一種低功耗無線瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)硬件電路的設(shè)計(jì)

尹晶晶，吳怡之

（1.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 200051；2.安徽國(guó)防科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，安徽 六安 237011）

瓦斯事故一直是煤礦安全生產(chǎn)的主要威脅。雖然近些年來，瓦斯監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷發(fā)展，但瓦斯爆炸事件仍頻頻發(fā)生。瓦斯爆炸事故的主要原因有3個(gè)方面：1）國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均是采用有線連接方式，具有很大的局限性[1]。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(yīng)用。而在高瓦斯?jié)舛鹊牟擅汗ぷ髅嫣?，由于煤礦的不斷開采，工作面各種大型設(shè)備需要不斷地推進(jìn)，設(shè)備之間的相互位置也不斷地發(fā)生變化，相應(yīng)工作面空間的形狀也不斷地變化，而有線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)不能及時(shí)跟進(jìn)礦道的變化，從而造成監(jiān)測(cè)盲區(qū)；2）礦工安全意識(shí)淡薄，違規(guī)操作現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。擅自關(guān)閉瓦斯監(jiān)測(cè)儀以及井下抽煙等現(xiàn)象仍然存在；3）管理及其他問題。

將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于瓦斯安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，和現(xiàn)有有線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，構(gòu)建一個(gè)更為全面的井下瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將有助于改善目前瓦斯監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中存在的問題[2-3]。在這樣的系統(tǒng)中，有線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)仍保持其原有的監(jiān)測(cè)與傳輸功能，無線傳感器節(jié)點(diǎn)則布設(shè)在采煤工作面附近以及其他有線網(wǎng)絡(luò)不易到達(dá)的地方，多個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過匯聚節(jié)點(diǎn)或基站接入現(xiàn)有有線網(wǎng)絡(luò)。這樣構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)井下任何地方的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)，將有助于井上監(jiān)控人員及時(shí)全面了解井下各處的瓦斯?jié)舛刃畔?，降低瓦斯爆炸事故發(fā)生的可能性。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般都是采用電池供電，其能量十分有限。能耗一直是制約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)壽命的關(guān)鍵因素[4-5]。無線瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)因其傳感元件的功耗遠(yuǎn)高于無線收發(fā)模塊和微處理器，從而使其能耗問題更加突出。這是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要充分考慮的問題。本文從硬件角度著手，設(shè)計(jì)了一種低功耗的無線瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)。

1 硬件電路元件選擇

節(jié)點(diǎn)硬件電路包括微處理器模塊、無線收發(fā)電路模塊、傳感器模塊和電源部分，電源部分為整個(gè)節(jié)點(diǎn)提供能量，其余3個(gè)均是耗能模塊。在眾多無線收發(fā)芯片和微處理器芯片中，TI 公司推出的CC2430 是一款集無線收發(fā)模塊與微處理器于一體的無線收發(fā)芯片，具有低功耗、易開發(fā)等特點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。在其4 種工作狀態(tài)下（發(fā)射、接收、空閑和休眠），發(fā)射狀態(tài)功耗最大。CC2430 發(fā)射時(shí)的電流最大為27 mA，以工作電壓3 V 計(jì)算其功耗約為80 mW。但與瓦斯傳感元件相比，微處理器和無線收發(fā)模塊的功耗明顯低于瓦斯傳感元件。表1 列出了常用瓦斯傳感器元件及其主要指標(biāo)，其中HUYT-YX-GS-800 瓦斯傳感元件具有最低的靜態(tài)功耗，但其較長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間對(duì)縮短傳感器元件的工作時(shí)間不利。并且其較高的工作電壓會(huì)增加電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，從而使得節(jié)點(diǎn)能耗增加。本文選擇了KGS-20 可燃?xì)鈧鞲衅鳌?/p>

