新型被動(dòng)式煤礦井下環(huán)境安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、 . .PAGE87 / NUMPAGES90目錄TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc358813659摘要 PAGEREF _Toc358813659 h 1HYPERLINK l _Toc358813660Abstract PAGEREF _Toc358813660 h 2HYPERLINK l _Toc358813661第1章緒論 PAGEREF _Toc358813661 h 3HYPERLINK l _Toc3588136621.1 研究背景 PAGEREF _Toc358813662 h 3HYPERLINK l _Toc3588136631.2 國(guó)外煤礦

2、安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc358813663 h 3HYPERLINK l _Toc3588136661.3 研究容和目的 PAGEREF _Toc358813666 h 4HYPERLINK l _Toc3588136671.4 方案總體概述 PAGEREF _Toc358813667 h 6HYPERLINK l _Toc358813668第2章系統(tǒng)主要應(yīng)用理論概述 PAGEREF _Toc358813668 h 8HYPERLINK l _Toc3588136692.1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)概述 PAGEREF _Toc358813669 h 8HYPERLINK l _To

3、c3588136702.2 ZigBee技術(shù)概述 PAGEREF _Toc358813670 h 9HYPERLINK l _Toc3588136712.3 ZigBee技術(shù)特點(diǎn) PAGEREF _Toc358813671 h 10HYPERLINK l _Toc3588136722.4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)配置與拓補(bǔ)結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc358813672 h 11HYPERLINK l _Toc3588136732.5 ZigBee技術(shù)的應(yīng)用 PAGEREF _Toc358813673 h 12HYPERLINK l _Toc3588136742.6 幾種熱門(mén)短距離無(wú)線通訊技術(shù)比較 P

4、AGEREF _Toc358813674 h 13HYPERLINK l _Toc358813675第3章系統(tǒng)硬件選擇與設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc358813675 h 15HYPERLINK l _Toc3588136763.1 處理器的選型設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc358813676 h 15HYPERLINK l _Toc3588136793.2 溫濕度傳感器電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc358813679 h 17HYPERLINK l _Toc3588136803.2.1 DHT11傳感器概述 PAGEREF _Toc358813680 h 17HYPERLINK l _

5、Toc3588136813.2.2 DHT11傳感器引腳功能 PAGEREF _Toc358813681 h 18HYPERLINK l _Toc3588136823.2.3 傳感器電氣特性 PAGEREF _Toc358813682 h 18HYPERLINK l _Toc3588136833.2.4 DHT11應(yīng)用電路原理與設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc358813683 h 19HYPERLINK l _Toc3588136843.3 瓦斯傳感器的選擇與應(yīng)用電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc358813684 h 19HYPERLINK l _Toc3588136853.3.1 MQ-5

6、傳感器概述 PAGEREF _Toc358813685 h 19HYPERLINK l _Toc3588136863.3.2 傳感器規(guī)格參數(shù) PAGEREF _Toc358813686 h 20HYPERLINK l _Toc3588136873.3.3 傳感器應(yīng)用電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc358813687 h 22HYPERLINK l _Toc3588136883.4 語(yǔ)音報(bào)警電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc358813688 h 24HYPERLINK l _Toc3588136893.4.1 語(yǔ)音芯片概述 PAGEREF _Toc358813689 h 24HYPERLIN

7、K l _Toc3588136903.4.2 語(yǔ)音芯片管腳功能 PAGEREF _Toc358813690 h 25HYPERLINK l _Toc3588136913.4.3 語(yǔ)音芯片應(yīng)用電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc358813691 h 26HYPERLINK l _Toc3588136923.4.4 功放電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc358813692 h 26HYPERLINK l _Toc3588136933.5 節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc358813693 h 29HYPERLINK l _Toc3588136943.5.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì) PAGER

8、EF _Toc358813694 h 29HYPERLINK l _Toc3588136953.5.2 終端設(shè)備電路原理圖設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc358813695 h 34HYPERLINK l _Toc358813696第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc358813696 h 38HYPERLINK l _Toc3588136974.1 系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái) PAGEREF _Toc358813697 h 38HYPERLINK l _Toc3588136984.2 TI Z-Stack軟件架構(gòu) PAGEREF _Toc358813698 h 39HYPERLINK l _To

9、c3588136994.2.1 協(xié)議棧結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc358813699 h 39HYPERLINK l _Toc3588137004.2.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)層 PAGEREF _Toc358813700 h 40HYPERLINK l _Toc3588137014.2.3 ZigBee應(yīng)用層 PAGEREF _Toc358813701 h 40HYPERLINK l _Toc3588137024.2.4 ZigBee協(xié)議棧在IAR中項(xiàng)目組織 PAGEREF _Toc358813702 h 41HYPERLINK l _Toc3588137034.3 人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路 PA

10、GEREF _Toc358813703 h 42HYPERLINK l _Toc358813707第5章本質(zhì)安全型防爆 PAGEREF _Toc358813707 h 45HYPERLINK l _Toc3588137085.1 防爆的基本概念 PAGEREF _Toc358813708 h 45HYPERLINK l _Toc3588137125.2 本質(zhì)安全型防爆技術(shù) PAGEREF _Toc358813712 h 46HYPERLINK l _Toc3588137165.3 電路放電火花 PAGEREF _Toc358813716 h 48HYPERLINK l _Toc35881371

11、75.4 本系統(tǒng)設(shè)備本質(zhì)安全性能評(píng)估 PAGEREF _Toc358813717 h 50HYPERLINK l _Toc358813718第6章系統(tǒng)設(shè)計(jì)成果展示 PAGEREF _Toc358813718 h 51HYPERLINK l _Toc358813719結(jié)論 PAGEREF _Toc358813719 h 58HYPERLINK l _Toc358813720參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc358813720 h 59HYPERLINK l _Toc358813721附錄A PAGEREF _Toc358813721 h 60HYPERLINK l _Toc358813722附錄

