如此，对井下工作环境的监测和相关报警技术要求更高。影响井下安全问题的因素很多，例如：矿井风速、矿尘、瓦斯及温湿度等，其中瓦斯的危害性相当严重，就目前而言，井下有线传输网络移动不便、不能完全覆盖工作区域等问题并没有得到较有效的解决，而且目前有关井下瓦斯监测系统的实时性达不到所需的水平，且做不到全面全局的井下监控，维护不方便并且成本较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种基于ZigBee的无线瓦斯监测系统及方法，以用于解决由于井下瓦斯监测实时性不高，维护不方便，结构复杂，成本高以及不能准确的做到全面监测等现象，而不能有效避免矿井瓦斯事故的发生的问题，本发明采用ZigBee协议栈，实现ZigBee无线通信监测系统，可以更加全面的对井下环境进行全局监测，增加了实时性，成本降低，能耗减少，使用寿命得以延长，结构简单，维护便捷等优势。
本发明技术方案是：一种基于ZigBee的无线瓦斯监测系统，包括电源管理模块、协调模块、传感模块、复位电路、报警模块；电源管理模块分别与传感模块和协调模块连接，传感模块与协调模块通过无线射频模块实现无线通信；协调模块再分别与复位电路、报警模块相连接；
所述电源管理模块包括外设电池、接口U1、自锁开关U2、AMS1117-3.3V稳压器U3、电容C1、电容C2、电阻R9；电池通过电源线连接到接口U1，U1的端口1与U2的端口2连接，端口2接地；U2的端口3连接电阻R9的一端，其它端口悬空；U3的端口1接地，端口2与端口4连接电容C1的一端，C1的另一侧接地，端口3连接电容C2，电容C2的另一端接地，电阻R9的另一端与端口3相连，端口4接Vcc端，为整个系统供电。其中电容C1、电容C2、电阻R9和U3构成稳压电路。
所述传感模块包括MQ-2传感器H1、LM393双电压比较器U8、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、滑动变阻器RP1、电容C4、电容C5、LED1；H1端口1、端口2、端口3同时接地，端口4和端口6相连，连接到U8的端口2，且串接一个电阻R13并接地，端口5与电阻R12相连接后接地；U8的端口1作为输出端口，与电阻R10和U7的端口11相连，端口2与电容C5的一端连接，C5的另一端接地，端口3与滑动变阻器RP1连接，RP1两端分别接+5V电压和接地，端口4接地，端口8接+5V的电压，串接一个电容C4后接地，其它端口悬空；R10并接在LED1和R11的两端，通过LED1的亮暗程度来表示电压的变化，用于辅助灵敏度的调节。LED2与电阻R1构成电源指示灯，LED3与电阻R2相连、LED4与电阻R3相连、LED5与电阻R4相连，这三部分构成了电路工作状态指示灯，LED6与电阻R8的一端相连接，LS与R7串接并联在R8两侧，构成了报警电路，按键U4、电阻R5和电容C3构成了复位电路。
所述协调模块包括CC2530芯片、2*6排针U6、2*6排针U7、oled显示器、下载接口U9、电阻R6；CC2530芯片分别与2*6排针U6、2*6排针U7连接，U9的引脚1接地，引脚2接电源电压，引脚3连接U6的引脚2，还与电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端与电阻R1相连，引脚4与U6的引脚3相连，引脚5与U6的引脚8相连，引脚6与U6的引脚7相连，引脚7与U7的引脚3相连，引脚8与U6的引脚6相连，引脚9悬空，引脚10和oled显示器的引脚2同时与U6的引脚5相连；U6的引脚4悬空，引脚9与oled显示器的引脚3相连，引脚10与oled显示器的引脚4相连，引脚12与LED3相连；U7的引脚1与oled的引脚6都接地，引脚2和引脚4接电源电压，引脚3与电容C3一端连接，引脚5与oled引脚1连接，引脚9连接报警模块中的发光二极管LED6的一端，引脚11与U8的引脚1连接，引脚6、7、8、10、12均处于悬空状态。
所述报警模块包含发光二极管LED2、LED3、LED4、LED5、LED6、电阻R1、R2、R3、R4、R7、R8、蜂鸣器LS；发光二极管LED2阳极通过电阻R1与电源VCC相连，LED3阳极通过电阻R2与电源VCC相连接，LED4阳极通过电阻R3与电源VCC相连接，LED5阳极通过电阻R4与电源VCC相连接，LED2阴极接地，LED3阴极、LED4阴极、LED5阴极分别接协调模块中的排针U6的P10、P11、P14口，LED6阴极接协调模块中的排针U7的P04口；LED6阳极与电阻R8的一端、蜂鸣器LS的端口2相连接，电阻R8的另一端接电阻R7的一端、接地，电阻R7的另一端与蜂鸣器LS的端口1相连，相当于蜂鸣器LS并接在电阻R8两端。