無線傳感器節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，以普通5 號(hào)電池為例，一節(jié)電池能量為600～700 mAh。即使不考慮無線收發(fā)模塊和微處理器的能耗，采用兩節(jié)該類型電池，僅供給KGS-20可燃?xì)鈧鞲性ぷ?，其工作時(shí)間僅有8個(gè)小時(shí)左右。所以需要從硬件電路設(shè)計(jì)的角度考慮，要讓傳感元件甚至整個(gè)電路處于工作/休眠的交替狀態(tài)，節(jié)省能量以延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電，由于隨著電池能量的消耗，其輸出電壓會(huì)發(fā)生較大的變化，很容易超出傳感元件所要求的工作電壓范圍，因此需要設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路。考慮到KGS-20 可燃?xì)鈧鞲衅骱蜔o線收發(fā)模塊（CC2430）的工作電壓，則要求穩(wěn)壓電路輸出穩(wěn)定的3.3 V 電壓；由于KGS-20可燃?xì)鈧鞲衅鞴ぷ鲿r(shí)的電流可達(dá)130 mA，以及無線收發(fā)模塊發(fā)射狀態(tài)時(shí)的電流最大為27 mA，所以要求穩(wěn)壓電路的最大輸出電流超過160 mA 才行。由于傳感元件功耗很大，所以需要使其處于工作/非工作的交替狀態(tài)。為進(jìn)一步降低能耗，這里也讓穩(wěn)壓電路和無線收發(fā)電路部分處于工作/非工作交替狀態(tài)。這就要求選擇工作狀態(tài)可控的直流穩(wěn)壓器件。

表1 常用低功耗瓦斯氣體傳感器Tab.1 Low power consumption methane sensor in common use

ME3101 是一款高效同步整流降壓型DC-DC 器件，輸入電壓范圍為2～6 V，輸出電壓典型值為3.3V，最大輸出電流可達(dá)500 mA，轉(zhuǎn)換效率為93%。ME3101 同時(shí)帶有一個(gè)使能管腳CE/MODE，其高電平將使能ME3101 工作，低電平使其關(guān)閉。使能管腳CE/MODE 所要求的高電平最低為1.1 V，最高為其供電電壓；對(duì)低電平的要求是0～0.3 V。對(duì)電流的要求為0.1 μA。這里選擇了寬電壓低功耗的C61F120 單片機(jī)來控制ME3101 的使能管腳。C61F120 單片機(jī)的工作電壓范圍為2.0 V～5.0 V，具有兩個(gè)通用定時(shí)/計(jì)數(shù)器，支持中斷處理，擁有6個(gè)中斷源。在正常工作模式（4 MHz，2 V）下，電流為200 μA；掉電模式（2 V）下，電流為0.5 μA?？梢奀61F120 單片機(jī)既能滿足ME3101 控制管腳對(duì)電壓和電流的要求，又具有低功耗的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)電路框圖如圖1 所示。

圖1 無線瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)電路框圖Fig.1 Block diagram of wireless methane sensor node circuit

由3 節(jié)5 號(hào)電池串聯(lián)的電池組作為節(jié)點(diǎn)的電源，從其中2 節(jié)電池處引出電源線給C61F120 單片機(jī)供電。電池組4.5 V電壓為穩(wěn)壓電路的輸入電壓，其輸出電壓3.3 V 供給傳感器元件和無線收發(fā)電路工作。穩(wěn)壓電路中ME3101 的控制管腳CE/MODE 由單片機(jī)C61F120 的一個(gè)I/O 口控制。C61F120 采用定時(shí)中斷的方式，每隔5 或10 分鐘輸出一個(gè)數(shù)十秒的高電平，控制穩(wěn)壓電路工作的工作狀態(tài)。無線收發(fā)電路供電后，首先進(jìn)入休眠模式，等傳感器元件完全響應(yīng)后，開始喚醒，采集數(shù)據(jù)并發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，無線收發(fā)電路再次進(jìn)入休眠模式。

3 節(jié)點(diǎn)能耗估計(jì)

