用于井下环境参数采集的无线传感器设计
【摘要】煤矿井下环境复杂多变，为了更加灵活的实现煤矿井下环境参数采集的要求，本文设计了一种专用于井下环境参数采集的无线传感器，本无线传感器由数据采集单元、处理器单元、无线通信单元和能量供应管理单元组成。本无线传感器硬件节点外形小、集成度高、功耗低、成本低、有安全保证，适用于现有井下环境。
【关键词】传感器；无线；环境监测
1.引言
无线传感器可以用于探测包括环境温湿度、光强强度、噪声强度、地动地震强度、移动物速度方向等环境参数。可以应用在：农业、工业、地理科学、军事国防及紧急救灾等各大环境领域。目前煤矿井下环境复杂多变，在实际应用中，有些场合没有及时布线，因此很多环境监测仪器无法正常使用，通常是工人携带监测仪器去人工采集，这种方法效率低，而且无法保障所采集参数的实时性，本论文针对这一情况，设计了一种用于环境参数采集的无线传感器。本无线传感器硬件节点外形小、集成度高、功耗低、成本低、有安全保证，适用于现有井下环境。
2.硬件模块设计
设计时，我们充分考虑到无线传感器体积小、功耗低、在高组装密度下运行、制造成本低、能自动运行、无人操作、要适应恶劣环境等许多条件。通过使用温湿度传感器SHT11、光传感器BH1750和瓦斯传感器MH-440V/D采集环境的相应数据，通过STCC52单片机的数据处理，由CC2420射频芯片实现节点间无线的短距离数据通信。从而能很好地保证环境参数采集的准确性和节点间通信的成功率。
2.1无线通信模块设计
CC2420的外围电路由射频输入/输出电路、晶振时钟电路和对应控制器接口电路等三部分组成。由于射频芯片频率是2.4GHz，我们在设计PCB板时充分考虑了元件的合理布局和线路的走向，特别是电源和接地的处理。射频电路集成度高，布线密度大，跟据CC2420提供的数据资料我们利用电压可靠的电源适配器进行供电，较好地实现就近接地，有效地降低寄生电感。能够有效地加强信号的传输长度，能大幅度地减少高频信号对外的发射和相互间的耦合，降低信号间的交叉干扰。
2.2数据采集单元设计
瓦斯浓度采集使用了MH-440V/D红外气体传感器，瓦斯的主要成分为甲烷，
所使用的传感器根据瓦斯气体对波长吸收率的特点，来测量环境中的瓦斯浓度，该传感器具有体积小、集成度高的特点。集成传感器内部的温度传感器可以对元器件的温漂进行补偿。该传感器具有外围电路简单，设计方便的特点，可以很好的适应煤矿井下的恶劣环境。
光照强度采集使用的是BH1750传感器，该传感器内置16位的模数转换器，它能够直接输出一个数字信号，不需要再做复杂的计算。这款环境光传感器能够直接通过光度计来测量。光强度的单位是流明”lx”。
温湿度采集使用了DHT11传感器，这是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。
3.结束语
本设计综合考虑精度、成本等因素，合理选用了传感器、单片机及其外围芯片，分析了各种类型的传感器特点，完成了监测系统的硬件电路和软件结构设计。以CC2420无线射频模块为核心，以52系列单片机作为微型处理器，以3种传感器来检测环境参数数值。本文所设计的监测仪外形小、集成度高、功耗低、成本低、有安全保证。
参考文献
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