电子产品世界

2002年8月成立了由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司组成的ZigBee联盟。ZigBee的物理层和链路层协议主要采用IEEE 802.15.4标准，利用全球共用的公共频率2.4～2.484 GHz免执照频段进行通讯，工作在2.4 GHz频段上的最高传输速率为250 Kb／s，采用了0-QPSK调制方法。图3给出ZigBee无线通信接口电路，用于通信的ZigBee线路接入器选用符合标准ZigBee协议的集成收发RF器件CC2420和利用PCB无线收发天线，以及少量的外围器件。CC2420采用直序扩频技术，保证了数据传输的可靠性。电路中，其外围电路包括晶体振荡器时钟电路、射频输入／输出匹配电路和微控制器接口电路3部分。CC2420的晶振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供。由内部电路提供时，需外加晶体振荡器和两只负载电容，容值取决于晶体的频率及输入容抗等参数。射频输入／输出匹配电路主要用来匹配器件的输入／输出阻抗。CC2420通过内部继承的SI、SO、SCK和CSn 4条SPI总线设置器件的工作模式，并实现读／写缓存数据及读／写状态寄存器等功能，通过控制FIFO和FIFOP引脚接口状态设置发射／接收缓存器。在数据传输过程中，CSn必须始终保持低电平。另外，通过CCA引脚状态的设置清除通道估计，通过SFD引脚状态的设置控制时钟／定时信息的输入。当系统上电后，将自动与井下无线通信网络建立链路关系，通过中心控制台，向监测系统发出网络连接自检信号，当MCU接收到连接信号后，返回应答信号至控制中心，完成一次完整的ZigBee网络通信；如果在发送信号时ACK标志位置位，而且在一定的超时期限内没有收到应答，发送器将重复发送固定次数，若仍无应答就宣布发生错误，请求重新建立通信连接。当通信链路成功时，整个检测系统开始工作，C8051F010将采集到的模拟信号进行数字转换、分析处理，将结果保存到内部数据寄存器中，通过SPI接口方式与CC2420实现通信。CC2420扩频后将数据发送到中继器FFD-1以数据包的形式传送给下一级FFD网络协调器，依次传输后到达井口的FFD中继器，它通过RS485有线连接到地面指挥中心。

下位机程序设计方案包括动态连接网络、数据采集部分和应用控制程序。动态连接网络负责查询网络设备和建立通讯链路；数据采集部分包括瓦斯浓度的采集、处理和保存；应用控制程序负责执行控制命令等功能。总体程序流程如图4所示。

在仿真试验箱内，对不同测试点分别注入不同浓度的瓦斯样本用于实验数据测试。表1给出不同测试点的测试结果对比，真实值由标准的测试仪提供；该方法由仿真监控中心上位机提供。实验测试数据保证了误差在1％以内的精确度。

设计了基于ZigBee和双MCU结构的井下无线通信现场综合监测系统。通过巧妙选择和配置控制器，合理优化设计系统接口电路，实现了传感器信息的高速、高精度采集和复杂算法的大数据量实时计算、分析等功能，并降低成本，简化电路设计。

该系统作为井下现场综合监测的子系统，用于井下瓦斯信息的采集分析。实验表明，它能够满足井下的信息采集、数据分析以及通信控制等任务，具有较好的可靠性和实时性。

关键词： 系统 设计 监测 瓦斯 ZigBee 通信 基于 ZigBee