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基于低功耗红外瓦斯传感器MIPEX和CC2430的无线瓦斯传感器节点设计

2018年02月13日 03:59 次阅读

在对比常用瓦斯传感元件的基础上,选择了OPTOSENSE公司最新生产的红外吸收式甲烷气体传感器MIPEX,设计了无线瓦斯传感器节点硬件电路。在ZigBee协议栈的基础上,设计节点软件程序。节点处于周期约为10 min的工作/休眠交替状态,在3节普通电池供电的情况下,从理论上估计其工作时间可超过10年之久,是采用传统低功耗瓦斯传感元件所远远不能达到的。

瓦斯事故一直是煤矿安全生产的主要威胁。虽然近些年来,瓦斯监测技术不断发展,但瓦斯爆炸事件仍频频发生。国内外现有的煤矿安全监测系统均是采用有线连接方式,具有很大的局限性。由于传感器采用有线连接,这使其主要被限制在主矿道中应用。而在高瓦斯浓度的采煤工作面处,由于煤矿的不断开采,工作面各种大型设备需要不断地推进,设备之间的相互位置也不断地发生变化,有线监测网络不能及时跟进矿道的变化,从而造成监测盲区。将无线传感器网络应用于瓦斯安全监测系统中,与现有有线监测网络相结合,构建一个更为全面的井下瓦斯监测系统,将有助于改善目前瓦斯监测领域中存在的问题。

在这样的系统中,传感器网络节点采用电池供电,其能量十分有限。然而常用低功耗瓦斯传感元件的功耗高达数百mW.如何降低节点能耗是无线瓦斯监测网络所要解决的关键问题。

1硬件电路设计

表1列出了目前常用低功耗瓦斯传感元件及其主要指标。从表中可以看出,常用低功耗瓦斯传感器的功耗都在100mW以上,这对于由电池供电的无线传感器节点来说是非常不利的。而且表中所列传感元件都有一定的响应时间,即传感元件供电后,需要等待其响应一段时间,才能正确地反映瓦斯浓度信息。较长的响应时间限制了无线瓦斯传感器节点每次采集数据时的工作时间不能太短。例如,TP-1.1A非加热甲烷气体传感器的响应时间接近20 s.如果瓦斯传感器节点采用该传感元件,当其采集一次数据时,从给传感器供电开始,前20 s采集数据是没有意义的,因为这时传感元件处于响应阶段,其电压值不能准确地反映实际瓦斯浓度信息。因此每采集一次数据,给传感元件供电的时间至少持续20 s以上。对于如此高功耗的传感元件来说,采集一次数据所消耗的能量是非常巨大的。这使得所设计的无线瓦斯传感器节点的工作时间过短,以致不能达到实用化要求。

在无线传感器节点的设计中,还存在一个问题,即传感元件的工作电压与节点电路中微处理器及无线收发电路工作电压不一致。如果节点中不同模块的供电电压不同,则电路需要进行电压转换。而不同电压的转换将会增加电路设计的复杂度,从而使得节点能耗增加。

俄罗斯OPTOSENSE公司生产的红外吸收式甲烷气体传感器MIPEX采用非色散红外技术(NDIR)原理进行设计,其光源采用非传统的节能LED光源。该光源系统采用了先进的算法产生优化的辐射光谱,光线通过布满甲烷的光学系统后到达含有硒化铅和硒化镉的光敏二极管上,从而对甲烷浓度进行监测。传感器内置温度传感器,并且内部集成信号处理和温度补偿系统,自行输出数字信号。数字信号可以有效地避免外部环境对其输出信号的影响。传感器输出的数字信号遵循UART格式。

本文所选用的无线收发芯片是CC2430,电源采用电池组供电。随着电池能量的消耗,电池组输出的电压变化较大,很容易超出传感元件所要求的工作电压范围,因此需要选择合适的稳压器件,给传感器元件和无线收发电路提供稳定的工作电压。主要考虑如下:①节点拟采用3~4节5号电池供电,即对于稳压器件来说,其输入电压范围为4.5~6 V;②MIPEX传感器工作电压范围为3~4.5 V,而CC2430无线收发芯片的工作电压范嗣为2~3.6 V,这里将两者电压统一选择为3.3 V,这就要求稳压器输出电压为3.3 V;③无线收发模块最大工作电流为27mA,MIPEX传感器平均工作电流为1 mA,所以要求所选择的稳压器件能提供不低于28 mA的输出电流;④所选择的稳压器件静态时的工作电流一定要尽可能小,以便节省能量。

