- 一種低功耗的無線瓦斯傳感器節點設計
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2014/12/25
在對比常用瓦斯傳感元件的基礎上，選擇了OPTOSENSE公司最新生產的紅外吸收式甲烷氣體傳感器MIPEX，設計了無線瓦斯傳感器節點硬件電路。在ZigBee協議棧的基礎上，設計節點軟件程序。節點處于周期約為10 min的工作/休眠交替狀態，在3節普通電池供電的情況下，從理論上估計其工作時間可超過10年之久，是采用傳統低功耗瓦斯傳感元件所遠遠不能達到的。
引 言
瓦斯事故一直是煤礦安全生產的主要威脅。雖然近些年來，瓦斯監測技術不斷發展，但瓦斯爆炸事件仍頻頻發生。國內外現有的煤礦安全監測系統均是采用有線連接方式，具有很大的局限性。由于傳感器采用有線連接，這使其主要被限制在主礦道中應用。而在高瓦斯濃度的采煤工作面處，由于煤礦的不斷開采，工作面各種大型設備需要不斷地推進，設備之間的相互位置也不斷地發生變化，有線監測網絡不能及時跟進礦道的變化，從而造成監測盲區。將無線傳感器網絡應用于瓦斯安全監測系統中，與現有有線監測網絡相結合，構建一個更為全面的井下瓦斯監測系統，將有助于改善目前瓦斯監測領域中存在的問題。
在這樣的系統中，傳感器網絡節點采用電池供電，其能量十分有限。然而常用低功耗瓦斯傳感元件的功耗高達數百mW.如何降低節點能耗是無線瓦斯監測網絡所要解決的關鍵問題。
1 硬件電路設計
表1列出了目前常用低功耗瓦斯傳感元件及其主要指標。從表中可以看出，常用低功耗瓦斯傳感器的功耗都在100mW以上，這對于由電池供電的無線傳感器節點來說是非常不利的。而且表中所列傳感元件都有一定的響應時間，即傳感元件供電后，需要等待其響應一段時間，才能正確地反映瓦斯濃度信息。較長的響應時間限制了無線瓦斯傳感器節點每次采集數據時的工作時間不能太短。例如，TP-1.1A非加熱甲烷氣體傳感器的響應時間接近20 s.如果瓦斯傳感器節點采用該傳感元件，當其采集一次數據時，從給傳感器供電開始，前20 s采集數據是沒有意義的，因為這時傳感元件處于響應階段，其電壓值不能準確地反映實際瓦斯濃度信息。因此每采集一次數據，給傳感元件供電的時間至少持續20 s以上。對于如此高功耗的傳感元件來說，采集一次數據所消耗的能量是非常巨大的。這使得所設計的無線瓦斯傳感器節點的工作時間過短，以致不能達到實用化要求。
在無線傳感器節點的設計中，還存在一個問題，即傳感元件的工作電壓與節點電路中微處理器及無線收發電路工作電壓不一致。如果節點中不同模塊的供電電壓不同，則電路需要進行電壓轉換。而不同電壓的轉換將會增加電路設計的復雜度，從而使得節點能耗增加。
俄羅斯OPTOSENSE公司生產的紅外吸收式甲烷氣體傳感器MIPEX采用非色散紅外技術（NDIR）原理進行設計，其光源采用非傳統的節能LED光源。該光源系統采用了先進的算法產生優化的輻射光譜，光線通過布滿甲烷的光學系統后到達含有硒化鉛和硒化鎘的光敏二極管上，從而對甲烷濃度進行監測。傳感器內置溫度傳感器，并且內部集成信號處理和溫度補償系統，自行輸出數字信號。數字信號可以有效地避免外部環境對其輸出信號的影響。傳感器輸出的數字信號遵循UART格式。
本文所選用的無線收發芯片是CC2430，電源采用電池組供電。隨著電池能量的消耗，電池組輸出的電壓變化較大，很容易超出傳感元件所要求的工作電壓范圍，因此需要選擇合適的穩壓器件，給傳感器元件和無線收發電路提供穩定的工作電壓。主要考慮如下：①節點擬采用3～4節5號電池供電，即對于穩壓器件來說，其輸入電壓范圍為4.5～6 V；②MIPEX傳感器工作電壓范圍為3～4.5 V，而CC2430無線收發芯片的工作電壓范嗣為2～3.6 V，這里將兩者電壓統一選擇為3.3 V，這就要求穩壓器輸出電壓為3.3 V；③無線收發模塊最大工作電流為27mA，MIPEX傳感器平均工作電流為1 mA，所以要求所選擇的穩壓器件能提供不低于28 mA的輸出電流；④所選擇的穩壓器件靜態時的工作電流一定要盡可能小，以便節省能量。