所述复位电路包括按键U4、电容C3、电阻R5；电阻R5接U3的端口4Vcc端，U4的1端口接协调模块中的2*6排针U7的3端口，U4的3端口接地，电容C3并联在U4的端口1和端口3两端。
一种基于ZigBee协议栈的无线瓦斯监测方法，所述方法的具体步骤如下：
A、利用外部电源供电：将外设电池通过电源线接入到电路接口U1，由AMS1117-3.3V稳压器U3对电源电压进行电压转换，将得到的适合电路工作的电压作为电源电压由U3的端口4输出，当报警模块中的发光二极管LED2灯亮时，表示电源无误，开始为整个电路供电；
B、利用传感模块中的MQ-2传感器采集瓦斯浓度信息：开始供电后，MQ-2传感器作为瓦斯采集传感器，开始对所处环境中瓦斯数据进行感知采集；
C、利用无线射频模块进行数据收发，在oled显示器上显示数据信息：采集到瓦斯数据后，判断各个传感器节点是否与协调模块之间建立起无线连接；
若建立连接成功，发光二极管LED3、LED4、LED5就会被接通，随后开始将采集到的数据发送给协调模块，利用协调模块对数据进行接收，将信息在oled显示器上面显示；若未建立连接，发光二极管LED3、LED4、LED5就不会被接通，采集到的数据就不能发送给协调模块；
D、将显示出来的瓦斯数据，利用协调模块判断是否满足在所设置的安全范围内，在安全范围内继续进行实时监测，超出范围后，协调模块发送命令通过电压值的变化接通报警模块；
E、利用报警模块实现电路系统安全监测：在采集到的瓦斯数据高于设置的安全阈值后，报警模块被接通，发光二极管LED6灯亮报警，同时，蜂鸣器LS也会发出声响报警；
F、再利用复位电路、下载接口电路确保基本功能：在电路产生一次报警后，需要手动将电路复位，实现实时性的监测。
本发明是基于ZigBee协议栈实现ZigBee技术，在瓦斯传感节点与协调器节点之间实现无线通信并实现监测。
本发明的工作过程为：由电源管理模块负责为整个系统供电，并通过稳压电路得到适合电路工作的电源电压，由传感模块实现对井下瓦斯数据的采集，经由无线射频模块无线连接传感模块和协调模块，在oled显示器上显示出采集到的数据信息，将采集到的数据进行判断是否属于安全范围，若超过设置的安全值，启动报警模块进行报警，实现瓦斯的实时监测。
本发明的有益效果是：本发明是基于ZigBee协议栈实现ZigBee技术，在瓦斯传感节点与协调器节点之间实现无线通信并实现监测，将采集到的瓦斯浓度信息发送给协调模块，进行处理、显示，与设定的阈值对比，来判断报警电路是否接通，从而实现对瓦斯浓度的监测，监测的实时性较高，可以有效的避免瓦斯事故的发生概率；能耗较低，延长了系统使用寿命。本发明与现有技术相比，主要解决了监测实时性低、能耗高、成本高、等现象，增加了系统维护更加便捷，实时性得到较大改善，系统结构简单易操作，设计更多传感节点，使全局可以更全面的监测等优势。
附图说明
图1是本发明部分电路框图；
图2是本发明电路原理图；
图3是本发明传感模块流程图；
图4是本发明协调模块流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1-4所示，一种基于ZigBee的无线瓦斯监测系统，包括电源管理模块、协调模块、传感模块、复位电路、报警模块；电源管理模块分别与传感模块和协调模块连接，传感模块与协调模块通过无线射频模块实现无线通信；协调模块再分别与复位电路、报警模块相连接；
所述电源管理模块包括外设电池、接口U1、自锁开关U2、AMS1117-3.3V稳压器U3、电容C1、电容C2、电阻R9；电池通过电源线连接到接口U1，U1的端口1与U2的端口2连接，端口2接地；U2的端口3连接电阻R9的一端，其它端口悬空；U3的端口1接地，端口2与端口4连接电容C1的一端，C1的另一侧接地，端口3连接电容C2，电容C2的另一端接地，电阻R9的另一端与端口3相连，端口4接Vcc端，为整个系统供电。