12、B PAGEREF _Toc358813722 h 62HYPERLINK l _Toc358813723致 PAGEREF _Toc358813723 h 74HYPERLINK l _Toc358813724外文文獻(xiàn) PAGEREF _Toc358813724 h 75HYPERLINK l _Toc358813725中文翻譯 PAGEREF _Toc358813725 h 82新型被動(dòng)式煤礦井下環(huán)境安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：我國(guó)煤礦大多數(shù)為礦工開(kāi)采,不安全因素很多,瓦斯煤塵和火災(zāi)等災(zāi)害事故頻繁發(fā)生,災(zāi)害事故危害嚴(yán)重,傷害人員多,災(zāi)后搜救刻不容緩，因此,研究煤礦救災(zāi)新裝備是一項(xiàng)緊迫任務(wù),機(jī)器人

13、將被應(yīng)用到煤礦救災(zāi)領(lǐng)域是一種趨勢(shì)。但礦井搜救機(jī)器人在通訊、避障和機(jī)械可靠性等方面的技術(shù)不夠完善。本文將開(kāi)發(fā)一種基于仿生蜘蛛機(jī)器人與ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的煤礦井下搜救探測(cè)蜘蛛機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)研究。借用越障優(yōu)勢(shì)極強(qiáng)的蜘蛛機(jī)器人為平臺(tái)，以SI4432技術(shù)為核心遠(yuǎn)程操控蜘蛛機(jī)器人進(jìn)入煤礦井下搜救，在搜救過(guò)程中采用RSSI（Received Signal Strength Indication）算法計(jì)算信號(hào)強(qiáng)度，沿途自動(dòng)播撒SI4432無(wú)線數(shù)傳模塊作為信號(hào)中轉(zhuǎn)基站，以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，建立無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)機(jī)器人身上一系列的紅外夜視儀、工業(yè)攝像頭、瓦斯傳感器，溫濕

14、度傳感器等，將現(xiàn)場(chǎng)的情況一一反應(yīng)給外界操作人員，地面指揮人員可通過(guò)PC、智能手機(jī)等一系列的設(shè)備經(jīng)行接收，確定最佳救援方案。同時(shí)還能攜帶有食品、 水、 藥品、 救護(hù)工具等救助物資， 使受害者能夠積極開(kāi)展自救。通過(guò)深入了解蜘蛛機(jī)器人和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)SI4432技術(shù)與其在煤礦井下的應(yīng)用，目的在于改進(jìn)現(xiàn)階段國(guó)一些煤礦井下搜救設(shè)備，從而提高礦井災(zāi)后搜救水平和安全搜救效率，同時(shí)為今后進(jìn)一步研究和實(shí)際應(yīng)用打下良好基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)過(guò)程通過(guò)指導(dǎo)老師的耐心指導(dǎo)，同學(xué)之間的商討以與借閱和搜集到的資料，使得本次設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果。關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；CC2430；煤礦；安全監(jiān)測(cè)Design of a new pas

15、sive environment of underground coal mine safety monitoring systemAbstract：With the rapid growth in coal demand, coal industry in China has also been a great development, but the coal mine safety accidents occur frequently, which is a very important reason is that the current safety monitoring syste

16、m of coal mine environment is not perfect.This design will develop a new ZigBee technology based on the mobile, passive monitoring system of mine gas and temperature and humidity. Using CC2430/CC2431s TI chip as the control core, the overlap of gas sensor MQ-5 and the temperature and humidity sensor

17、 DHT11 to collect coal mine gas concentration and temperature and humidity, with 8051 microcontroller embedded in CC2430 data processing, realize the wireless communication and node localization based on Z-Stack protocol using CC2430/ CC2431 data transmission function and RSSI algorithm.Through the

18、field bus technology and well on PC communication, the gas concentration measurement and air temperature, humidity measurement are combined, the monitoring personnel can be more comprehensive, real-time understanding of the state of the environment, to a greater extent to ensure the safety of coal m

19、ine.Through in-depth understanding of wireless sensor network and ZigBee technology and its application in the coal mine, aims to improve the present domestic some underground environment of coal mine safety monitoring system, so as to improve the safety production of the coal mine safety production

20、 management level and efficiency, at the same time, a good foundation for further research and practical application.The design process through the guidance of the teachers patient guidance, collected between students discuss and lending and information, so that the design achieves the expected resu

21、lts.Keywords: ZigBee; CC2430; coal mine; safety monitoring第1章 緒論1.1 研究背景能源工業(yè)在國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著舉足輕重的作用，近些年來(lái)，隨著石油資源的緊、石油價(jià)格的不斷飄升，煤炭行業(yè)的重要性和不可替代性也日益顯現(xiàn)。我國(guó)礦藏十分豐富，煤炭?jī)?chǔ)量位居世界第一位。從近期統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，我國(guó)可用煤炭?jī)?chǔ)量?jī)H去年就新增1320億噸。我國(guó)煤炭資源非常豐富，煤炭是我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的命脈所在。煤礦安全生產(chǎn)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)安全生產(chǎn)中占有重要的地位。然而，我國(guó)煤礦與世界各主要產(chǎn)煤大國(guó)比較，開(kāi)采安全問(wèn)題較多，礦井下地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，而且自然災(zāi)害也頻頻發(fā)生。近年來(lái)，

22、我國(guó)煤礦事故仍然較多，個(gè)別地區(qū)重、特大事故常有發(fā)生。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近幾年來(lái)，中國(guó)煤炭產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的50%以上，但是煤礦事故傷亡人數(shù)卻占全球傷亡總?cè)藬?shù)80%。輕則造成經(jīng)濟(jì)損失，重則造成人員傷亡，所以煤礦生產(chǎn)中的最關(guān)鍵的問(wèn)題就是安全問(wèn)題。不斷加強(qiáng)災(zāi)害預(yù)防、事故救助等措施己成為煤炭安全生產(chǎn)中當(dāng)務(wù)之急。隨著我國(guó)日益重視煤礦安全生產(chǎn)工作，礦井人員定位、煤礦現(xiàn)代化管理、煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)越來(lái)越體現(xiàn)出其重要性，實(shí)現(xiàn)井下環(huán)境參數(shù)（如瓦斯、溫度、濕度）的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和井下人員定位在安全生產(chǎn)中尤為重要。國(guó)各大煤礦企業(yè)也陸續(xù)開(kāi)始研究部署煤礦井下作業(yè)人員和作業(yè)環(huán)境的監(jiān)管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。1.2 國(guó)外煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀1.2