考虑到同时满足以上4点要求,本文选择了深圳明和科技公司生产的低压差线性稳压器MH5333.它的输入电压最高可达10V,输出电压为3.3V;最大输出电流达500mA,静态电流为1μA.可见MH5333稳压器件能较好地满足上述要求。

由3~4节5号电池串联作为稳压器MH5333的输入,其输出(3.3 V)为无线收发电路和传感器元件提供电源。无线收发电路与传感器元件之间通过串口进行数据传输。CC2430的引脚P0.0和P0.1分别连接了一个LED灯,方便后面调试程序及观察程序的执行情况。为了降低能耗,这里采用CC2430的一个引脚控制MIPEX传感器的电源。MIPEX传感器对其电源的要求是电源电压在3~4.5 V范围内,输出功率在0.02~0.25 W.CC2430的P1.0和P1.1两个引脚可以提供20 mA的驱动电流,可见CC2430的P1.0和P1.1两个引脚的输出功率能够满足这一要求。这里选择CC2430的P1.0引脚控制MIPEX传感器的电源。甲烷传感器MIPEX的TXD和RXD引脚分别连接CC2430的P0.2和P0.3引脚,即连接到CC2430的异步串行接口0的RXD和TXD端。

2节点软件设计

红外甲烷气体传感器MIPEX输出的数字信号遵循UART格式,要求波特率为9 600,8个数据位,1个停止位,无奇偶校验位。MIPEX传感器的控制指令遵循ASCII码,并且每一个控制命令末尾都要以回车结尾。每个MIPEX传感器都有自己的地址,其范围为00~FF.出厂时默认地址为00,用户可以自己改写。由于每个无线瓦斯传感器节点只带有一个MIPEX传感器,不需要修改其地址。

MIPEX传感器的数据查询命令为DATA.当CC2430需要查询MIPEX传感器中的浓度信息时,首先要向MIPEX传感器发送一组命令:44 41 54 41 0D.其中前4个字节分别是“D A T A”所对应的ASCII码值,最后的“0D”为回车符的ASCII码。MIPEX传感器接收到查询命令后,其返回值为Concl.该返回值是以一个5位的ASCII码来表示浓度信息的,结尾仍然是一个回车符(0Dh)。例如,甲烷气体浓度为1.86%,传感器的返回值为00186.48 48 49 56 54分别为0 0 1 8 6的ASCII码,如下所示。

传感器上电后,需要60 s的热身时间。在这期间,传感器输出的不是浓度信息,一般为FFFF.60 s过后,传感器才输出正确的测量值。因此在设计读写传感器的程序时,等传感器上电1 min后,再向其发送数据查询及读取命令,否则读取的数据没有意义。

无线收发芯片CC2430有4种工作模式:PM0、PM1、PM2和PM3.其中PM3模式最省电,但只能被外部中断唤醒;PM2模式比较省功耗而且可以被定时唤醒。这里的低功耗设置是让CC2430工作于PM2模式。ZigBee协议栈的低功耗实现分为两个部分:一个是没有任务需要执行时,自动进入低功耗模式;另一个是CC2430周期性采集瓦斯浓度信息时的低功耗设计。ZigBee协议栈在进行任务轮询时,如果没有需要执行的任务,其会自动进入低功耗模式。具体实现是在协议栈主循环程序osal_start_system中调用osal_pwrmgr_powerconserve()低功耗函数。该函数把获取OS层TImer下一次到时的时间作为参数,调用hal_sleep()进入PM2睡眠模式。如果当前没有任务,那么将进入PM3.在后续程序中,每次都设置一个传感器读取事件,即如果自动进入睡眠模式,则一定是进入PM2模式。睡眠前设置TImer2(睡眠定时器),醒来的时间刚好等于下次任务到来的时间,当完成任务后再次进入睡眠。

