試驗(yàn)研究煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

1、試驗(yàn)研究煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì) 目前煤礦環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)大多采用有線和固定傳感器組成的網(wǎng)絡(luò),由于工作面的不斷推進(jìn),存在著監(jiān)測(cè)盲區(qū)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用無線通信手段,可應(yīng)用于布線和電源供給困難的區(qū)域、人員不能到達(dá)的區(qū)域(如受到污染的區(qū)域、環(huán)境被破壞的區(qū)域或敵對(duì)區(qū)域),一些臨時(shí)場(chǎng)合(如發(fā)生自然災(zāi)害時(shí),固定通信網(wǎng)絡(luò)被破壞)和一些工作地點(diǎn)經(jīng)常變換的區(qū)域(如礦井采煤附井)等。因?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)不需要任何固定網(wǎng)絡(luò)的支持,具有快速展開、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)。本文討論一個(gè)適合在礦區(qū)運(yùn)用的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì),主要傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、采用的通信協(xié)議和傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。 1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的

2、小型傳感器節(jié)點(diǎn)組成,采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式的,用來監(jiān)視物理環(huán)境和相關(guān)現(xiàn)象并向觀察者或者處理中心報(bào)告測(cè)量結(jié)果的網(wǎng)絡(luò)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要有兩種結(jié)構(gòu):集中式控制結(jié)構(gòu)和分布式結(jié)構(gòu)。集中式結(jié)構(gòu)的普通節(jié)點(diǎn)比較簡(jiǎn)單,而中心節(jié)點(diǎn)設(shè)備復(fù)雜。集中式結(jié)構(gòu)的控制也簡(jiǎn)單,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由主節(jié)點(diǎn)控制按照約定好的順序進(jìn)行運(yùn)作,但節(jié)點(diǎn)的要求比較高。而分布式結(jié)構(gòu)中,根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的多少,又可分為平面結(jié)構(gòu)和分層結(jié)構(gòu)構(gòu)建。平面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)比較簡(jiǎn)單,所有結(jié)點(diǎn)的地位平等,所以又可以稱為對(duì)等式結(jié)構(gòu),其平面結(jié)構(gòu)如圖1-a所示。它的缺點(diǎn)是可擴(kuò)充性差,每一個(gè)結(jié)點(diǎn)都需要知道到達(dá)其它所有結(jié)點(diǎn)的路由,維護(hù)這些動(dòng)態(tài)變化的路由信息則需要大量的控制消息。 在分層結(jié)

3、構(gòu)中,網(wǎng)絡(luò)可劃分為多個(gè)簇。 每個(gè)簇由一個(gè)簇頭(黑點(diǎn))和多個(gè)簇成員(白點(diǎn))組成。這些簇頭形成了高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)。在分層結(jié)構(gòu)中,簇頭結(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā),而簇成員只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集。這大大減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息的數(shù)量,因此具有很好的可擴(kuò)充性。分層結(jié)構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)具有自組織性,相對(duì)來說比較靈活,但是通信比較繁瑣,控制麻煩。設(shè)計(jì)對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)之間的通信和傳感數(shù)據(jù)本身并不是非常重要,而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,使終端用戶可以獲取被監(jiān)視環(huán)境的相關(guān)事件并通過一定的算法對(duì)環(huán)境變化進(jìn)行預(yù)測(cè)才是最重要的。因此本設(shè)計(jì)采用一種集中式的主從結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于分層結(jié)構(gòu)的一種改進(jìn)。因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的自組織需要很大的開銷,而且

