基于ZigBee的煤礦監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

1 引言

近年來，煤炭需求量不斷增加，各地煤礦事故時有發(fā)生。針對有線網(wǎng)絡(luò)難以動態(tài)、全方位監(jiān)控煤礦的問題，提出采用先進(jìn)ZigBee技術(shù)構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型煤礦監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對煤礦人井人員的實時跟蹤和定位，隨時掌握井下每個作業(yè)人員的位置及活動軌跡。這對保證煤礦安全生產(chǎn)有著重要的現(xiàn)實意義。本文通過對ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的討論，重點研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備。

2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持兩類物理設(shè)備，即全功能設(shè)備(FFD)和精簡功能設(shè)備(RFD)。一般來說，F(xiàn)FD支持任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，能與任何設(shè)備通信；而RFD只適用于星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不能充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，只能與FFD通信。在任何ZigBee網(wǎng)絡(luò)中必然存在網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)功能設(shè)備和精簡功能設(shè)備，前者可與任何設(shè)備通信，用于協(xié)調(diào)建立網(wǎng)絡(luò)；后者因其內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)簡單，上層應(yīng)用少，某些僅僅包含IEEE標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議。

基于ZigBee的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)包含傳感器節(jié)點和信息控制中心。信息控制中心由通信機、信息處理服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器等組成，主要完成對網(wǎng)絡(luò)無線傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集、網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)分析處理及預(yù)警報警功能等。為減小能量損耗和數(shù)據(jù)包丟失，該系統(tǒng)設(shè)計采用簇1樹網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。

基于ZigBee的煤礦監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)由傳感器節(jié)點，路由器及監(jiān)控主機3部分組成。運行中，先由監(jiān)控主機發(fā)送查詢的請求命令，通過互聯(lián)網(wǎng)傳到路由器。路由節(jié)點根據(jù)請求命令的具體要求，選擇ZigBee協(xié)調(diào)器，接著根據(jù)命令選擇所要查詢的簇1，當(dāng)簇1首領(lǐng)收到控制命令后，激活本簇內(nèi)的所有節(jié)點進(jìn)行通信。本簇內(nèi)節(jié)點及時采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后發(fā)送給本簇的首領(lǐng)，再由首領(lǐng)傳送給ZigBee協(xié)調(diào)器，然后傳輸?shù)铰酚善鳎^而通過外部網(wǎng)絡(luò)傳給控制中心?？刂浦行膶?shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，從而了解該區(qū)域的作業(yè)人員分布情況。

2.2無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)

在不同應(yīng)用中，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的組成不盡相同，但基本結(jié)構(gòu)都是一樣的。節(jié)點的典型硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括電池及電源管理電路、傳感器、信號調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換器、存儲器、微處理器和射頻模塊等。傳感器節(jié)點處理器模塊主要用于對采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作、存儲和處理；無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點的無線通信、交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；而能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量，通常采用微型電池。根據(jù)不同應(yīng)用需求和定位系統(tǒng)來確定傳感器節(jié)點位置。

節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)數(shù)據(jù)采集者、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站或簇頭節(jié)點3種角色。作為數(shù)據(jù)采集者，數(shù)據(jù)采集模塊收集周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)，通過通信路由協(xié)議直接或間接地將數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)方基站或者匯聚節(jié)點；作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，節(jié)點除了完成采集任務(wù)以外，還要接收鄰近節(jié)點的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)發(fā)給離基站更近的鄰近節(jié)點或者直接轉(zhuǎn)發(fā)到基站，匯聚節(jié)點；作為簇頭節(jié)點負(fù)責(zé)收集該簇內(nèi)所有節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，然后發(fā)送給基站或匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強，它連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet等外部網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)兩種協(xié)議的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務(wù)．并把采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)。

2.3傳感器節(jié)點硬件設(shè)計

傳感器節(jié)點硬件電路是以CC2430為核心。CC2430為SoC CMOS器件，內(nèi)嵌高性能、低功耗8051微控制器，內(nèi)部集成14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器件和符合IEEE802.15.4協(xié)議的2.4 GHz的RF收發(fā)器，具有優(yōu)良的天線接收靈敏度和強大的抗干擾性。在接收和發(fā)射模式下，電流消耗低于27 mA。CC2430還具有休眠模式和以較短時間轉(zhuǎn)換至主動模式的特性，適用于那些要求電池壽命長和運行時間長的煤礦監(jiān)測系統(tǒng)。傳感器節(jié)點電路原理如圖3所示。

采用DS2401作為硬件節(jié)點的唯一標(biāo)識符存儲器。DS2401 ROM中包含唯一的64位注冊碼。DS2401除接地引腳，只有一功能引腳，其供電電源、輸入和輸出是通過該引腳完成。由于節(jié)點電源由兩節(jié)5號電池提供，因此采用MAX1724穩(wěn)定系統(tǒng)的工作電壓。

2.4網(wǎng)關(guān)節(jié)點的硬件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)節(jié)點又稱Sink節(jié)點，其處理、存儲和通信能力都較強，可發(fā)布監(jiān)測任務(wù)，并把采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)煤礦井下的特殊要求，網(wǎng)關(guān)的硬件體系結(jié)構(gòu)包括主處理器，存儲模塊，無線通信模塊、接口模塊、電源模塊等。而CC2430內(nèi)嵌的8051微控制器核不能滿足要求，網(wǎng)關(guān)微處理器選用Intel公司的PXA255處理器。它是一個高性能、低能耗的RISE處理器。圖4是網(wǎng)關(guān)節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖，它帶有USB數(shù)據(jù)端口和RS232數(shù)據(jù)端口，可通過開關(guān)切換，便于網(wǎng)關(guān)與外部網(wǎng)絡(luò)或處理終端間的連接。TTL與RS232電平轉(zhuǎn)換單元選用MAX3316，可在2.25～3.0 V電源電壓內(nèi)實現(xiàn)兩通道雙向電平轉(zhuǎn)換，可直接操作CC2430的串行數(shù)據(jù)線和控制線。CC2430的外圍電路設(shè)計與傳感器節(jié)點設(shè)計相同。

3節(jié)點軟件設(shè)計

盡管可根據(jù)需要靈活配置處于不同層次、不同位置、具有不同作用的節(jié)點結(jié)構(gòu)，但其應(yīng)用程序則有所差別。其相同點是節(jié)點采用串口通信模式，利用中斷實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。節(jié)點有兩個任務(wù)：一是發(fā)送接收本節(jié)點數(shù)據(jù)，二是接收處理并轉(zhuǎn)發(fā)其他從節(jié)點數(shù)據(jù)。圖5為傳感器節(jié)點的程序流程圖。節(jié)點一般處于休眠狀態(tài)，只有當(dāng)中斷請求時才被激活。

4結(jié)語

基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建的煤礦無線監(jiān)測系統(tǒng)采用簇1樹網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。系統(tǒng)設(shè)計中，無線傳感器節(jié)點以CC2430內(nèi)嵌的低功耗8051微控制器為核心，實現(xiàn)無線通信。當(dāng)節(jié)點處于休眠狀態(tài)時有中斷請求才能激活節(jié)點工作，采用串行中斷接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。利用這種模式建立的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有良好的穩(wěn)定性和較高的通信效率。