根据传感器的操作要求,设置无线瓦斯传感器按照以下的流程进行工作。节点处于工作/休眠交替状态,一个工作周期约为10 min.在前8分30秒中CC2430的P1.0引脚输出低电平,控制MIPEX传感器不工作。紧接着,CC2430进入低功耗运行模式。8分30秒过后,CC2430被唤醒,P1.0引脚输出高电平,即给MIPEX传感器供电。此时CC2430进入PM1低功耗模式。由于MIPEX传感器的热身时间为1min,这里设置70s后,CC2430被唤醒,开始读取MIPEX中的瓦斯浓度信息,然后将其无线发送出去。待发送完毕后,设置下一次瓦斯浓度读取事件,周期为20 s,这20 s内,CC2430自动进入低功耗模式。20 s之后,触发该事件,并送给应用层处理,开始了上述循环过程。程序设计的具体流程如图1所示。

无线瓦斯传感器节点的工作流程主要是在zb_HandieOsalEvent(events)编程实现的,具体程序为:

3节点能耗估计

在所设计的电路中,消耗能量的部分是稳压电路、CC2430芯片和MIPEX传感器。CC2430芯片在一个工作/休眠周期(10 min)内,至少有8分30秒处于PM2低功耗状态,本文设定的是PM2低功耗状态,在此期间电流为0.9μA.有70 s的时间处于PM1低功耗状态,其余20 s处于PM0状态。MIPEX传感器正常工作时,其电流为1 mA.一般电池的能量采用mAh的方法进行表示,为了便于估计所设计的节点电路工作寿命,这里也采用mAh的方法来表示能量。根据上面的分析,可以计算出在一个工作/休眠周期内,节点电路所消耗的能量。CC2430在一个周期的能耗约为:Q1=0.9μA&TImes;510 s+0.2 mA&TImes;70 s+25 mA×20 s=514.459 mAs MIPEX传感器在一个周期内的能耗约为:Q2=1 mA×90 s=90 mAs文中所设计的电路采用3节1.5 V电池供电,即输入为4.5 V,输出为3.3 V.MH5333稳压器的效率与其压差有关,线性稳压器件(LDO)的效率一般在85%~90%之问,且随着压差的减小,其效率会有所增加。这里假设其转换效率为85%,则整个节点电路在一个周期(10 min)内的能耗可以表示为:

一节普通5号电池的能量在600~700mAh,由此可以估算出所设计的节点电路在3节电池供电情况下的工作时间为:

由此可见,本文所设计的无线瓦斯传感器节点具有很低的能量消耗,3节普通5号电池供电的情况下,工作时间可达3 797天即10年之多。文中设定丁作/休眠周期可适当缩短,以提高监测情况的实时性。如果设置周期为5 min,那么工作时间也有5年左右。

传统的低功耗瓦斯传感元件功耗都在百mW以上,且有至少10 s的响应时间,所以仅传感元件本身的能耗就非常大。如果再加上信号放大电路、无线收发电路的能耗,仍没定工作/休眠周期为10 min,那么普通3节1.5 V电池仪能维持一个月左右。因此与传统瓦斯传感元件相比,MIPEX传感元件的低功耗性能表现非常优越。这也为低功耗无线瓦斯传感器节点实用化提供了一条行之有效的途径。

结语

本文采用低功耗红外瓦斯传感器MIPEX和CC2430设计的无线瓦斯传感器节点,能够维持足够长的工作时间,是采用传统低功耗瓦斯传感元件所远远不能达到的,这对于推进无线瓦斯传感器节点进一步走向实用化具有重要意义。不过论文所设计的传感器节点对瓦斯浓度响应的实时性有待进一步提高。当瓦斯浓度超限时,能够向CC2430发出中断触发信号,将其从休眠中唤醒。不过,需要增加硬件电路,才能实现该功能。传感器节点也可以根据瓦斯浓度的高低及变化速率。来确定其工作/休眠周期。如果瓦斯浓度低,且变化速率不大,则可以设置较长的工作/休眠周期;如果瓦斯浓度变化较大,则设置较短的工作/休眠周期;如果瓦斯浓度超限,则应处于实时工作状态。

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从六个方面入手,分析了集成电路芯片在新兴应用领域的发展趋势。从 2010 年开始,在硅麦克风、惯性传...

发表于 2018-03-30 09:55 601次阅读
集成电路芯片在哪些新兴应用领域有发展趋势?