4、容易出現(xiàn)泛洪等問題,所以根據(jù)本設(shè)計(jì)中需要監(jiān)測(cè)的環(huán)境地點(diǎn)是確定的這一特點(diǎn),可以通過固定普通節(jié)點(diǎn)id號(hào)的方法,確定了網(wǎng)絡(luò)的組織和連接。 2通信協(xié)議為了降低節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度,同時(shí)加快保證通信的速度,本設(shè)計(jì)不采用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中tcp/ip協(xié)議。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中放棄路由環(huán)節(jié),改由主節(jié)點(diǎn)控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的有序運(yùn)行?？紤]環(huán)境監(jiān)測(cè)的目的,所以對(duì)數(shù)據(jù)的加密和網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議的控制也可以減少很多。在網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行狀態(tài)下,各節(jié)點(diǎn)都處于接收狀態(tài)。由主節(jié)點(diǎn)每隔一段時(shí)間向各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)起通信請(qǐng)求(控制幀)。當(dāng)普通節(jié)點(diǎn)接收到的控制幀,如果信息中的地址信息和自己的id號(hào)(普通節(jié)點(diǎn)事先通過撥位開關(guān)或者程序固化的方式確定自己的id號(hào))相同時(shí),此節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)

5、入發(fā)送模式,將信息(數(shù)據(jù)幀)發(fā)送給主節(jié)點(diǎn),而id信息不同的節(jié)點(diǎn)則繼續(xù)監(jiān)聽接收。同時(shí),主節(jié)點(diǎn)在發(fā)送完控制幀后就轉(zhuǎn)入接收狀態(tài),等待響應(yīng)。當(dāng)其接收完普通節(jié)點(diǎn)的全部信息后,發(fā)送一個(gè)控制幀給普通節(jié)點(diǎn),以確定接受到信息,同時(shí)結(jié)束整個(gè)通信過程。另外,考慮到災(zāi)害預(yù)測(cè)信息監(jiān)測(cè)的特點(diǎn),有些時(shí)候普通節(jié)點(diǎn)要求發(fā)送一些緊急信息。所以設(shè)計(jì)時(shí)考慮到可以允許普通節(jié)點(diǎn)發(fā)起通信。例如情況緊急時(shí),普通節(jié)點(diǎn)必須將報(bào)警信息(消息幀)馬上發(fā)回主節(jié)點(diǎn),以便采取相應(yīng)的措施。主節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)之間通信傳輸?shù)男畔?種格式:1為數(shù)據(jù)幀,2為控制幀,3為消息幀。三種幀三種幀信息中,數(shù)據(jù)幀和信息幀由普通節(jié)點(diǎn)發(fā)射,主節(jié)點(diǎn)接收。而控制幀是由主節(jié)點(diǎn)發(fā)射,

6、普通節(jié)點(diǎn)接收?？刂茙譃?段,第一段說明使用4個(gè)bit的字節(jié)用來說明幀的類型,第二段用來表示信息發(fā)送的目的地址段,因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)屬于小型的,所以使1byte就可以了。第三段屬于報(bào)警信息,使用2byte長(zhǎng)度。第四段屬于檢驗(yàn)段。消息幀也分為4段,第一段說明使用四位用來說明幀的類型,第二段用來表示信息發(fā)送的目的地址段,第三段屬于控制信息,控制信息的長(zhǎng)度也事先確定了,這樣可以簡(jiǎn)化通信的難度,使用2byte長(zhǎng)度。第四段屬于檢驗(yàn)段。數(shù)據(jù)幀分為5段,第一段說明使用四位用來說明幀的類型,第二段用來表示信息發(fā)送的目的地址段,第三段屬于數(shù)據(jù)長(zhǎng)度信息。因?yàn)殚L(zhǎng)度數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇螖?shù)不多,因此傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量相應(yīng)的增加,所以留出2by

