基于 ZigBee的煤场无线自燃检测系统硬件设计

张 晶 1，吕少胜 2，卢智嘉 1，于京生 1

（1援石家庄学院 机电学院，河北 石家庄 050035；2.河北省电力勘测设计研究院，河北 石家庄 050031）

摘 要：通过比较传统的检测方式，采用 ZigBee技术设计了煤场无线自燃检测系统. 以

CC2530为主控及通信芯片，设计了数据传输模块、传感器模块、天线模块等硬件电路，并分析了

CC2530的组网流程. 系统实现了对目标节点温度的采集、无线传输及显示，在试验条件下，系统的

通信距离约为 60 m. 该系统功耗低，稳定性高，能够达到对煤场自燃隐患进行监测的目的.

关键词：ZigBee；无线自燃检测；CC2530；组网流程

中图分类号：TN915 文献标识码：A 文章编号：1673-1972（2017）03-0033-06

0 引言

燃煤的自燃特性会给煤的存储带来极大的安全隐患. 实时检测煤炭的温度可以确保电厂安全生产，保

障重要原料的安全，并节约能源.

在传统的检测方式中，通常采用人工巡逻的监管模式. 这样不仅耗材耗力，而且由于人工监管的时效性

和准确性较低，很有可能会因为一时的疏忽而导致事故的发生. 也有研究中使用有线温度监控系统的，但是

由于储煤场进行日常输煤、取煤作业很频繁，安装的温度采集节点经常会被移动，并且大型的机械设备较多，

干扰较大，所以很难采用有线温度监控系统实现对储煤自燃的监控[1，2].

现在数字化储煤场正在兴建，这就需要对煤场温度的监控智能化，运用 ZigBee技术组建的无线网络有

很强的组网、修复能力和较高的稳定性，具有重要的实用价值.

1 系统总体设计方案

1.1 系统工作流程

整个无线检测系统的工作流程如图 1所示。

协调节点的主要功能是组建网络和上传数据给上位机. 一个 ZigBee网络———PAN（Personal Area Net原

work）中有且仅有一个协调节点，负责启动整个网络，然后用分布式寻址方案来配置网络成员的地址，这样就

收稿日期：2017-03-20

基金项目：河北省科技厅项目（15270349、15220353）；河北省高等学校科学研究计划（ZC2016107、QN2016324）

作者简介：张晶（1981-），女，河北沧州人，讲师，主要从事信息处理与传输研究.

协调器组建网络

路由器加入网络

采集终端加入网络

终端传感器采集数据

路由器转发数据

协调器接收数据

上位机显示数据

上传 上传 上传

图 1 无线检测系统工作流程框图

第 19卷 第 3期 石家庄学院学报 Vol.19，No.32017 年 5 月 Journal of Shijiazhuang University May 2017

可以确保每个分配出去的网络地址在整个网络中都是不同的. 路由器主要起到扩展网络及路由消息的功

能，这样就可以延长传输距离. 采集终端节点负责采集温度并把数据上传到路由节点. 上位机将数据通过串

口调试助手软件显示出来，供值班人员实时观察现场情况.

1.2 网络拓扑结构

一般的 ZigBee的网络拓扑结构有 3种，分别是星型拓扑结构、网状拓扑结构及树型拓扑结构[3]. 本次设

计采用树型拓扑网络结构，相较于星型结构，树型拓扑结构增加了路由节点设备，且不像网状拓扑结构那样

复杂. 整个树型拓扑结构可以包括一个协调器节点、若干个路由节点和更多的终端节点. 由于出现了 3层结

构，所以网络覆盖的范围大大增加，所以能够满足实际需求.

2 硬件电路设计

主控及传输芯片使用 CC2530F256，其中 256指的是芯片的闪存大小为 256 kB. 在此基础上外接晶振电

路、电源模块、天线模块、数据传输模块（PL2320HX、USB接口，只有在协调器上使用）、I/O口模块（用来外接

传感器、按键、液晶屏等），系统整体结构如图 2所示.

2.1 ZigBee芯片 CC2530F256

作为该系统的主控及通讯芯片，CC2530芯片采用的是高性能、低功耗的 8051微控制器内核，它拥有能

够适应 2.4 GHz IEEE802.15.4的 RF收发器. 电源电压范围为 2.0-3.6 V. 芯片具有看门狗、电池监视器、温

度传感器和高级加密标准（AES）协处理器、1个通用的 16位和 2个 8位定时器. 同时拥有 8路输入 8-14位

模数变换器（ADC）、2个串行、21个通用 I/O 引脚和 1个红外发生电路[4，5]. 该芯片具有低功耗、外围设备强

大、集成度高、无线收发电路实现简单等显著优势.

2.2 主要外围电路

2.2.1 电源模块

采用 AMS1117-3.3的正向低压降稳压器，它在 1 A电流的情况下压降为 1.2 V，固定输出电压为 3.3 V.

该稳压器拥有限流和过热保护电路，可为计算机和电池供电.

采集终端节点和路由节点可使用 3节 7号电池或 USB口供电. 而为了传输数据，协调节点必须使用

USB口供电.

