一种基于ZigBee技术的矿井瓦斯监测系统的制作方法

本发明涉及一种基于ZigBee技术的矿井瓦斯监测系统，适用于气体检测领域。

背景技术：

现阶段我国的主要能源就是煤炭，它在我国的社会和经济发展方面占着重要的地位，成为人们生产生活中不可或缺的一部分。根据有关数据显示，我国煤矿开采行业存在着重大的问题，据有关数据统计，到2006年底，在全国拥有生产许可证的2.6万个矿井中，几乎都是瓦斯矿井且半数以上还属于高瓦斯矿井。在陕西省登记在册的3420个煤矿中有十余家是国有骨干大型煤炭企业。由于我们的开采技术受各方面因素的限制，如:井下开采条件、矿工技术条件、自然地质条件、技术和装备条件的限制等，煤矿行业的安全性、可靠性一直不高，矿难事故也是经常发生。其中，瓦斯的危害是最严重的。

由于煤炭形成的自然环境复杂，矿井开采条件也千差万别，再加上外部存在水灾、火灾等自然灾害，狭小的开采空间和极差的照明条件都给煤炭开采工作带来了很大的困难。目前绝大多数的煤矿监测系统都采用有线方式，即采用光缆、电力线缆或信号线缆等，存在着很大的不便，有线方式存在以下缺陷。

(1) 安装维护费用昂贵，布线困难。要建立有线监测系统需要大量的光缆、电缆，而这些线缆的价格也是十分昂贵的，同时环境极其复杂的井下铺设这些线缆也是十分费时费力的。

(2) 监测范围有限。监测系统本应该监测到井下的各个区域，但由于井下的地形环境十分复杂，矿井下还存在许多的线缆不能安放的区域，使得有线监测的范围缩小了，很难遍布矿井的每个角落，无法对整个矿井实施全方位监测，留了许多的安全隐患。

(3) 线路依赖性强。有线网络不能进行自我修复，如果有线监测网络中的某处线路被损坏了，很可能使整个监测系统都不能正常工作。一旦井下发生瓦斯事故时，这些线缆就会遭到破坏而不能工作，对搜救工作及事态检测也不能提供一点帮助。

综合煤矿安全系统的特点，我们发现，目前，随着井下开采深度不断增加，信息安全系统已经不能够满足要求。所以，采用新技术对目前的检测系统的现状进行改善，把目前较流行的无线传感器网络，与煤矿瓦斯监测系统相结合，采用无线的方式，能够很好的解决有线监测系统所不能解决的问题，具有重要意义。

技术实现要素：

本发明提供一种基于ZigBee技术的矿井瓦斯监测系统，利用传感器网络，与煤矿瓦斯监测系统相结合，采用了无线的方式，既避免了铺设线路的麻烦也降低了成本，该系统还具有低功耗，能够提供成本低、见效快、高效率的数据传输平台，具有便捷、易于校正的优点，具有良好的实时性、稳定性，提高了煤矿检测系统的安全性。

本发明所采用的技术方案是：

基于ZigBee技术的矿井瓦斯监测系统由监测节点电路、数据接收节点、电源供电电路、串口通信模块电路组成。

所述监测节点被放置在矿井不同位置，用来监测矿井中瓦斯浓度和温湿度状况，将采集到信息通过ZigBee网络无线发送到地面上数据接收终端，其硬件主要由传感器模块、微控制器模块、无线射频模块、天线匹配电路和电源供电模块组成。传感器模块由瓦斯传感器、数字式温湿度传感器和信号调理电路组成，因采集的是数字信号，可直接送到微控制器的I/O口上。CC2430将微控制器和无线射频芯片都集成在一个芯片上，具有功耗低和抗干扰能力强的特点，同时采用差分方式输出射频信号。天线大部分采用单端方式激励，因此在CC2430的射频输出口与天线之间必须配置天线匹配电路。

所述数据接收节点放置在PC机附近，主要用于汇集矿井中各个监测节点发送来的数据，通过RS232串口送到PC机上查看矿井中各位置的环境状况。接收节点由无线射频模块、微控制器模块、串行接口电路、人机交换接口电路、LED状态指示电路、JTAG接口电路、扩展接口电路和电源供电模块组成。串口电路主要实现接收节点与PC机上监测软件的信息交换，人机交换接口电路主要用完成各种功能的选择，LED状态指示电路主要用于表示节点的工作状态，JTAG接口电路主要用于下载软件程序或以后软件升级时使用，扩展接口电路用于系统硬件以后的升级和扩展使用。