考慮到同時滿足以上4點要求，本文選擇了低壓差線性穩壓器MH5333.它的輸入電壓最高可達10V，輸出電壓為3.3V；最大輸出電流達500mA，靜態電流為1μA.可見MH5333穩壓器件能較好地滿足上述要求。
由3～4節5號電池串聯作為穩壓器MH5333的輸入，其輸出（3.3 V）為無線收發電路和傳感器元件提供電源。無線收發電路與傳感器元件之間通過串口進行數據傳輸。CC2430的引腳P0.0和P0.1分別連接了一個LED燈，方便后面調試程序及觀察程序的執行情況。為了降低能耗，這里采用CC2430的一個引腳控制MIPEX傳感器的電源。MIPEX傳感器對其電源的要求是電源電壓在3～4.5 V范圍內，輸出功率在0.02～0.25 W.CC2430的P1.0和P1.1兩個引腳可以提供20 mA的驅動電流，可見CC2430的P1.0和P1.1兩個引腳的輸出功率能夠滿足這一要求。這里選擇CC2430的P1.0引腳控制MIPEX傳感器的電源。甲烷傳感器MIPEX的TXD和RXD引腳分別連接CC2430的P0.2和P0.3引腳，即連接到CC2430的異步串行接口0的RXD和TXD端。
2 節點軟件設計
紅外甲烷氣體傳感器MIPEX輸出的數字信號遵循UART格式，要求波特率為9 600，8個數據位，1個停止位，無奇偶校驗位。MIPEX傳感器的控制指令遵循ASCII碼，并且每一個控制命令末尾都要以回車結尾。每個MIPEX傳感器都有自己的地址，其范圍為00～FF.出廠時默認地址為00，用戶可以自己改寫。由于每個無線瓦斯傳感器節點只帶有一個MIPEX傳感器，不需要修改其地址。
MIPEX傳感器的數據查詢命令為DATA.當CC2430需要查詢MIPEX傳感器中的濃度信息時，首先要向MIPEX傳感器發送一組命令：44 41 54 41 0D.其中前4個字節分別是“D A T A”所對應的ASCII碼值，最后的“0D”為回車符的ASCII碼。MIPEX傳感器接收到查詢命令后，其返回值為Concl.該返回值是以一個5位的ASCII碼來表示濃度信息的，結尾仍然是一個回車符（0Dh）。例如，甲烷氣體濃度為1.86％，傳感器的返回值為00186.48 48 49 56 54分別為0 0 1 8 6的ASCII碼，如下所示。
傳感器上電后，需要60 s的熱身時間。在這期間，傳感器輸出的不是濃度信息，一般為FFFF.60 s過后，傳感器才輸出正確的測量值。因此在設計讀寫傳感器的程序時，等傳感器上電1 min后，再向其發送數據查詢及讀取命令，否則讀取的數據沒有意義。
無線收發芯片CC2430有4種工作模式：PM0、PM1、PM2和PM3.其中PM3模式最省電，但只能被外部中斷喚醒；PM2模式比較省功耗而且可以被定時喚醒。這里的低功耗設置是讓CC2430工作于PM2模式。ZigBee協議棧的低功耗實現分為兩個部分：一個是沒有任務需要執行時，自動進入低功耗模式；另一個是CC2430周期性采集瓦斯濃度信息時的低功耗設計。ZigBee協議棧在進行任務輪詢時，如果沒有需要執行的任務，其會自動進入低功耗模式。具體實現是在協議棧主循環程序osal_start_system中調用
osal_pwrmgr_powerconserve（）低功耗函數。該函數把獲取OS層timer下一次到時的時間作為參數，調用hal_sleep（）進入PM2睡眠模式。如果當前沒有任務，那么將進入PM3.在后續程序中，每次都設置一個傳感器讀取事件，即如果自動進入睡眠模式，則一定是進入PM2模式。睡眠前設置Timer2（睡眠定時器），醒來的時間剛好等于下次任務到來的時間，當完成任務后再次進入睡眠。