23、.1 國(guó)外煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展, 國(guó)外新推出的礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均采用基于開(kāi)放系統(tǒng)互連標(biāo)準(zhǔn)模型的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控分站和控制中心主站組成。系統(tǒng)支持多種互連標(biāo)準(zhǔn), 方便地組成多節(jié)點(diǎn)的安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò), 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的通信和數(shù)據(jù)共享。安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控可由原來(lái)單一的監(jiān)測(cè)監(jiān)控向綜合自動(dòng)化方向發(fā)展。全礦井綜合監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)有代表性的產(chǎn)品有美國(guó)MSA 公司生產(chǎn)的DAN6400 系統(tǒng), 德國(guó)BEBRO 公司的PROMOS 系統(tǒng)等。1.2.2 我國(guó)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀（1）通信協(xié)議不規(guī)由于現(xiàn)有生產(chǎn)廠家的監(jiān)控系統(tǒng)的通信協(xié)議均互不兼容, 沒(méi)有一個(gè)符合礦井電氣防爆等特殊要求的總線標(biāo)準(zhǔn),

24、從而造成不同廠商的設(shè)備無(wú)法兼容, 無(wú)法共享傳輸電纜。因此, 通信協(xié)議不規(guī)的后果是造成設(shè)備重復(fù)購(gòu)置、受制于人、不能隨意進(jìn)行軟和硬件升級(jí)改造。（2）井下信息傳輸設(shè)備物理接口協(xié)議不規(guī)如煤炭科學(xué)研究總院分院的KJF2000 和瑞賽長(zhǎng)城航空測(cè)控技術(shù)的KJ2000 這兩種系統(tǒng), 盡管均采用FSK 技術(shù), 以與信息傳輸波特率均為1 200 bps 或2 400 bps, 但其傳輸信息的調(diào)制頻率不同和傳輸信息的收發(fā)電壓幅值不同也造成這兩種系統(tǒng)的分站不能兼容。（3）智能傳感器性能差與系統(tǒng)配接的CH4和CO傳感器，已成為礦井瓦斯綜合治理和監(jiān)測(cè)煤炭自燃發(fā)火等災(zāi)害的關(guān)鍵技術(shù)裝備, 并越來(lái)越受到使用單位和研究人員的普遍

25、重視。據(jù)統(tǒng)計(jì), 國(guó)產(chǎn)安全監(jiān)測(cè)用CH4傳感器和CO傳感器, 長(zhǎng)期以來(lái)所用敏感元件一直存在使用壽命短、工作穩(wěn)定性差、零點(diǎn)漂移、靈敏度漂移以與制作工藝水平低、元件一致性差的缺點(diǎn), 從而嚴(yán)重制約著礦井瓦斯、一氧化碳的正常檢測(cè), 與國(guó)外同類傳感器相比較差距很大。（4）診斷功能有待加強(qiáng)作為管理維護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)的輔助手段, 部分系統(tǒng)只能對(duì)系統(tǒng)的通訊狀況診斷, 不能詳細(xì)地判斷故障的性質(zhì)和故障點(diǎn), 而實(shí)際工作中要求能判斷出分站、傳感器或電纜故障之間或短路報(bào)警與真實(shí)超限之間區(qū)別, 為維護(hù)人員提供故障的類型和方位, 以便于迅速處理故障。（5）現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)不具備煤礦事故決策支持系統(tǒng)的功能, 無(wú)法對(duì)煤礦事故進(jìn)行預(yù)報(bào)、預(yù)警與

26、向用戶提供避免事故的對(duì)策和方案。礦井終端監(jiān)控設(shè)備缺乏黑匣子功能, 因而也不能對(duì)事故起因分析提供有效證據(jù)。1.3 研究容和目的針對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)難以動(dòng)態(tài)、全方位監(jiān)控煤礦的問(wèn)題。采用ZigBee 技術(shù)構(gòu)建基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型煤礦監(jiān)控系統(tǒng)。該移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)直接固定在礦工的安全帽上，采用2節(jié)AA電池供電?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)煤礦入井人員的實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)控和定位。隨時(shí)掌握井下每個(gè)作業(yè)人員的位置與活動(dòng)軌跡，并對(duì)其所在位置進(jìn)行溫濕度和瓦斯?jié)舛葯z測(cè)。對(duì)保證煤礦安全生產(chǎn)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。本設(shè)計(jì)題目新型被動(dòng)式煤礦井下環(huán)境安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是對(duì)所學(xué)的電氣工程與其自動(dòng)化專業(yè)知識(shí)的一次全面而又徹底的實(shí)戰(zhàn)性檢驗(yàn)?？疾鞂W(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)熟悉的全

27、面性、深入性、專業(yè)性與應(yīng)用的實(shí)踐性。本設(shè)計(jì)題目的主要容涉與：1) ZigBee節(jié)點(diǎn)、各傳感器與語(yǔ)音報(bào)警電路的硬件電路設(shè)計(jì)；2) 介紹ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組成形式，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，應(yīng)用場(chǎng)所等；3)各傳感器的性能分析；4)礦井人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；5)各軟件控制系統(tǒng)的程序分析，流程設(shè)計(jì)；目的要求與主要技術(shù)指標(biāo)：1)能夠準(zhǔn)確的測(cè)量礦工所處位置的實(shí)時(shí)溫濕度；2)能夠準(zhǔn)確進(jìn)行瓦斯?jié)舛犬惓?bào)警；3)能夠準(zhǔn)確的對(duì)礦下工人進(jìn)行定位；4)所有井下安裝設(shè)備必須低功耗、低溫度、防爆；5)要能夠?qū)崿F(xiàn)通過(guò)有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與井上進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，使井上監(jiān)控人員能夠?qū)崟r(shí)全面地了解井下的情況。應(yīng)完成的主要任務(wù)：1)完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，字?jǐn)?shù)在