7、te的長(zhǎng)度。第四段屬于數(shù)據(jù)段,長(zhǎng)度由數(shù)據(jù)長(zhǎng)度中的參數(shù)決定。第五段屬于檢驗(yàn)段。 3節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常包括5個(gè)功能部件:傳感硬件,存儲(chǔ)器,嵌入式處理器,無限發(fā)送接收器件和電池。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的基本單元。節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可靠運(yùn)作的一個(gè)基本保證。 節(jié)點(diǎn)分為4個(gè)部分:傳感單元,主控單元,通信單元和供電單元。傳感單元負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù);主控單元負(fù)責(zé)接收傳感單元傳輸?shù)男盘?hào)并對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?然后或者存儲(chǔ)在主控單元的儲(chǔ)存器中或者將處理好的信息傳輸給通信單元,并控制通信單元在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候發(fā)送數(shù)據(jù);通信單元負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù);不同等級(jí)的節(jié)點(diǎn)通信單元也有所不同。其中主節(jié)點(diǎn)要求含有有線的通信模塊

8、來與上位機(jī)進(jìn)行通信,同時(shí)還要有無線接收發(fā)送模塊和其他普通節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。當(dāng)然主節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)進(jìn)行通信也可以采用無線的方式,但是從簡(jiǎn)化節(jié)點(diǎn)控制的角度出發(fā),選擇有線通信。普通節(jié)點(diǎn)只需要無線接收發(fā)送模塊即可;供電單元為其他單元停供能源供給,因?yàn)槭菬o線傳感器,所以必須考慮對(duì)節(jié)點(diǎn)的供電進(jìn)行特殊考慮。 3.1主控單元 主控單元采用atmel公司的atmega16l單片機(jī)。atmega16l是一種高性能低功耗的avr微處理器。它采用先進(jìn)的精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)(risc)體系結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1mips/mhz,從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。atmega16l的工作電壓可以很低,范圍在2.75.5v之中,

9、同時(shí)它有6個(gè)可以通過軟件選擇的省電模式:空閑模式、掉電模式、省電模式、adc噪聲抑制模式、standby模式以及擴(kuò)展的standby模式。工作于空閑模式時(shí)cpu停止工作,而usart,a/d轉(zhuǎn)換器等以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作;掉電模式時(shí)晶體振蕩器停止振蕩,所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作;在省電模式下,異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行,允許用戶保持一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn),而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)。at-mega16l在1mhz,3v,25時(shí)的功耗為正常模式:1.1ma;空閑模式:0.35ma;掉電模式:1a。同時(shí)atmega16l集成豐富的外設(shè):16k字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程flash,512字節(jié)eeprom,1k字節(jié)

10、sram,支持片內(nèi)調(diào)試與編程,三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,豐富的中斷,可編程串行usart,8路10位的adc,具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器。所以使atemga16l來作為節(jié)點(diǎn)的主控單元可以大大簡(jiǎn)化外圍電路,提高系統(tǒng)的可靠性。 3.2傳感器單元 整個(gè)節(jié)點(diǎn)由蓄電池供電,要求數(shù)據(jù)采集單元中的傳感器體積小、低功耗、外圍電路簡(jiǎn)單,最好采用不需要信號(hào)調(diào)理電路的數(shù)字式傳感器。本設(shè)計(jì)中為了全面地監(jiān)測(cè)環(huán)境,選用如下的傳感器: (1)瓦斯傳感器rh-s01a。此傳感器為對(duì)甲烷高靈敏的可燃?xì)怏w檢測(cè)的傳感器,它的檢測(cè)精度高,檢測(cè)范圍為0.5%5%,同時(shí)外圍電路也很簡(jiǎn)單,可以提高系統(tǒng)的可靠性,rh-

11、so1a的工作電壓dc6v,功耗小于150mw。 (2)壓力傳感器ms5534a。集成了壓阻式壓力傳感器和adc接口ic,傳感器提供了16位的壓力參數(shù)輸出,壓力范圍30110kpa;另外模塊也包含了6個(gè)可讀的參數(shù),方便實(shí)現(xiàn)軟件校正及高的精度,可自動(dòng)斷開電源,3線接口則可滿足與微處理器的各種通信。 (3)風(fēng)速傳感器adxl202ae。采用先進(jìn)的mems技術(shù),在同一硅片中刻蝕了一個(gè)多晶硅編碼微機(jī)械傳感器,并集成了一套精密的信號(hào)處理電路。信號(hào)處理電路把表面微機(jī)械傳感器產(chǎn)生的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為占空比調(diào)制(dcm)數(shù)字信號(hào)后輸出。這種占空比調(diào)制信號(hào)可以直接送往單片機(jī),使用非常方便。對(duì)其進(jìn)行改裝用來對(duì)風(fēng)速進(jìn)行

