煤礦瓦斯報警無線傳感器網絡節點設計與實現

　　2.2 微控制器ATmega128單片機

　　處理器模塊是無線傳感器網絡節點的計算核心。本文采用的ATmega128L單片機外形小，集成度高，功耗低，支持睡眠模式，運行速度快，內部有一個10位的逐次逼近型ADC，有足夠的外部通用I/O端口和通信接口，成本低且有安全性保證。

　　2.3 CC1000無線收發模塊

　　無線收發模塊完成節點數據的發送和接收及轉發功能，這里采用Chipcon公司的單片無線收發通信芯片CC1000，其具有低電壓(2.3～3.6V)、低功耗、高靈敏度、小尺寸、接收信號強度指示(RSSI)、可編程輸出功率(-20～1OdBm)等特點。其FSK數傳速度可達72.8kbps,具有250Hz步長可編程頻率能力，適用于跳頻協議。CC1000與單片機的通信通過三線串行接口(PDATA、PCLK和PALE)進行。圖4是CC1000在系統中應用的電路原理圖，外圍元器件的參數是在發射頻率為915MHz的條件下配置的。

　　2.4其他重要模塊

　　除檢測瓦斯濃度外，節點系統設計了溫濕度傳感器模塊，不僅可以進行溫濕度檢測，還可以根據溫濕度數據對瓦斯傳感器校零。Sensirion公司高度集成的溫濕度傳感器芯片SHT11，采用串行時鐘輸入線SCK來與單片機保持通訊同步，串行數據線DATA收發通信協議命令和數據，能夠直接提供溫度在－40～120℃范圍內、濕度在0～100％RH范圍內的數字輸出。

　　粉塵傳感模塊采用SHINYEI KAISHA公司的PPD4NS粉塵傳感器，感知微米以上的粉塵，以檢測單位體積內粉塵粒子的絕對個數。

　　報警節點的數據顯示通過中文液晶顯示器模塊實現。

　　3 瓦斯傳感器網絡節點系統的軟件實現

　　3.1 軟件系統的總體設計

　　軟件系統的主要功能包括傳感器數據采集與處理、無線收發、液晶顯示和節點定位等,采用模塊化設計。傳感器數據采集與處理模塊主要設置瓦斯信號的采集參數并控制采集、讀取溫濕度傳感器的數據輸出并計算露點；無線收發模塊通過設置寄存器控制對命令或數據的接收和發送；液晶顯示模塊實現對瓦斯濃度、溫濕度等數據的本地實時顯示；節點定位模塊對節點進行實時定位。

　　節點系統要支持傳感器網絡，需要考慮網絡層的支持，方便系統擴展，因此系統軟件的實現是在嵌入式操作系統上進行的，與基于硬件的C語言直接編程相比，這種方式對功能擴展、功耗控制、網絡協議優化等有很大幫助。嵌入式操作系統選用了加州大學伯克利分校的基于事件驅動的TinyOS操作系統。軟件開發過程是：首先用C語言設計程序，然后在處理器上移植TinyOS操作系統，利用其編程語言(nesC)在TinyOS下編譯。

　　3.2 軟件系統實現

　　3.2.1 數據采集與處理

　　瓦斯濃度信號的采集控制模塊主要完成采集參數選擇(數據放大倍數檔位轉換)與數據計算工作。A/D轉換器輸出的最大值為511，采用450、50作為檔位判斷上下限，分別設置10x、50x、200x三個信號調理檔位。瓦斯濃度計算時，根據A/D轉換器的數字輸出，由差分輸入轉換公式ADC=(V+-V-)·GAIN·512/VREF計算出差分電壓△V，再根據LXK－3的輸出特性曲線，即可得到瓦斯濃度值。