根據傳感器的操作要求，設置無線瓦斯傳感器按照以下的流程進行工作。節點處于工作/休眠交替狀態，一個工作周期約為10 min.在前8分30秒中CC2430的P1.0引腳輸出低電平，控制MIPEX傳感器不工作。緊接著，CC2430進入低功耗運行模式。8分30秒過后，CC2430被喚醒，P1.0引腳輸出高電平，即給MIPEX傳感器供電。此時CC2430進入PM1低功耗模式。由于MIPEX傳感器的熱身時間為1min，這里設置70s后，CC2430被喚醒，開始讀取MIPEX中的瓦斯濃度信息，然后將其無線發送出去。待發送完畢后，設置下一次瓦斯濃度讀取事件，周期為20 s，這20 s內，CC2430自動進入低功耗模式。20 s之后，觸發該事件，并送給應用層處理，開始了上述循環過程。程序設計的具體流程如圖1所示。
無線瓦斯傳感器節點的工作流程主要是在zb_HandieOsalEvent（events）編程實現的，具體程序為：
3 節點能耗估計
在所設計的電路中，消耗能量的部分是穩壓電路、CC2430芯片和MIPEX傳感器。CC2430芯片在一個工作/休眠周期（10 min）內，至少有8分30秒處于PM2低功耗狀態，本文設定的是PM2低功耗狀態，在此期間電流為0.9μA.有70 s的時間處于PM1低功耗狀態，其余20 s處于PM0狀態。MIPEX傳感器正常工作時，其電流為1 mA.一般電池的能量采用mAh的方法進行表示，為了便于估計所設計的節點電路工作壽命，這里也采用mAh的方法來表示能量。根據上面的分析，可以計算出在一個工作/休眠周期內，節點電路所消耗的能量。CC2430在一個周期的能耗約為：Q1=0.9μA×510 s+0.2 mA×70 s+25 mA×20 s=514.459 mAs MIPEX傳感器在一個周期內的能耗約為：Q2=1 mA×90 s=90 mAs文中所設計的電路采用3節1.5 V電池供電，即輸入為4.5 V，輸出為3.3 V.MH5333穩壓器的效率與其壓差有關，線性穩壓器件（LDO）的效率一般在85％～90％之問，且隨著壓差的減小，其效率會有所增加。這里假設其轉換效率為85％，則整個節點電路在一個周期（10 min）內的能耗可以表示為：
一節普通5號電池的能量在600～700mAh，由此可以估算出所設計的節點電路在3節電池供電情況下的工作時間為：
由此可見，本文所設計的無線瓦斯傳感器節點具有很低的能量消耗，3節普通5號電池供電的情況下，工作時間可達3 797天即10年之多。文中設定丁作/休眠周期可適當縮短，以提高監測情況的實時性。如果設置周期為5 min，那么工作時間也有5年左右。
傳統的低功耗瓦斯傳感元件功耗都在百mW以上，且有至少10 s的響應時間，所以僅傳感元件本身的能耗就非常大。如果再加上信號放大電路、無線收發電路的能耗，仍沒定工作/休眠周期為10 min，那么普通3節1.5 V電池儀能維持一個月左右。因此與傳統瓦斯傳感元件相比，MIPEX傳感元件的低功耗性能表現非常優越。這也為低功耗無線瓦斯傳感器節點實用化提供了一條行之有效的途徑。
結 語
本文采用低功耗紅外瓦斯傳感器MIPEX和CC2430設計的無線瓦斯傳感器節點，能夠維持足夠長的工作時間，是采用傳統低功耗瓦斯傳感元件所遠遠不能達到的，這對于推進無線瓦斯傳感器節點進一步走向實用化具有重要意義。不過論文所設計的傳感器節點對瓦斯濃度響應的實時性有待進一步提高。當瓦斯濃度超限時，能夠向CC2430發出中斷觸發信號，將其從休眠中喚醒。不過，需要增加硬件電路，才能實現該功能。傳感器節點也可以根據瓦斯濃度的高低及變化速率。來確定其工作/休眠周期。如果瓦斯濃度低，且變化速率不大，則可以設置較長的工作/休眠周期；如果瓦斯濃度變化較大，則設置較短的工作/休眠周期；如果瓦斯濃度超限，則應處于實時工作狀態。
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