所述传感模块包括MQ-2传感器H1、LM393双电压比较器U8、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、滑动变阻器RP1、电容C4、电容C5、LED1；H1端口1、端口2、端口3同时接地，端口4和端口6相连，连接到U8的端口2，且串接一个电阻R13并接地，端口5与电阻R12相连接后接地；U8的端口1作为输出端口，与电阻R10和U7的端口11相连，端口2与电容C5的一端连接，C5的另一端接地，端口3与滑动变阻器RP1连接，RP1两端分别接+5V电压和接地，端口4接地，端口8接+5V的电压，串接一个电容C4后接地，其它端口悬空；R10并接在LED1和R11的两端，通过LED1的亮暗程度来表示电压的变化，用于辅助灵敏度的调节。
所述协调模块包括CC2530芯片、2*6排针U6、2*6排针U7、oled显示器、下载接口U9、电阻R6；CC2530芯片分别与2*6排针U6、2*6排针U7连接，U9的引脚1接地，引脚2接电源电压，引脚3连接U6的引脚2，还与电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端与电阻R1相连，引脚4与U6的引脚3相连，引脚5与U6的引脚8相连，引脚6与U6的引脚7相连，引脚7与U7的引脚3相连，引脚8与U6的引脚6相连，引脚9悬空，引脚10和oled显示器的引脚2同时与U6的引脚5相连；U6的引脚4悬空，引脚9与oled显示器的引脚3相连，引脚10与oled显示器的引脚4相连，引脚12与LED3相连；U7的引脚1与oled的引脚6都接地，引脚2和引脚4接电源电压，引脚3与电容C3一端连接，引脚5与oled引脚1连接，引脚9连接报警模块中的发光二极管LED6的一端，引脚11与U8的引脚1连接，引脚6、7、8、10、12均处于悬空状态。
所述报警模块包含发光二极管LED2、LED3、LED4、LED5、LED6、电阻R1、R2、R3、R4、R7、R8、蜂鸣器LS；发光二极管LED2阳极通过电阻R1与电源VCC相连，LED3阳极通过电阻R2与电源VCC相连接，LED4阳极通过电阻R3与电源VCC相连接，LED5阳极通过电阻R4与电源VCC相连接，LED2阴极接地，LED3阴极、LED4阴极、LED5阴极分别接协调模块中的排针U6的P10、P11、P14口，LED6阴极接协调模块中的排针U7的P04口；LED6阳极与电阻R8的一端、蜂鸣器LS的端口2相连接，电阻R8的另一端接电阻R7的一端、接地，电阻R7的另一端与蜂鸣器LS的端口1相连，相当于蜂鸣器LS并接在电阻R8两端。
所述复位电路包括按键U4、电容C3、电阻R5；电阻R5接U3的端口4Vcc端，U4的1端口接协调模块中的2*6排针U7的3端口，U4的3端口接地，电容C3并联在U4的端口1和端口3两端。
一种基于ZigBee协议栈的无线瓦斯监测方法，所述方法的具体步骤如下：
A、利用外部电源供电：将外设电池通过电源线接入到电路接口U1，由AMS1117-3.3V稳压器U3对电源电压进行电压转换，将得到的适合电路工作的电压作为电源电压由U3的端口4输出，当报警模块中的发光二极管LED2灯亮时，表示电源无误，开始为整个电路供电；
B、利用传感模块中的MQ-2传感器采集瓦斯浓度信息：开始供电后，MQ-2传感器作为瓦斯采集传感器，开始对所处环境中瓦斯数据进行感知采集；
C、利用无线射频模块进行数据收发，在oled显示器上显示数据信息：采集到瓦斯数据后，判断各个传感器节点是否与协调模块之间建立起无线连接；
若建立连接成功，发光二极管LED3、LED4、LED5就会被接通，随后开始将采集到的数据发送给协调模块，利用协调模块对数据进行接收，将信息在oled显示器上面显示；若未建立连接，发光二极管LED3、LED4、LED5就不会被接通，采集到的数据就不能发送给协调模块；
D、将显示出来的瓦斯数据，利用协调模块判断是否满足在所设置的安全范围内，在安全范围内继续进行实时监测，超出范围后，协调模块发送命令通过电压值的变化接通报警模块；
E、利用报警模块实现电路系统安全监测：在采集到的瓦斯数据高于设置的安全阈值后，报警模块被接通，发光二极管LED6灯亮报警，同时，蜂鸣器LS也会发出声响报警；
F、再利用复位电路、下载接口电路确保基本功能：在电路产生一次报警后，需要手动将电路复位，实现实时性的监测。
本发明的工作原理是：