12、檢測(cè)。 (4)溫濕度傳感器sht75。sht75不僅將溫濕度傳感器結(jié)合在一起,而且還將信號(hào)放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、標(biāo)準(zhǔn)i2c總線等電路全部集成在一個(gè)芯片內(nèi)。它的濕度測(cè)量精度:±1.8%rh;溫度測(cè)量精度:±0.3(25)。而且其低功耗,典型值為30w。 3.3通信單元 無線模塊采用cc1000芯片。cc1000芯片系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)用于ism(工業(yè)科學(xué)及醫(yī)療方面)以及srd(短距離通訊工作頻帶在315868及915mhz)。但cc1000很容易通過編程使其工作在300-1000mhz范圍內(nèi)。cc1000的主要工作參數(shù)能通過串行總線接口編程改變,這樣使cc1000使用

13、起來更靈活。通常典型的系統(tǒng)是cc1000與一個(gè)微控器以及一些外圍無源元件一起構(gòu)成。 在接收模式中,cc1000通常被配置成超外差式接收機(jī)。其rf輸入信號(hào)由低噪聲放大器放大后由混頻器變換成中頻(if)信號(hào)。在中頻級(jí),這個(gè)被變換的信號(hào)在送入解調(diào)器之前被放大和濾波。然后經(jīng)過解調(diào)器處理后,在dio端輸出解調(diào)后的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。在發(fā)射模式中,壓控振蕩器(vco)的輸出信號(hào)將直接送入功率放大器,而rf輸出則是被饋送到dio端的數(shù)字比特流頻移鍵控信號(hào)。cc1000內(nèi)部的發(fā)/收(t/r)開關(guān)電路則很容易與天線進(jìn)行接口和匹配。頻率同步器產(chǎn)生的本振信號(hào)在接收模式時(shí)被送到混頻器(mixer),在發(fā)射模式時(shí)饋送到功率放大器

14、。頻率同步器由晶體振蕩器、相位檢波器、充電泵、vco和分頻器組成。外接晶體必須連接到xosc端。對(duì)于vco來說,通常需要外接一個(gè)電感l(wèi)3。另外,cc1000芯片的工作狀態(tài)設(shè)置由芯片內(nèi)的控制器完成,控制命令和參數(shù)設(shè)置可通過pclk、pdata、pale3線數(shù)字串行接口輸入。cc1000有29個(gè)8位寄存器,在使用過程中主要使用如下的內(nèi)部寄存器:main寄存器,freq_a寄存器,freq_b寄存器,fsep寄存器,pll寄存器來控制工作模式的轉(zhuǎn)換以及頻率的設(shè)定。cc1000計(jì)算發(fā)射和接收的頻率的公式如下: fvco=freffreq+819216384(1)fref=fxoscrefdiv(2)公式(2)中,fxosc是晶振的頻率,refdiv由pll寄存器決定。公式(1)中freq的大小是由freq_a寄存器或freq_b寄存器決定的。上面等式給出了vco的頻率即fvco接收模式下的本振頻率。發(fā)射模式下的f0低于fsk頻率,其頻率上限由公式(3)給出:f1=f0+fsep(3)fsep=freffsep16384(4)其中fsep的大小由fsep寄存器中的數(shù)值決定。本設(shè)計(jì)中主節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)是通過rs232有線連接的,在井下不易布置分站的時(shí)候,還可以利用cc1000的頻率可以通過寫控制字更改的特點(diǎn),讓主節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)利用不同頻率通信,實(shí)現(xiàn)雙頻通信。可見使用cc1000的無線傳感器節(jié)點(diǎn)是方