28、1.52萬(wàn)字。2)完成相應(yīng)的控制系統(tǒng)電路原理圖、設(shè)備布置圖和程序流程圖等。3)應(yīng)用zigbee技術(shù)建立無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，完成無(wú)線信息傳輸。4)完成硬件對(duì)應(yīng)的軟件程序設(shè)計(jì)。5)將檢測(cè)部分、控制部分與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)有機(jī)結(jié)合形成一套完整實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。目的和意義：合理設(shè)計(jì)裝置技術(shù)路線和電路，完成具有瓦斯?jié)舛葴y(cè)量、溫度、濕度測(cè)量，并具有通信功能的檢測(cè)裝置，將所有材料以文字形式體現(xiàn)出來(lái)，并制作出具有一定演示效果的實(shí)驗(yàn)室階段作品。這是對(duì)設(shè)計(jì)者的一次全面的實(shí)踐性考察，通過(guò)這次設(shè)計(jì)能夠很好的提高自身分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，對(duì)于提高設(shè)計(jì)者綜合素質(zhì)和以后工作的嚴(yán)謹(jǐn)作風(fēng)有十分重要的意義。1.4 方案總體概述本系統(tǒng)基于Zi

29、gBee技術(shù)構(gòu)建，分為井上部分和井下部分。如圖1.1所示。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用體現(xiàn)在井下部分。接入節(jié)點(diǎn)用于引入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，其主要固定在主巷道，各節(jié)點(diǎn)用雙絞線連接，接入光纖數(shù)據(jù)傳輸接口，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)，傳輸至井上。路由節(jié)點(diǎn)固定在除主巷道的其它需要進(jìn)行檢測(cè)的巷道。可接收來(lái)自移動(dòng)終端的數(shù)據(jù)，并路由至接入節(jié)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)各固定終端的布置，在井下巷道建立了ZigBee網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)?shù)V工進(jìn)入井下ZigBee網(wǎng)絡(luò)時(shí)，隨身攜帶的移動(dòng)終端將自動(dòng)與接入節(jié)點(diǎn)或路由節(jié)點(diǎn)連接，并隨著礦工的移動(dòng)隨時(shí)檢測(cè)當(dāng)?shù)氐臏貪穸?，瓦斯?jié)舛群推湮恢?，將這些信息通過(guò)固定節(jié)點(diǎn)上傳至地面監(jiān)控主機(jī)。井上部分主要用來(lái)對(duì)由井下部分的傳

30、來(lái)的信息進(jìn)行處理，監(jiān)控。監(jiān)控主機(jī)用來(lái)運(yùn)行上位機(jī)管理軟件，管理者通過(guò)屏幕可以實(shí)時(shí)掌握井下情況。通過(guò)集線器可以連接上服務(wù)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，供監(jiān)管部門(mén)通過(guò)Internet遠(yuǎn)程監(jiān)控。1終端設(shè)備 2參考節(jié)點(diǎn) 3以太網(wǎng)交換機(jī) 4路由節(jié)點(diǎn)圖1.1 方案總體結(jié)構(gòu)1.4 章節(jié)安排與其容第1章：緒論；第2章：對(duì)本設(shè)計(jì)所用到的主要技術(shù)ZigBee技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，包括無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)組成以與應(yīng)用；第3章：整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計(jì)，包括zigbee硬件電路、傳感器電路、報(bào)警電路以與RS232通信電路等。第4章：系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)，包含Z-Stack軟件框架介紹、基于RSSI的定位算法。第5

31、章：作為井下用電子設(shè)備，一個(gè)不可避免的問(wèn)題防爆。本章引用了防爆的基本概念，來(lái)介紹了本質(zhì)安全防爆技術(shù)，并且分析了井下電子設(shè)備主要影響了本質(zhì)安全性能的器件。最后說(shuō)明了本次所設(shè)計(jì)的設(shè)備需要注意的地方。第6章：展示本設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)室階段的測(cè)試成果。附錄A：系統(tǒng)總電路圖。附錄B：系統(tǒng)部分程序代碼。第2章 系統(tǒng)主要應(yīng)用理論概述2.1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)概述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor networks,WSN）是當(dāng)前在國(guó)際上備受關(guān)注的、涉與多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器、嵌入式計(jì)算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線通信和分布式信息處理等技術(shù)，能夠通過(guò)各類集成化的微型傳感器協(xié)同完成對(duì)各

32、種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集，這些信息通過(guò)無(wú)線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端，從而實(shí)現(xiàn)物理世界、計(jì)算世界以與人類社會(huì)這三元世界的連通。 20世紀(jì)70年代，第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)，使用具有簡(jiǎn)單信息信號(hào)獲取能力的傳統(tǒng)傳感器，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、連接傳感控制器構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)；隨著相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展和進(jìn)步，傳感器網(wǎng)絡(luò)同時(shí)還具有了獲取多種信息信號(hào)的綜合處理能力，并通過(guò)與傳感器控制器的相聯(lián)，組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)，這是第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)；第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代后期和21世紀(jì)初，用具有智能獲取多種信息信號(hào)的傳感器，采用現(xiàn)場(chǎng)總線連接傳感器控制器，構(gòu)成局

33、域網(wǎng)絡(luò)，成為智能化傳感器；第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)正在研究開(kāi)發(fā)，用大量的具有多功能、多信息信號(hào)獲取能力的傳感器，采用自組織無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)，與傳感器網(wǎng)絡(luò)控制器連接，構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)。作為新一代的傳感器網(wǎng)絡(luò)，目前全世界各國(guó)都十分重視無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，IEEE正在努力推進(jìn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展，波士頓大學(xué)（Boston University）還創(chuàng)辦了傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)會(huì)（Sensor Network Consortium），以促進(jìn)傳感器聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)。在“中國(guó)未來(lái)20年技術(shù)預(yù)見(jiàn)研究”中總共157個(gè)技術(shù)課題，其中有7項(xiàng)是直接論述傳感網(wǎng)絡(luò)的。2006年初發(fā)布的國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)與

34、技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要為信息技術(shù)確定了3個(gè)前沿方向，其中兩個(gè)與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究直接相關(guān)，即智能感知技術(shù)和自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)?？梢灶A(yù)計(jì)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用將是一種必然趨勢(shì)。我國(guó)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與其應(yīng)用研究與國(guó)際同步，目前國(guó)的許多高校也掀起了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究熱潮。清華大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、解放軍信息工程大學(xué)、大學(xué)、交通大學(xué)、華中科技大學(xué)等高校紛紛開(kāi)展了有關(guān)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的基礎(chǔ)研究工作。一些高科技企業(yè)，如中國(guó)移動(dòng)、華為、中興等大型企業(yè)，也加入了研究行列。如果說(shuō)Internet構(gòu)成了邏輯上的信息世界，改變了人與人之間的溝通方式，那么，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起