电源管理模块：本发明采用电池供电。电池通过电源线与U1接口连接在一起，电池通过U1接入电路，U2是一个开关，按下U2表示电池与硬件电路接通，开始为电路供电。低功耗低压稳定器AMS1117-3.3V一共有四个引脚，三引脚的端口可调节或固定输出电压，可实现对电压进行转换，使之符合CC2530的工作电压(2-3.6V)，C1、C2是辅助AMS1117-3.3V获得更稳定的工作电压范围。
传感模块：本发明采用MQ-2传感器对瓦斯浓度数据进行采集。模块电路中多圈电位器RP1可调节模块的灵敏度，U8是双电压比较器LM393，与MQ-2传感器连接在一起，对Vo和Vth两个中进行比较，Vo高于Vth时，LM393输出低电平，通过相关程序指令控制，实现对井下瓦斯浓度数据的感知采集，并进行A/D转换。
协调模块：本发明采用的是基于ZigBee协议栈的ZigBee汇聚节点。CC2530芯片为核心，设计外围电路，oled显示器与ZigBee兼容，具有分辨率高和超低功耗的特点，协调模块是控制中心，是程序指令灌入电路的重要控制节点，负责与传感模块建立联系，给传感模块发送采集和发送数据的指令，收到数据后对其进行处理显示，判断是否启动报警电路。通过CC2530芯片中的无线射频模块实现无线通信；
报警模块：本发明采用的是指示灯D4(发光二极管LED6)灯亮表示报警。在整个监测电路中，报警模块是必需的，当任一传感模块采集的瓦斯数据高于安全值时，协调模块控制报警模块被接通，D4灯亮报警，同时，蜂鸣器LS也会实现报警，电阻R8起到分压的作用，此报警模块的优势是结构简单，易实现。
复位电路、下载接口：本发明采用的是手动复位，并设计一个下载接口。复位电路中U4是一个4接口的按键，实现手动复位，R5阻值为10K欧，起到分压的作用，电容C3并接在U4两边；下载接口有10个引脚，3脚外接R6，1脚接地，主要用于将程序指令灌入电路的一个连接接口。
本发明采取指示灯显示电路工作状态，显示器显示数据信息。指示灯D1(发光二极管LED3)、D2(发光二极管LED4)、D3(发光二极管LED5)用来显示电路工作状态是否正常，便于系统电路维护，通过程序指令控制，将采集到的数据显示在oled显示器上。
本发明软件程序设计主要是对协调模块和传感模块进行相关的程序编译。图3是传感模块的详细流程图，传感节点主要实现：首先接收到加入网络绑定的允许，若能成功加入绑定，就开始采集瓦斯浓度，并向协调节点发送采集的瓦斯数据，若发送成功就有CC2530芯片进行数据处理，这就完成了一次工作流程。若发送数据失败，就解除原绑定重新绑定网络，再依次进行重复步骤。
图4是协调模块的详细流程图，协调节点主要实现：建立网络并允许对应的三个瓦斯采集节点加入进行绑定，确认绑定成功后，判断是否有瓦斯数据发送过来，若已经发送过来，就开始接受数据进行处理和显示的步骤，再对比设定的瓦斯浓度安全上限值(经多次实验，本发明设置为50)，若高于安全值，实现D4灯亮和蜂鸣器LS发声报警，若未超过上限，就完成一次工作流程，若为发送瓦斯数据，就返回上一步是否有对应的瓦斯采集节点绑定此网络，若没有绑定，就结束此次工作，重新开始工作流程。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (6)
1.一种基于ZigBee的无线瓦斯监测系统，其特征在于：包括电源管理模块、协调模块、传感模块、复位电路、报警模块；电源管理模块分别与传感模块和协调模块连接，传感模块与协调模块通过无线射频模块实现无线通信；协调模块再分别与复位电路、报警模块相连接；
所述电源管理模块包括外设电池、接口U1、自锁开关U2、AMS1117-3.3V稳压器U3、电容C1、电容C2、电阻R9；电池通过电源线连接到接口U1，U1的端口1与U2的端口2连接，端口2接地；U2的端口3连接电阻R9的一端，其它端口悬空；U3的端口1接地，端口2与端口4连接电容C1的一端，C1的另一侧接地，端口3连接电容C2，电容C2的另一端接地，电阻R9的另一端与端口3相连，端口4接Vcc端，为整个系统供电。
2.根据权利要求1所述的基于ZigBee的无线瓦斯监测系统，其特征在于：所述传感模块包括MQ-2传感器H1、LM393双电压比较器U8、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、滑动变阻器RP1、电容C4、电容C5、LED1；H1端口1、端口2、端口3同时接地，端口4和端口6相连，连接到U8的端口2，且串接一个电阻R13并接地，端口5与电阻R12相连接后接地；U8的端口1作为输出端口，与电阻R10和U7的端口11相连，端口2与电容C5的一端连接，C5的另一端接地，端口3与滑动变阻器RP1连接，RP1两端分别接+5V电压和接地，端口4接地，端口8接+5V的电压，串接一个电容C4后接地，其它端口悬空；R10并接在LED1和R11的两端，通过LED1的亮暗程度来表示电压的变化，用于辅助灵敏度的调节。