2.2.2 晶振模块

CC2530内部有 16 MHz和 32 kHz两个 RC振荡器，外部振荡器采用 32 MHz和 32.768 kHz两个晶体振

荡器，电路连接如图 3所示. 32 MHz或 16 MHz振荡器用来作为系统时钟提供源，而 32 kHz或 32.768 kHz

振荡器则可以为看门狗定时器提供标记或者驱动睡眠定时器进行工作. 对于部分应用程序来说，32 MHz晶

振的启动时间相对来说或许比较长，所以可以先使设备运行内部的 16 MHz RC振荡器，一直到晶振稳定.

虽然 16 MHz RC振荡器的功耗比晶体振荡器低，但它不像晶振那样准确，所以不能用来进行 RF收发器的

图 2 硬件结构框图

石家庄学院学报 2017年 5月34

操作.

32 kHz RC振荡器功耗较少，但不如 32.768 kHz晶体振荡器精确. 这两个振荡器不能够同时使用.

2.2.3 天线模块

天线模块采用的是 SMA接口的杆状天线，电路图如图 4所示. 在接收数据模式下，正、负 RF输入信号

分别从 RF_P、RF_N引脚进入芯片；在发送数据模式时，正、负 RF输出信号又分别从 RF_P、RF_N引脚输出.

2.2.4 数据传输模块

数据传输模块由 USB接口、PL2303HX芯片及芯片外围电路组成，PL2303HX是 RS232-USB接口转换

器，提供 RS232全双工异步串行通信装置与 USB功能接口的连接，这里主要用来上传数据. PL2303HX使用

了 28脚贴片 SOIC封装的形式，其工作频率为 12 MHz，满足 USB 1.1通信协议的要求，能够用来直接将

USB信号转换成串口信号，波特率的范围为 75-1 228 800，总共可以有 22种供选择使用，而且还支持 5、6、

7、8、16等 5种数据比特位，是一种非常好的 USB转串口芯片. 其中 PL2303HX芯片的 TXD、RXD引脚分别

接到 CC2530的 P0_2/RX、P0_3/TX引脚上.

因为 CC2530传输数据需要用串口，但是作为上位机的计算机很可能没有配置串口，而 USB接口是每个

计算机必有的，所以上位机接收数据可以通过 USB口. 这样协调节点模块与上位机之间的连接就需要进行

串口与 USB口之间的转换.

通过试验测试得知，CP2102不能够进行在线系统编程（ISP）下载，虽然 FT232可以下载，但是它的价格

太高. 根据试验条件，最终选择 PL2303，其下载比较稳定，而且还能够支持多种操作系统.

2.2.5 按键及 LED模块

LED连接如图 5所示，其中 RX为接收指示，TX为发送指示，PWR为电源指示，而 D1、D2、D3则根据具

体的需要进行配置. 所有指示灯均在 I/O口低电压时点亮.

按键的连接如图 6所示，其中 S1、S2可以根据需要进行配置，S3为复位键. 当按键被按下时，I/O口会

检测到低电压，即 I/O置 0，这样 CC2530F256就可以了解具体是哪个按键被按下了. 需要提及的是，令

CC2530F256的 RESET_N引脚为低电压时，就可以使芯片复位.

图 3 晶振模块

图 4 天线模块

张 晶，吕少胜，卢智嘉，等：基于 ZigBee的煤场无线自燃检测系统硬件设计第 3期 35

除此之外还有一个开关被用在电源模块的电路中，作为供电口的总开关. 当其关闭时，圆孔电源口和

USB口均被关闭.

2.2.6 液晶屏模块

该模块只安装在采集终端节点上，可以使值班人员在现场方便地了解煤堆的温度. 将薄膜晶体管

（TFT）彩屏模块按照图 7所示连接到 CC2530F256芯片，可以配合取模软件 PCtoLCD2002对所显示的字符

进行修改.

TFT彩屏模块的 DC为数据/命令选择引脚，置 1为写入数据，置 0为写入命令；RST为复位引脚，控制彩

屏的复位；SDA为双向数据接口，置 1为输出数据，置 0为写入数据；SCL为时钟接口.

2.2.7 蜂鸣器模块

蜂鸣器主要分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器两种. 区别在于，前者可以直接接上额定电源进行连续发声，

而后者则必须接在音频输出电路中才能够产生声音. 因为 I/O引脚输出的电流较小，无法驱动有源蜂鸣器，

所以这里选择了无源蜂鸣器，然后接入一个电流放大电路. 蜂鸣器模块只安装在采集终端节点模块上，用于

当采集终端节点所测得温度超过预设值时进行报警，提醒值班人员采取措施.

2.2.8 传感器模块

目前应用较为广泛的温度传感器是 DS18B20，主要用于测量环境温度或物体表面温度，不适合检测深层

煤堆的内部温度. 铂电阻温度传感器是利用自身的电阻随温度变化而变化的特性做成的测温元件，其中的

PT100铂热电阻具有精度高、稳定性好等特点，而且可以做成 1-2 m的插入式探头，符合实际测量需求.