35、，改變?nèi)祟惻c自然界的交互方式。人們可以通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)直接感知客觀世界，從而極擴(kuò)展現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的功能和人類認(rèn)知世界的能力。他不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域具有巨大的運(yùn)用價(jià)值，在未來(lái)還將在許多新興領(lǐng)域體現(xiàn)其優(yōu)越性，如煤礦生產(chǎn)、家用、保健、交通等領(lǐng)域。我們可以大膽的預(yù)見(jiàn)，將來(lái)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將無(wú)處不在，將完全融入我們的生活。例如，微型傳感器網(wǎng)最終可能將家用電器、個(gè)人計(jì)算機(jī)和其他日常用品同互聯(lián)網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離跟蹤控制，家庭采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)用作安全調(diào)控、節(jié)電等。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將是未來(lái)的一個(gè)無(wú)孔不入的十分龐大的網(wǎng)絡(luò)，其應(yīng)用可以涉與人類日常生活和社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的所有領(lǐng)域。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的

36、信息獲取平臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，恰恰符合礦井環(huán)境安全監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)跟蹤功能，通過(guò)采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域移動(dòng)人員的環(huán)境參數(shù)和位置信息，并將這些信息發(fā)送到路由節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的指定圍目標(biāo)環(huán)境檢測(cè)與跟蹤，并通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)將信息快速的傳遞到礦井監(jiān)控中心，有利于監(jiān)控中心管理井下人員，當(dāng)緊急情況發(fā)生，能快速撤離或營(yíng)救井下人員，保證人的生命安全。2.2 ZigBee技術(shù)概述ZigBee技術(shù)是一種具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無(wú)線通信技術(shù)，其PHY層和MAC層協(xié)議采用IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層由ZigBee技術(shù)聯(lián)盟制定，應(yīng)用層的開(kāi)發(fā)應(yīng)用根據(jù)用戶自己的應(yīng)用需要，對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用，因此該技術(shù)能夠?yàn)橛脩籼峁C(jī)動(dòng)、靈活的組網(wǎng)

37、方式。其利用全球共用的公共頻率2.4 GHz,在頻段2.4GHz,ZigBee技術(shù)有16個(gè)速率為250kbps的信道。對(duì)于各種傳感器，智能測(cè)控，智能標(biāo)記和家電設(shè)備，該速率完全可以滿足要求。應(yīng)用于監(jiān)視、控制網(wǎng)絡(luò)時(shí),其具有非常顯著的低成本、低功耗、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多、大容量網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)勢(shì)。目前被視為替代短距離有線監(jiān)視和控制網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域最有前景的技術(shù)之一。本設(shè)計(jì)利用ZigBee技術(shù)的自組網(wǎng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)識(shí)別礦井行進(jìn)人員在不同區(qū)域的行進(jìn)與停留，以與對(duì)當(dāng)?shù)氐臏貪穸群屯咚節(jié)舛冗M(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于一般的煤礦具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。什么是ZigBee技術(shù)所采用的自組網(wǎng)技術(shù)？舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子就可以說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，當(dāng)一隊(duì)傘兵空降ZigBee自組

38、織網(wǎng)通信方式后，每人持有一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊終端，降落到地面后，只要他們彼此間在網(wǎng)絡(luò)模塊的通信圍，通過(guò)彼此自動(dòng)尋找，很快就可以形成一個(gè)互聯(lián)互通的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。而且，由于人員的移動(dòng)，彼此間的聯(lián)絡(luò)還會(huì)發(fā)生變化。因而，模塊還可以通過(guò)重新尋找通信對(duì)象，確定彼此間的聯(lián)絡(luò)，對(duì)原有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行刷新。這就是自組織網(wǎng)。2.3 ZigBee技術(shù)特點(diǎn)ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)包括以下幾方面，見(jiàn)下表：表2.1 ZigBee技術(shù)的主要特點(diǎn)序號(hào)特點(diǎn)概述1高可靠性采用了碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙 避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突，節(jié)點(diǎn)之間動(dòng)態(tài)組網(wǎng)。2速率低只有10kBit/s到250kBit/s 專

39、注于低傳輸應(yīng)用。3優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)能力ZigBee設(shè)備具有無(wú)線網(wǎng)路自愈能力，具有星狀、樹(shù)狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的能力。因此通過(guò)網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)能簡(jiǎn)單的覆蓋廣闊圍。4網(wǎng)絡(luò)容量大可支持達(dá)65000個(gè)節(jié)點(diǎn)。5成本低ZigBee的數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，所以大大降低了成本。6有效圍大有效覆蓋圍1075m之間（通過(guò)功放可在低功耗條件實(shí)現(xiàn)1000m以上通信距離）。7安全性高ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能 加密算法采用通用AES-128，具有高性：64位出廠編號(hào)。8功耗低在低耗電待機(jī)模式，兩節(jié)普通5號(hào)干電池可使用6個(gè)月到2年。9時(shí)延短針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延非常短，通常時(shí)延都

40、在1530ms之間。10工作頻率靈活使用的頻段分別為2.4GHz、868MHz(歐洲)與915MHz(美國(guó)) 均為免執(zhí)照頻段ZigBee技術(shù)和RFID技術(shù)在2004年就被列為當(dāng)今世界發(fā)展最快、市場(chǎng)前景最廣闊的十大最新技術(shù)中的兩個(gè)。今后若干年，都將是ZigBee技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)期。2.4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)配置與拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的器件類型從功能上分簡(jiǎn)化功能設(shè)備RFD(Reduced Function Device)和全功能設(shè)備FFD(Full Function Device)。表2.2 ZigBee器件的功能分類設(shè)備類型拓?fù)漕愋凸δ苊枋鋈δ茉O(shè)備（FFD）星型網(wǎng)狀樹(shù)狀可為個(gè)人域網(wǎng)協(xié)調(diào)器(P