單片機(jī)C61F120 以5 分鐘為一個(gè)周期，每周期內(nèi)輸出一個(gè)高電平。為降低節(jié)點(diǎn)能耗，希望該高電平持續(xù)時(shí)間越短越好，但由于KGS-20 可燃?xì)鈧鞲衅鞯捻憫?yīng)時(shí)間接近10 s，所以該高電平至少持續(xù)10 s 的時(shí)間。這里設(shè)置其高電平持續(xù)時(shí)間為15 s。所以單片機(jī)C61F120 正常工作狀態(tài)持續(xù)不能少于15 s，這里設(shè)置為20 s。其余時(shí)間單片機(jī)處于掉電工作模式下，以節(jié)省能量。

單片機(jī)在一個(gè)周期內(nèi)的能耗約為Q1=200 μA×3 V×20 s+0.5 μA×3 V×280 s=12.42 mJ。傳感器電路在一個(gè)周期內(nèi)工作時(shí)間為15 s，其余時(shí)間處于斷電狀態(tài)，其能耗近似為KGS-20可燃?xì)鈧鞲衅鞯哪芎?，約為Q2=150 mW×15 s=2 250 mJ。無線收發(fā)電路在一個(gè)周期內(nèi)，至少10 s 的時(shí)間處于休眠狀態(tài)，最多5 s 的時(shí)間處于采集數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)，其余285 s 的時(shí)間處于斷電狀態(tài)，故其能耗約為Q3=27 mA×3.3 V×5 s+0.9 μA×3.3 V×10 s≈446 mJ。穩(wěn)壓電路在一個(gè)周期內(nèi)，有15 s 的時(shí)間處于工作狀態(tài)，其余時(shí)間處于待機(jī)狀態(tài)。處于工作狀態(tài)時(shí)的能耗由其后續(xù)電路的能耗及其轉(zhuǎn)換效率決定，轉(zhuǎn)換效率η=0.93，故可以計(jì)算一個(gè)周期內(nèi)其能耗約為Q4=（Q2+Q3）/η-（Q2+Q3）+1 μA×4.5 V×285 s≈204 mJ。由此可以計(jì)算得一個(gè)周期內(nèi)節(jié)點(diǎn)電路的總能耗為Q=Q1+Q2+Q3+Q4≈2 912 mJ。

4 結(jié)論

瓦斯傳感元件的高功耗嚴(yán)重限制了無線瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)的工作壽命。為將瓦斯無線傳感器網(wǎng)絡(luò)推向?qū)嵱没?，必須考慮如何降低其能耗。文章從硬件設(shè)計(jì)的角度，選擇低功耗的器件，估計(jì)了節(jié)點(diǎn)的能耗問題。進(jìn)一步降低節(jié)點(diǎn)的能耗，可以從以下幾個(gè)方面考慮：

1）在滿足通信距離的前提下，適當(dāng)降低無線收發(fā)電路的工作電壓和發(fā)射功率，也會(huì)降低節(jié)點(diǎn)功耗；

2）在軟件設(shè)計(jì)方面，采用一些數(shù)據(jù)壓縮算法[6]，減少數(shù)據(jù)發(fā)送量，可以降低節(jié)點(diǎn)功耗。當(dāng)節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)無線發(fā)送完畢之后，立即進(jìn)入休眠狀態(tài)，也將會(huì)明顯降低節(jié)點(diǎn)功耗；

3）縮短傳感元件的響應(yīng)時(shí)間，可以縮短每次循環(huán)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間，將會(huì)大幅度降低節(jié)點(diǎn)功耗；

4）開發(fā)出新的低功耗瓦斯傳感元件。目前常用的瓦斯傳感元件功耗都在100 mW 以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出其他類型的數(shù)字傳感器，非常不利于采用電池等方式供電。如果有mW 級(jí)，甚至mW 級(jí)以下的瓦斯傳感元件出現(xiàn)，無線瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)的壽命將會(huì)大大延長(zhǎng)。

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