常见的 PT100连接方式有三线制和两线制，而三线制的优势是可以消除导线电阻. 电路中使用 TL431

和电位器 VR1来配合调节出 4.096 V的参考电源. R1、R2、VR2（100 赘）、PT100构成了测量电桥. R3、R4、

R5、R6构成了差动放大电路，放大倍数为 R5/R3. 当 PT100电阻值与 VR2不相等时，电桥就会输出一个 mV

级的电压差信号，该信号可以直接送到 CC2530F256中进行 AD转换.

温度传感器模块安装在采集终端节点上. 电路采用 5 V供电，数据传输引脚为 P0_7. 温度传感器的连

接图如图 8所示.

图 5 LED连接图 图 6 按键连接图

图 7 液晶屏连接图

石家庄学院学报 2017年 5月36

3 系统组网过程

3.1 Z-Stack工作流程

Z-Stack是 TI公司开发的开源 ZigBee协议栈，并且通过了 ZigBee联盟的认可，协议栈采用分层的软件

结构，定义了通信硬件和软件在每个分层里怎样协调工作. 协议栈的各层相对独立，每一层都提供了一些服

务，这些服务由协议定义，设计者只需要关心与

其工作直接相关的那些层的协议，为其设计和

调试带来极大的方便. Z-Stack协议栈的每个工

程都包含用户应用层 APP、硬件抽样层 HAL、物

理层 MAC、网络层 NWK、操作系统抽样层 OS原

AL和 ZigBee 设备对象层 ZDO 等 14 个目录文

件. Z-Stack下任务的执行是通过系统消息进行

传递调用，当有事件发生时就会去执行相应的

任务. Z-Stack工作流程图如图 9所示.

3.2 数据收发过程

数据传输时，为每个终端采集节点设置一

个编号. 协调器收到上位机的命令有两种形式：

一种是不带编号的参数，需要所有终端节点处

理；一种带编号的参数，只有相应节点处理. 协

调器收到上位机的命令，以广播形式发送出去，

终端节点接收到数据做出相应判断. 终端节点

以点播的形式向路由节点发送数据，路由节点

再将各终端节点发来的数据上传给协调器，终

端节点之间不进行通信. 数据收发过程如图 10

所示.

试验中设计了两个终端节点，一个路由节

点，一个协调节点，传输距离约为 60 m，实际应

用中可以根据被测煤场区域大小，增加路由节

图 8 温度传感器连接图

图 9 Z-Stack工作流程图

张 晶，吕少胜，卢智嘉，等：基于 ZigBee的煤场无线自燃检测系统硬件设计第 3期 37

点个数，从而增加传输距离.

4 结论

基于 ZigBee技术设计系统，采用树型网

络拓扑结构，使用 CC2530作为主要控制和

通信芯片，设计了各个模块的硬件电路，通

过试验过程测试，确定各个模块的参数，实

现了煤场的无线温度检测. 该系统体积小、

功耗低、稳定性高，达到了预期的目标，但也

有不足和待改进之处，如结果显示不能随时

随地观察、协调节点出现问题引起的系统故

障等，后续将继续对这些问题开展研究.

参考文献：

[1]巩娜，张素娟，雷勇，等.基于 CC2530的智能温度传感器节点设计[J].气象科技，2014，42（5）：764-768.

[2]赵琳娜，高力宝，孙可，等.基于 ZigBee的火电厂储煤自燃监控系统的研究与设计[J].内蒙古民族大学学报（自然科学版），

2015，30（4）：287-291.

[3]范燕，俞洋，李永义，等.基于 ZigBee无线传感器网络的远程监控系统[J].实验室研究与探索，2016，35（1）：80-84.

[4]李建勇，李洋，刘雪梅.基于 ZigBee的粮库环境监控系统设计[J].电子技术应用，2016，42（1）：65-67.

[5]杨萌，赵亮.基于 ZigBee技术的无线传感网络研究[J].电子技术与软件工程，2015，（1）：34-34.

（责任编辑 鹍钮效 ）

Hardware Design of Coal Mine Wireless Spontaneous Combustion

Detection System Based on ZigBeeZHANG Jing1, LV Shao-sheng2, LU Zhi-jia1, YU Jing-sheng1

(1.School of Mechanical & Electronic Engineering, Shijiazhuang University, Shijiazhuang, Hebei 050035, China;

2.Hebei Electric Power Design & Research Institute, Shijiazhuang, Hebei 050031, China)

Abstract: By comparing the traditional detection methods, the ZigBee technology is used to design the wireless

spontaneous combustion detection system. CC2530 is used as the main control and communication chip, and the

hardware circuits of data transmission module, sensor module, antenna module and so on are designed. The

networking process based on CC2530 is analyzed. The functions of collecting, transmitting and displaying the

temperature of the target node are realized. Under the experimental conditions, the communication distance is about

60 m. The system has low power consumption and high stability, which can achieve the purpose of monitoring the

hidden danger of coal spontaneous combustion.

Key words: ZigBee; wireless spontaneous combustion detection; CC2530; networking process

图 10 数据收发示意图

石家庄学院学报 2017年 5月38