41、ersonal Area Network Coordinator，PAN Coordinator)、協(xié)調(diào)器(Coordinator)和終端設(shè)備(Device)，可以與任何設(shè)備通信。精簡(jiǎn)功能設(shè)備（RFD）星型可以用最低端的MCU實(shí)現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)里一般作為不需要發(fā)送大量數(shù)據(jù)的終端設(shè)備，其只能和全功能設(shè)備通信。僅需消耗很少的資源和存儲(chǔ)開(kāi)銷。從邏輯上劃分：ZigBee網(wǎng)絡(luò)由三種設(shè)備組成，分別為協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器（Router）和終端設(shè)備（End Device）。IEEE 802.15.4協(xié)議中規(guī)定的三種設(shè)備中最復(fù)雜的一種是ZigBee協(xié)調(diào)器。在這3種設(shè)備中，協(xié)調(diào)器的計(jì)算能力最強(qiáng)、存儲(chǔ)

42、容量最大，因此被稱為FFD全功能設(shè)備。ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的初始化，分配網(wǎng)絡(luò)工作的信道、標(biāo)識(shí)個(gè)人域網(wǎng)和分配64位地址等功能。與IEEE 802.15.4定義的協(xié)調(diào)器類似，ZigBee路由器也是全功能設(shè)備，有64位路由地址，允許在無(wú)線通信圍的終端節(jié)點(diǎn)離開(kāi)或者加入網(wǎng)絡(luò)，具有存儲(chǔ)、路由和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)等功能。ZigBee終端設(shè)備由全功能設(shè)備或簡(jiǎn)化功能設(shè)備構(gòu)成，與父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，并從其父節(jié)點(diǎn)獲得短地址、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符等信息。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三種，分別是樹(shù)狀型、星型、網(wǎng)狀，如圖2.1所示。圖2.1 網(wǎng)絡(luò)層拓樸結(jié)構(gòu)圖如果要組建一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，

43、每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)可以最多255個(gè)節(jié)點(diǎn)，不同的網(wǎng)絡(luò)之間能夠互連，從而對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)充。每個(gè)子網(wǎng)由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)責(zé)任，ZigBee終端設(shè)備擔(dān)當(dāng)葉子節(jié)點(diǎn)。一種可靠的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，與CDMA和GSM比較類似。類似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站的ZigBee數(shù)傳模塊。無(wú)線通信距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m進(jìn)行擴(kuò)展，幾百米、甚至幾公里，可以無(wú)限擴(kuò)展。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊可多達(dá)65000個(gè)，組成的一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在這個(gè)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)圍，每一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸模塊之間可以相互通信。與移動(dòng)通信的GSM網(wǎng)或CDMA網(wǎng)相比，ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和他們存在一些不同的之處，ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸，具有使用

44、方便、工作可靠等特點(diǎn)。建立移動(dòng)通信網(wǎng)，每個(gè)基站都會(huì)花費(fèi)在百萬(wàn)元人民幣以上，而ZigBee模塊卻花費(fèi)不到500元人民幣。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)本身可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)其他的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信息，而且可以作為監(jiān)控對(duì)象。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)FFD（全功能器件）節(jié)點(diǎn)在自己信號(hào)覆蓋的圍，與多個(gè)沒(méi)有信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(diǎn)RFD（簡(jiǎn)化功能器件）進(jìn)行無(wú)線連接。2.5 ZigBee技術(shù)的應(yīng)用ZigBee是一種低成本、低功耗、低速率、短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，凡是具有上述特征或要求的場(chǎng)合都可以應(yīng)用。ZigBee技術(shù)彌補(bǔ)了低成本、低功耗和低速率無(wú)線通信市場(chǎng)的空缺，其成功的關(guān)鍵在于豐富而便捷的應(yīng)用，而不是技術(shù)本身。隨

45、著正式版本的協(xié)議的公布，更多的注意力和研發(fā)力量將轉(zhuǎn)到應(yīng)用的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)、互聯(lián)互通測(cè)試和市場(chǎng)推廣等方面。我們有理由相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，將有越來(lái)越多的置ZigBee功能的設(shè)備進(jìn)入工業(yè)、生活，并將極改善我們的生活方式和生活水平。ZigBee技術(shù)可應(yīng)用場(chǎng)合：（1）數(shù)字家庭領(lǐng)域?？梢詰?yīng)用于家庭的照明、溫度、安全、控制等。ZigBee模塊可安裝在電視、燈泡、遙控器、兒童玩具、游戲機(jī)、門(mén)禁系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和其他家電產(chǎn)品等。（2）工業(yè)領(lǐng)域。通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)收集各種信息，并將信息回饋到系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，以利于工廠對(duì)整體信息的掌握，例如火警的感測(cè)和通知、照明系統(tǒng)之感測(cè)、生產(chǎn)機(jī)臺(tái)的流程控制等。（3）智能交通

46、。如果沿著街道、高速公路與其他地方分布式地裝有大量ZigBee終端設(shè)備，你就不再擔(dān)心會(huì)迷路。安裝在汽車?yán)锏钠骷⒏嬖V你當(dāng)前所處位置、正向何處去。（4）醫(yī)療領(lǐng)域。將各種傳感器與ZigBee設(shè)備結(jié)合在一起，可以與時(shí)、準(zhǔn)確、方便、實(shí)時(shí)地對(duì)患者的血壓、脈搏、體溫等生命特征進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而使醫(yī)護(hù)人員作出有效、快速反應(yīng)，準(zhǔn)確診斷病情，與時(shí)挽救危重病人。（5）環(huán)境監(jiān)測(cè)。在氣象、環(huán)保領(lǐng)域，可以將ZigBee網(wǎng)絡(luò)與其他的通信技術(shù)（如GSM/GPRS）結(jié)合起來(lái)，采集某特定區(qū)域中的溫度、氣壓、降雨、噪聲、大氣成分等有效數(shù)據(jù)。這里眾多的ZigBee設(shè)備負(fù)責(zé)各點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，由ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行集中，然后再使用GSM等