传感器业务爆发 艾迈斯半导体加码3D感测

根据研究机构的数据显示,2015年全球物联网市场规模已达到624亿美元,同比增长29%。到2018年...

发表于 2018-03-29 17:12 108次阅读
传感器业务爆发 艾迈斯半导体加码3D感测

传感之王ams 2017年实现100%营收增长,...

Alexander Everke表示:“我们可以把所有的这些传感功能集成到单芯片上,因此,它可以做得...

发表于 2018-03-29 16:57 1378次阅读
传感之王ams 2017年实现100%营收增长,...

一氧化碳传感器在火灾报警中的应用

众所周知,火灾发生时气体燃烧产物主要为CO,CO2,H2O,其产生比燃烧烟要早得多(几十分钟至几个小...

发表于 2018-03-29 16:54 586次阅读
一氧化碳传感器在火灾报警中的应用

物联网传感器的未来等相关问题进行讨论

BMI085一款高性能6轴惯性测量单元(IMU)BMI085,其将3轴16位MEMS加速度传感器和一...

发表于 2018-03-29 15:51 309次阅读
物联网传感器的未来等相关问题进行讨论

SII精工半导体正式改名为ABLIC Inc“3...

从最初的精工半导体事业部开始,团队坚持3个基本的理念,白井正樹称之为“3S”,即Small、Smar...

发表于 2018-03-29 09:40 193次阅读
SII精工半导体正式改名为ABLIC Inc“3...

水栽法收获是普通农场10倍 移民火星不是梦

随着人类在太空中存活的时间越来越久,就会出现一个问题,那就是宇航员如何在远离蓝色星球的同时维持自己的...

发表于 2018-03-29 08:41 171次阅读
水栽法收获是普通农场10倍 移民火星不是梦

提供实时语言翻译功能的无线耳机 出国旅游不用愁了

不知道选择什么样的无线 耳机 ?或许 Mymanu Clik 会成为你的候选之一。这款全新的无线耳机...

发表于 2018-03-28 15:50 157次阅读
提供实时语言翻译功能的无线耳机 出国旅游不用愁了

物联网运用越来越广泛_攻击愈见强劲

物联网应用越来越广泛,针对物联网的攻击也日渐增加。市场研究机构 Gartner表示,以物联网为基础的...

发表于 2018-03-28 15:30 37次阅读
物联网运用越来越广泛_攻击愈见强劲

教你如何使用一个分压器测量电阻

测量现实世界现象的许多传感器都以改变电阻的形式表现其输出:热敏电阻为温度敏感型电阻,应变计随作用力而...

发表于 2018-03-28 09:18 733次阅读
教你如何使用一个分压器测量电阻

以色列开发的全球最薄的夜视眼镜用于智能手机和自动...

以色列著名研究型学府本-古里安大学(Ben-Gurion University of the Neg...

发表于 2018-03-28 04:13 53次阅读
以色列开发的全球最薄的夜视眼镜用于智能手机和自动...

亚马逊希望有一款可以识别手势的无人机

亚马逊刚刚发布了一项无人机专利,该专利可以解释手势和声音指令,理论上可以使用这种设备来传送包裹。该专...

发表于 2018-03-28 02:50 226次阅读
亚马逊希望有一款可以识别手势的无人机

NXP智能洗衣机首次实现NFC和织物纤维识别功能

NXP半导体家电应用市场全球高级销售总监梅润平强调称,在一台家电中实现如此广泛的产品组合,在半导体行...

发表于 2018-03-27 23:16 62次阅读
NXP智能洗衣机首次实现NFC和织物纤维识别功能

大陆集团专为汽车应用而设计24GHz盲点雷达SR...

大陆集团SRR3-B雷达产品专门为汽车应用而设计,如盲点检测、变道辅助、后方两侧来车警告、预防追尾、...

发表于 2018-03-27 17:36 282次阅读
大陆集团专为汽车应用而设计24GHz盲点雷达SR...

【干货分享】液位传感器七种测量方式,你都了解了吗...

液位传感器(静压液位计/液位变送器/液位传感器/水位传感器)是一种测量液位的压力传感器。 静压投入式...

发表于 2018-03-27 16:38 50次阅读
【干货分享】液位传感器七种测量方式,你都了解了吗...