3.根据权利要求1所述的基于ZigBee的无线瓦斯监测系统，其特征在于：所述协调模块包括CC2530芯片、2*6排针U6、2*6排针U7、oled显示器、下载接口U9、电阻R6；CC2530芯片分别与2*6排针U6、2*6排针U7连接，U9的引脚1接地，引脚2接电源电压，引脚3连接U6的引脚2，还与电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端与电阻R1相连，引脚4与U6的引脚3相连，引脚5与U6的引脚8相连，引脚6与U6的引脚7相连，引脚7与U7的引脚3相连，引脚8与U6的引脚6相连，引脚9悬空，引脚10和oled显示器的引脚2同时与U6的引脚5相连；U6的引脚4悬空，引脚9与oled显示器的引脚3相连，引脚10与oled显示器的引脚4相连，引脚12与LED3相连；U7的引脚1与oled的引脚6都接地，引脚2和引脚4接电源电压，引脚3与电容C3一端连接，引脚5与oled引脚1连接，引脚9连接报警模块中的发光二极管LED6的一端，引脚11与U8的引脚1连接，引脚6、7、8、10、12均处于悬空状态。
4.根据权利要求3所述的基于ZigBee的无线瓦斯监测系统，其特征在于：所述报警模块包含发光二极管LED2、LED3、LED4、LED5、LED6、电阻R1、R2、R3、R4、R7、R8、蜂鸣器LS；发光二极管LED2阳极通过电阻R1与电源VCC相连，LED3阳极通过电阻R2与电源VCC相连接，LED4阳极通过电阻R3与电源VCC相连接，LED5阳极通过电阻R4与电源VCC相连接，LED2阴极接地，LED3阴极、LED4阴极、LED5阴极分别接协调模块中的排针U6的P10、P11、P14口，LED6阴极接协调模块中的排针U7的P04口；LED6阳极与电阻R8的一端、蜂鸣器LS的端口2相连接，电阻R8的另一端接电阻R7的一端、接地，电阻R7的另一端与蜂鸣器LS的端口1相连，相当于蜂鸣器LS并接在电阻R8两端。
5.根据权利要求4所述的基于ZigBee的无线瓦斯监测系统，其特征在于：所述复位电路包括按键U4、电容C3、电阻R5；电阻R5接U3的端口4Vcc端，U4的1端口接协调模块中的2*6排针U7的3端口，U4的3端口接地，电容C3并联在U4的端口1和端口3两端。
6.一种基于ZigBee协议栈的无线瓦斯监测方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：
A、利用外部电源供电：将外设电池通过电源线接入到电路接口U1，由AMS1117-3.3V稳压器U3对电源电压进行电压转换，将得到的适合电路工作的电压作为电源电压由U3的端口4输出，当报警模块中的发光二极管LED2灯亮时，表示电源无误，开始为整个电路供电；
B、利用传感模块中的MQ-2传感器采集瓦斯浓度信息：开始供电后，MQ-2传感器作为瓦斯采集传感器，开始对所处环境中瓦斯数据进行感知采集；
C、利用无线射频模块进行数据收发，在oled显示器上显示数据信息：采集到瓦斯数据后，判断各个传感器节点是否与协调模块之间建立起无线连接；
若建立连接成功，发光二极管LED3、LED4、LED5就会被接通，随后开始将采集到的数据发送给协调模块，利用协调模块对数据进行接收，将信息在oled显示器上面显示；若未建立连接，发光二极管LED3、LED4、LED5就不会被接通，采集到的数据就不能发送给协调模块；
D、将显示出来的瓦斯数据，利用协调模块判断是否满足在所设置的安全范围内，在安全范围内继续进行实时监测，超出范围后，协调模块发送命令通过电压值的变化接通报警模块；
E、利用报警模块实现电路系统安全监测：在采集到的瓦斯数据高于设置的安全阈值后，报警模块被接通，发光二极管LED6灯亮报警，同时，蜂鸣器LS也会发出声响报警；
F、再利用复位电路、下载接口电路确保基本功能：在电路产生一次报警后，需要手动将电路复位，实现实时性的监测。
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