47、將采集的數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測(cè)中心。（6）安全保障。在機(jī)場(chǎng)、地鐵、火車站、大型商場(chǎng)等公共場(chǎng)所，加裝能夠感知各種氣味的ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，就可以時(shí)刻監(jiān)測(cè)汽油、爆炸物等危險(xiǎn)物品是否被非法攜帶，并且根據(jù)網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)與時(shí)準(zhǔn)確的定位物品所在位置，保障人員安全。同時(shí)也可以將ZigBee節(jié)點(diǎn)安放在某些重要設(shè)備部，可以起到防止設(shè)備失竊，或在失竊條件下與時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行跟蹤，保障財(cái)產(chǎn)安全。2.6 幾種熱門(mén)短距離無(wú)線通訊技術(shù)比較目前，短距離無(wú)線通信技術(shù)除ZigBee技術(shù)外還有Bluetooth（藍(lán)牙）、IEEE802.1lb、IEEE802.1la、IEEE802.1lg、RFID、HomeRF、DECT、紅外等。下

48、面表格就以上列出幾種技術(shù)進(jìn)行比較。表2.3 幾種短距離無(wú)線通信技術(shù)的比較規(guī)工作頻段最大功耗設(shè)備數(shù)支持組織主要用途ZigBee868/915MHz 2.4GHz13mWZigBee聯(lián)盟家庭網(wǎng)絡(luò)、控制網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)紅外820nm數(shù)mW2IrDA透明可見(jiàn)圍的數(shù)據(jù)傳輸，近距離遙控DECT1.881.9GHz幾十mW12歐洲家庭話音與數(shù)據(jù)無(wú)線連接HoneRF2.4GHz100mW127HomeRF家庭無(wú)線局域網(wǎng)藍(lán)牙2.4GHz1100mW7BluetoothSIG個(gè)人局域網(wǎng)802.11b2.4GHz100mW255IEEE802.11b無(wú)線局域網(wǎng)802.11a2.4GHz100mW255IEEE802

49、.11a無(wú)線局域網(wǎng)802.11g2.4GHz100mW255IEEE802.11g無(wú)線局域網(wǎng)RFID2.4GHz不需要供電2澳大利亞零售組織等超市、物流管理第3章 系統(tǒng)硬件選擇與設(shè)計(jì)3.1 處理器的選型設(shè)計(jì)3.1.1 CC2430/31芯片資料圖3.1 CC2430芯片管腳圖CC2430/CC2431是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體巨頭儀器（TI）公司收購(gòu)領(lǐng)先的短距低功率無(wú)線射頻（RF）收發(fā)器設(shè)備的設(shè)計(jì)公司Chipcon后推出的全球首個(gè)真正意義上的系統(tǒng)與芯片ZigBee解決方案，是一款真正符合IEEE802.15.4和ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的SoC（System on Chip，片上系統(tǒng)）產(chǎn)品。CC2430和業(yè)領(lǐng)

50、先的ZigBee協(xié)議棧Z-Stack一起提供了市場(chǎng)上最具競(jìng)爭(zhēng)力的ZigBee解決方案。CC2430除了包括RF收發(fā)器外，還集成了增強(qiáng)型8051MUC、32/64/128KB的Flash存儲(chǔ)器、8KB的RAM、AES-128安全協(xié)處理器以與ADC、DMA、看門(mén)狗定時(shí)器等。CC2430工作在2.4GHz頻段，采用低電壓（2.03.6V）供電且功耗很低，接收信號(hào)靈敏度高達(dá)-92dBm、最大發(fā)射功率+dBm、最大傳輸速率為250kbps。CC2430硬件支持CSMA/CA和RSSI/LQI功能，為開(kāi)發(fā)檢測(cè)、跟蹤定位系統(tǒng)提供了技術(shù)保證。CC2430芯片的主要特點(diǎn)如下：（1）高性能和低功耗的8051微控制

51、器。（2）集成符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz的RF無(wú)線接收器。（3）優(yōu)良的無(wú)線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性。（4）在休眠模式時(shí)僅0.9A的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)；在待機(jī)模式時(shí)少于0.6A的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)。（5）硬件支持CSMA/CA功能。（6）較寬的工作電壓圍（2.03.6V）。（7）數(shù)字化的RSSI/LQI（Link Quality Indication）支持和強(qiáng)大的DMA功能。（8）集成了14位數(shù)模轉(zhuǎn)換的ADC。（9）具有電池監(jiān)測(cè)和溫度感測(cè)功能。3.1.2 CC2430最小系統(tǒng)應(yīng)用電路CC2430 芯片需要很少的外圍部件配合就能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)功能。圖3

52、.2為CC2430 芯片的最小系統(tǒng)電路。圖3.2 CC2430最小系統(tǒng)電路電路使用一個(gè)非平衡天線,連接非平衡變壓器可使天線性能更好。電路中的非平衡變壓器由電容C22和電感L1、L2、L3以與一個(gè)PCB 微波傳輸線組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足RF 輸入/輸出匹配電阻(50 )的要求。部T/R 交換電路完成LNA 和PA 之間的交換。R1和R2為偏置電阻，電阻R2主要用來(lái)為32 MHz 的晶振提供一個(gè)合適的工作電流。用1 個(gè)32 MHz 的石英諧振器（XTAL1）和2 個(gè)電容（C26和C27）構(gòu)成一個(gè)32 MHz 的晶振電路。用1 個(gè)32.768 kHz 的石英諧振器（XTAL2）和2 個(gè)電容（C15和C1

53、6）構(gòu)成一個(gè)32.768 kHz 的晶振電路。電壓調(diào)節(jié)器為所有要求1.8 V 電壓的引腳和部電源供電，C19和C21 電容是去耦合電容,用來(lái)電源濾波,以提高芯片工作的穩(wěn)定性。3.2 溫濕度傳感器電路設(shè)計(jì)溫濕度傳感器采用單總線輸出的高精度DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，其幾乎不需要外圍電路即可直接和控制芯片串行相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集傳輸。3.2.1 DHT11傳感器概述圖3.3 DHT11傳感器實(shí)物照片DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NT

54、C測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP存中，傳感器部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選則。產(chǎn)品為 4 針單排引腳封裝。3.2.2 DHT11傳感器引腳功能 1 2 3 4表3.1 DHT11引腳說(shuō)明引腳名稱注釋1VDD供電 35.5VDC2DATA串行數(shù)據(jù)，單總線3NC空腳，請(qǐng)懸空4GND接地