【转帖】电流传感器和互感器

发表于 2018-03-27 15:43 34次阅读
【转帖】电流传感器和互感器

柔宇科技的技术实力到底如何 带你认识你不知道的柔...

柔宇科技是由IDG资本、中信资本、深圳市创新投资集团、基石资本、松禾资本、源政投资、富汇创投、Alp...

发表于 2018-03-27 15:39 731次阅读
柔宇科技的技术实力到底如何 带你认识你不知道的柔...

德州仪器RF CMOS雷达技术助推ADAS

汽车雷达已经成为ADAS(高级驾驶辅助系统)的主流传感器之一。为了在最佳的传感器性能、成本和尺寸之间...

发表于 2018-03-27 15:36 264次阅读
德州仪器RF CMOS雷达技术助推ADAS

艾迈斯半导体(ams)专注传感器2017收入同比...

随着物联网、辅助驾驶及工业4.0等概念的深化,全球的传感器市场空间再一次被扩宽,2017年全球传感器...

发表于 2018-03-27 15:24 260次阅读
艾迈斯半导体(ams)专注传感器2017收入同比...

传感器的三个分类,什么是人工智能传感器?

“IoT应用非常细分,因为这里面有很多很多类型的传感器会被使用到。包括惯性、压力、温湿度、气体传感器...

发表于 2018-03-27 15:19 395次阅读
传感器的三个分类,什么是人工智能传感器?

绿米推出Aqara人体传感器(光感):2年无需换...

作为小米生态链企业,小米插座的出品方,绿米科技大家都不会陌生。 绿米之前曾推出号称史上最强智能家居组...

发表于 2018-03-27 14:35 201次阅读
绿米推出Aqara人体传感器(光感):2年无需换...

探讨Zigbee中的轮询机制及其在火灾报警传感器...

了解 Zigbee 标准中的轮询特性有助于优化物联网 (IoT) 产品的功耗。本篇博文将进一步探讨 ...

发表于 2018-03-27 14:12 296次阅读
探讨Zigbee中的轮询机制及其在火灾报警传感器...

了解车内温度是怎么通过传感器控制的

无论是酷暑还是寒冬,利用汽车加热冷却系统,乘客始终可以享受到舒适的车内环境。在不同类别的车辆中,这些...

发表于 2018-03-27 13:09 87次阅读
了解车内温度是怎么通过传感器控制的

关于基恩士的颜色传感器的用法

发表于 2018-03-27 12:03 225次阅读
关于基恩士的颜色传感器的用法

从传感器到人工智能——盘点一些常见的传感器

温湿度传感器只是传感器其中的一种而已,只是把空气中的温湿度通过一定检测装置,测量到温湿度后,按一定的...

发表于 2018-03-27 10:59 473次阅读
从传感器到人工智能——盘点一些常见的传感器

乐心手环ZIVA plus入手体验及评价

大言不惭点说,我也算是手环老司机用户了,从小米手环1代,bong2HR,埃微i6HR,到目前正在佩带...

发表于 2018-03-26 16:42 608次阅读
乐心手环ZIVA plus入手体验及评价

光电编码器基础--脉冲量输入

增量式光电编码器输出 A、B 两相相位差为 90°的脉冲信号(即所谓的两相正交输出信号),根据 A...

发表于 2018-03-26 15:24 244次阅读
光电编码器基础--脉冲量输入

从光电技术角度看自动驾驶

激光雷达和与之竞争的传感器技术(相机、雷达和超声波)加强了对传感器融合的需要,也对认真谨慎地选择光电...

发表于 2018-03-26 15:13 386次阅读
从光电技术角度看自动驾驶

虚拟仪器在位移测试系统中的应用

发表于 2018-03-26 14:27 201次阅读
虚拟仪器在位移测试系统中的应用

无人驾驶技术主要有几种技术组成

目前无人驾驶技术的实现主要是基于激光传感技术或者是超声雷达技术等,经过十余年的研究探索,许多机构和公...

发表于 2018-03-26 13:53 354次阅读
无人驾驶技术主要有几种技术组成

坚实的技术底蕴成就物联网创新事业

从1985~1999年,堪称PC与互联网蓬勃兴起的时期,对我们而言,也是经济起飞的美好年代。在当时,...