所述电源供电电路稳定程度是整个系统非常重要的部分。电源采用外接电源和电池供电两种方式，以适应不同场合的应用需求。节点模块都采用3.3V和1.8V供电方式，使用两节干电池就可以供电，但网关节点主控制器频率高，功耗也比较大，为了使网关节点稳定可靠的工作，通常都采用外电源供电方式。电源电路采用的是AMS1117-3.3 V和AMS1117-1.8V芯片进行电源降压和稳压。 AMS1117是一块低压差三端输出的正稳压集成电路，具有静态工作电流小，输入输出压差小，负载调整率和电压调整率小的特点，并且有过热、过流保护。

所述串口通信模块电路微处理器芯片通过RS232串口与PC机相连，微处理器芯片的电源电压是3.3 V，而PC机的RS232接口采用负逻辑标准，-3 V～15V表示逻辑“1”，这与CC2430的TTL电平不兼容，因此，需要在CC2430和PC机之间进行电平转换，本文采用MAXIM公司的MAX3232芯片来完成电平转换功能。MAX3232采用专有的低压差发送器输出级，具有3～5.5V的宽工作电压，外围器件仅需要四个小电容，包含两路驱动器和两路接收器，数据的传输速率最高达250kb/s，另外，该芯片还具有静电保护功能。

本发明的有益效果是：利用传感器网络，与煤矿瓦斯监测系统相结合，采用了无线的方式，既避免了铺设线路的麻烦也降低了成本，该系统还具有低功耗，能够提供成本低、见效快、高效率的数据传输平台，具有便捷、易于校正的优点，具有良好的实时性、稳定性，提高了煤矿检测系统的安全性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的监测节点电路。

图2是本发明的数据接收节点。

图3是本发明的电源供电电路。

图4是本发明的串口通信电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1，监测节点被放置在矿井不同位置，用来监测矿井中瓦斯浓度和温湿度状况，将采集到信息通过ZigBee网络无线发送到地面上数据接收终端，其硬件主要由传感器模块、微控制器模块、无线射频模块、天线匹配电路和电源供电模块组成。传感器模块由瓦斯传感器、数字式温湿度传感器和信号调理电路组成，因采集的是数字信号，可直接送到微控制器的I/O口上。CC2430将微控制器和无线射频芯片都集成在一个芯片上，具有功耗低和抗干扰能力强的特点，同时采用差分方式输出射频信号。天线大部分采用单端方式激励，因此在CC2430的射频输出口与天线之间必须配置天线匹配电路。

如图2, 数据接收节点放置在PC机附近，主要用于汇集矿井中各个监测节点发送来的数据，通过RS232串口送到PC机上查看矿井中各位置的环境状况。接收节点由无线射频模块、微控制器模块、串行接口电路、人机交换接口电路、LED状态指示电路、JTAG接口电路、扩展接口电路和电源供电模块组成。串口电路主要实现接收节点与PC机上监测软件的信息交换，人机交换接口电路主要用完成各种功能的选择，LED状态指示电路主要用于表示节点的工作状态，JTAG接口电路主要用于下载软件程序或以后软件升级时使用，扩展接口电路用于系统硬件以后的升级和扩展使用。

如图3，串口通信模块电路微处理器芯片通过RS232串口与PC机相连，微处理器芯片的电源电压是3.3 V，而PC机的RS232接口采用负逻辑标准，-3 V～15V表示逻辑“1”，这与CC2430的TTL电平不兼容，因此，需要在CC2430和PC机之间进行电平转换，本文采用MAXIM公司的MAX3232芯片来完成电平转换功能。MAX3232采用专有的低压差发送器输出级，具有3～5.5V的宽工作电压，外围器件仅需要四个小电容，包含两路驱动器和两路接收器，数据的传输速率最高达250kb/s，另外，该芯片还具有静电保护功能。

如图4，串口通信模块电路微处理器芯片通过RS232串口与PC机相连，微处理器芯片的电源电压是3.3 V，而PC机的RS232接口采用负逻辑标准，-3 V～15V表示逻辑“1”，这与CC2430的TTL电平不兼容，因此，需要在CC2430和PC机之间进行电平转换，本文采用MAXIM公司的MAX3232芯片来完成电平转换功能。MAX3232采用专有的低压差发送器输出级，具有3～5.5V的宽工作电压，外围器件仅需要四个小电容，包含两路驱动器和两路接收器，数据的传输速率最高达250kb/s，另外，该芯片还具有静电保护功能。