55、，電源負(fù)極3.2.3 傳感器電氣特性表3.2 DHT11電氣特性說(shuō)明參數(shù)條件mintypmax單位供電DC355.5V供電電流測(cè)量0.52.5mA平均0.21mA待機(jī)100150uA采樣周期秒1次注:采樣周期間隔不得低于1秒鐘。3.2.4 DHT11應(yīng)用電路原理與設(shè)計(jì)圖3.4 DHT11典型應(yīng)用電路說(shuō)明：在DATA（2 Pin）連接線長(zhǎng)度短于20米時(shí)用5K上拉電阻,大于20米時(shí)根據(jù)實(shí)際情況使用合適的上拉電阻。圖3.5 本設(shè)計(jì)應(yīng)用DHT11電路電路板實(shí)際連線，VCC引腳連接2節(jié)5號(hào)電池輸出的電源線正極上，DATA引腳連接CC2430的P0.0引腳，NC引腳懸空，GND引腳連接電池負(fù)極上。數(shù)據(jù)通過(guò)

56、DATA引腳串行輸出到CC2430芯片就行處理，發(fā)送。3.3 瓦斯傳感器的選擇與應(yīng)用電路設(shè)計(jì)3.3.1 MQ-5傳感器概述瓦斯傳感器采用以金屬氧化物二氧化錫為主體材料的N型半導(dǎo)體氣敏元件MQ-5，當(dāng)元件接觸還原性氣體時(shí)，其電導(dǎo)率隨氣體濃度的增加而迅速升高。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。圖3.6 MQ-5外形尺寸圖MQ-5傳感器對(duì)甲烷、丙烷、丁烷的靈敏度高，對(duì)甲烷和丙烷可較好的兼顧。這種傳感器可檢測(cè)多種可燃?xì)怏w，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。圖3.7 MQ-5結(jié)構(gòu)圖如圖3.7所示(結(jié)構(gòu)A 或 B), 由微型Al2O3瓷管、SnO2 敏感層,測(cè)量電極和加熱

57、器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有只針狀管腳，其中個(gè)用于信號(hào)取出，個(gè)用于提供加熱電流。3.3.2 傳感器規(guī)格參數(shù)表3.3 標(biāo)準(zhǔn)工作條件符號(hào)參數(shù)名稱技術(shù)提交備注Vc回路電壓24VDCVH加熱電壓5.0V0.AC或DCRL負(fù)載電阻可調(diào)RH加熱電阻313室溫PH加熱功耗900mW表3.4 環(huán)境條件符號(hào)參數(shù)名稱技術(shù)條件備注Tao使用溫度-1050Tas儲(chǔ)存溫度-2070RH相對(duì)濕度小于 95% RH氧氣濃度21%(標(biāo)準(zhǔn)條件)氧氣濃度會(huì)影響靈敏度特性最小值大于2%表3.5 靈敏度特性符號(hào)參數(shù)名稱技術(shù)條件備注Rs敏感體表面電阻2K-20K

58、（2000ppm）使用圍300-10000ppm甲烷、丙烷、丁烷、氫氣（/)濃度斜率標(biāo)準(zhǔn)工作條件預(yù)熱時(shí)間溫 度： 202Vc:5.0V0.1V相對(duì)濕度： 65%5%VH: 5.0V0.1V不少于48小時(shí)敏感體公式功耗(Ps)值計(jì)算公式： (3.3.1)傳感器電阻(Rs)值計(jì)算公式： (3.3.2)3.3.3 傳感器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)圖3.8 MQ-5測(cè)試電路圖圖3.8是傳感器的基本測(cè)試電路。該傳感器需要施加2個(gè)電壓：加熱器電壓（VH）和測(cè)試電壓（VC）。其中 VH用于為傳感器提供特定的工作溫度。VC 則是用于測(cè)定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻（RL）上的電壓（VRL）。這種傳感器具有輕微的極性，VC需用直流

59、電源。在滿足傳感器電性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一個(gè)電源電路。為更好利用傳感器的性能，需要選擇恰當(dāng)?shù)腞L值。本設(shè)計(jì)根據(jù)此傳感器的技術(shù)參數(shù)與性能說(shuō)明設(shè)計(jì)出如下電路：圖3.9 MQ-5電路原理設(shè)計(jì)電路圖說(shuō)明：H兩端是加熱電源5V，因?yàn)镃C2430移動(dòng)終端電路板供電電壓為3.3V，所以參考電壓為3.3V，VCC3.3V當(dāng)做測(cè)試電壓接在A端，B端根據(jù)實(shí)際瓦斯氣體濃度輸出相對(duì)應(yīng)的模擬量電流值。通過(guò)DATA_MQ_5輸出至射頻單片機(jī)CC2430的P1.4口，通過(guò)芯片部AD轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過(guò)CC2430的通信功能將數(shù)值傳送至協(xié)調(diào)器進(jìn)行處理。后半部分電路功能是根據(jù)機(jī)械調(diào)節(jié)比較值，設(shè)置瓦

60、斯?jié)舛葓?bào)警值。通過(guò)調(diào)節(jié)RP2設(shè)置比較器參考電壓，通過(guò)電壓比較器LM393芯片，將瓦斯?jié)舛入妷褐蹬c報(bào)警參考值進(jìn)行比較，正常情況下LM393的1引腳輸出高電平，一旦瓦斯?jié)舛瘸^(guò)報(bào)警值，即MQ-5傳感器的B口輸出電流在RP1上產(chǎn)生的壓降超過(guò)RP2的參考電壓，LM393的1引腳輸出低電平。產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，傳給控制芯片進(jìn)行相應(yīng)的處理。下兩圖（圖3.10和圖3.11）為瓦斯傳感器電路改進(jìn)前和改進(jìn)后電路板對(duì)比。圖3.10 瓦斯傳感器改進(jìn)前電路圖3.11 瓦斯傳感器改進(jìn)后電路3.4 語(yǔ)音報(bào)警電路設(shè)計(jì)語(yǔ)音報(bào)警電路通過(guò)ZigBee路由節(jié)點(diǎn)控制，一旦工人所處位置瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)，移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)就會(huì)發(fā)信息給路由節(jié)點(diǎn)，通過(guò)路由