发表于 2018-03-26 12:25 79次阅读
坚实的技术底蕴成就物联网创新事业

回收安捷伦U8487A功率传感器

发表于 2018-03-26 10:31 70次阅读
回收安捷伦U8487A功率传感器

回收安捷伦U8488A功率传感器

发表于 2018-03-26 10:30 89次阅读
回收安捷伦U8488A功率传感器

回收安捷伦U8481A功率传感器

发表于 2018-03-26 10:26 70次阅读
回收安捷伦U8481A功率传感器

回收安捷伦U8485A功率传感器

发表于 2018-03-26 10:22 70次阅读
回收安捷伦U8485A功率传感器

回收安捷伦U2020平均功率传感器

发表于 2018-03-26 10:17 72次阅读
回收安捷伦U2020平均功率传感器

扫地机器人的工作原理及传感器的作用

随着人们生活水平的提高,健康、舒适的家居环境越来越被更多的人所关注。买房、装修成为人们茶余饭后谈论...

发表于 2018-03-26 10:16 149次阅读
扫地机器人的工作原理及传感器的作用

回收安捷伦U2022XA平均功率传感器

发表于 2018-03-26 10:10 70次阅读
回收安捷伦U2022XA平均功率传感器

回收安捷伦U2000A 功率传感器

发表于 2018-03-26 10:08 61次阅读
回收安捷伦U2000A 功率传感器

如何测试这些高分辨率传感器和系统的性能?

当然,完整的系统测试中要比这套IR LED数组更复杂;除了相当数量的设备外,还需要更多的人员投入以及...

发表于 2018-03-26 08:36 193次阅读
如何测试这些高分辨率传感器和系统的性能?

牙齿上的传感器:生物感应材料监测每日摄入的糖、盐...

传感器由三个夹层组成,里外两层各为两个方形金属环,中间层由生物感应材料构成,生物感应材料可以有效地吸...

发表于 2018-03-25 16:43 899次阅读
牙齿上的传感器:生物感应材料监测每日摄入的糖、盐...

瞄准碎片化IoT市场,看清Bosch在传感器领域...

据Bosch Sensortec MEMS产品领域的总负责人Ralf Schellin先生指出,Bo...

发表于 2018-03-25 11:55 1591次阅读
瞄准碎片化IoT市场,看清Bosch在传感器领域...

Synaptics Clear ID光学屏幕指纹...

全球领先的人机界面解决方案开发商Synaptics(NASDAQ:SYNA)今日宣布其FS9500 ...

发表于 2018-03-24 11:56 1594次阅读
Synaptics Clear ID光学屏幕指纹...

Uber撞人致死,无人驾驶还缺远红外热成像传感器

一辆 Uber 的自动驾驶汽车在亚利桑那州坦佩市的公共道路上与一名行人相撞,该行人在送往医院后不治身...

发表于 2018-03-24 11:13 461次阅读
Uber撞人致死,无人驾驶还缺远红外热成像传感器

加速度计内嵌压力传感器的单硅片复合传感器

本发明提供了一种加速度计内嵌压力传感器的单硅片复合传感器结构及方法,以解决传统复合传感器芯片结构尺寸...

发表于 2018-03-23 10:20 426次阅读
加速度计内嵌压力传感器的单硅片复合传感器

遥感卫星特殊的夜视传感器扫描夜晚的地球表面获取微...

我们把2012~2014、2015~2017年分成两组,绘制出变化检测图,其中黑白(灰色)的是没有变...

发表于 2018-03-23 09:26 379次阅读
遥感卫星特殊的夜视传感器扫描夜晚的地球表面获取微...

可穿戴、AR/VR、IoT领域如何解决用户痛点

据IDC预计,全球物联网(IoT)支出在2018达到7725亿美元,超过原先预计在2020达到的1兆...

发表于 2018-03-23 09:21 716次阅读
可穿戴、AR/VR、IoT领域如何解决用户痛点

工业过程中的高端测试/测量系统设计

作为真实世界信号与现代数字信号处理功能电路之间的关键使能接口精准模数转换器,广泛应用于工业过程中的高...

发表于 2018-03-23 09:04 1155次阅读
工业过程中的高端测试/测量系统设计