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矿山瓦斯无线传感网络控制系统摘要：论文论述了煤矿安全监控系统的发展现状及存在的问题，比较用于远程监控系统的通信技术，为本系统的设计选择了一种较优的通信方式，详细介绍Zigbee无线传感技术。对重点技术的实现原理进行详述；然后对系统设计的详细描述；最后进行系统测试并分析测试结果，进而对本课题的工作进行总结，对系统的进一步完善提出设想。本文阐述了无线传感器网络的关键技术，重点介绍了一种对煤矿井下瓦斯气体浓度监测的全新的无线传感器网络的设计及节点的硬件和软件设计及实现。硬件设计主要包括瓦斯传感器、无线传输模块的设计和能量供应模块的设计：其中详细说明了一种带有现场报警功能的新型瓦斯传感器的设计过程，它能够实现对矿井瓦斯浓度的采集和报警控制，以及信号滤波、零点漂移的抑制。软件设计包括瓦斯气体浓度的采集，节点间的通信等。此外，本文实现了基IEEE802.15.4/ZigBee标准的无线通信网络的设计，本设计能实现了煤矿井下瓦斯气体浓度的采集和传输，完成了无线传感器网络在安全生产中的应用，达到了煤矿安全监测的目标。关键词：瓦斯传感器；无线传感网；AT89C52；Zigbee;Radio Brushless Machine Control System Design based on AVRAbstract: As the main conversional device of mechanical energy to electrical energy, the motor has mainly three types, such as，the DC motor, the synchronous motor, the asynchronous motor .Because of having lots of disadvantages, the application of the DC motor has been limited strongly. The brushless DC motor has the advantages which includes the simple structure，reliable operation and being convenient. All of these above are   possessed by AC motor. They also maintain series of merits from the DC motor. The brushless DC motor operates efficiently, and has excited capacity Base on the development of the brushless DC motor and new kinds instruction of electrics and electronics, the thesis includes several parts, for examples: operational principles of the brushless DC motor and AVR single chip microcomputer, the design of the circuit which is used to control the motor, the design of the software and the summary of the whole graduation. The result suggests that the design of the circuit generally achieves the goal and the request of the thesis.Keywords: AVR Single Chip Micyoco; Wireless; Brushless DC Motor目 录第1章 绪论11.1研究背景与意义11.2发展历史与研究现状11.3本课题主要研究内容3第2章 相关基础知识42.1 STC89C52单片机42.2瓦斯采集与传感器52.3 ZigBee协议及串行通信6第 3 章 系统硬件设计与实现83.1 系统总体设计83.2 各单元功能介绍93.3瓦斯传感器设计113.4 无线传输模块的设计133.5能量供应模块和报警模块17第4章 系统软件程序的设计194.1设计思路、流程图194.2无线收发部分的软件设计214.3瓦斯浓度的采集模块234.4电源能量检测模块24第5章 系统测试255.1硬件测试255.2软件测试275.3测试结果分析与结论28第6章 总结30致 谢31参考文献32附录33附录A：瓦斯无线传感网络控制系统硬件设计电路图33附录B：瓦斯无线传感网络控制系统源程序34第1章 绪论1.1研究背景与意义目前我国的煤炭产量居世界第一位，我国95%的煤矿开采是地下开采作业，而地下开采的危险性较之露天开采要大的多。面对现阶段煤矿安全生产的严峻形势，用高新技术和先进实用技术改造传统产业，增加科技含量，促进产品更新换代，提高产品质量和经济效益，是走新型煤炭工业化道路的必然选择。为了有效地监控和管理煤矿的安全状态，采取科学、系统、完整的措施改变我国煤矿安全现状及落后面貌，加强矿井安全生产监控技术及其方法的研究，是目前煤炭工业需要解决的迫切问题，建立信息智能化煤矿管理体系势在必行。我们提出的这套系统设计方案，能够及时、准确地将井下各个区域人员的情况反映到地面计算机系统，使管理人员能够随时掌握井下人员的分布情况及各矿工的运动轨迹，以便于进行合理地调度管理。当事故发生时，营救人员也可以根据本系统所提供的数据和图形，迅速了解有关人员的位置情况，及时采取应的营救措施，提高救援工作的效率。一切的理论研究都是建立在实际需要的基础上的，这也是本设计的宗旨。本设计为了加强安全过程的管理应用了测量控制技术。测量控制技术的作用是从生产现场中获取各种参数，运用科学计算的方法，综合各种先进技术，使每个生产环节都能够得到有效的控制，不但保证了生产的规范化、提高产品质量、降低成本，还确保了生产安全。该系统通过传感器采集数据，再通过ZigBee无线技术可以将数据返回到地面进行处理，为各种现场传感器提供无线透明传输通道，直接或者间接将矿井内各种安全指标信息传送至ZigBee协调器,再由ZigBee协调器经AT89C52单片机进行数模转换，当超出设定的浓度，通过蜂鸣器报警，以保证矿井生产的安全与管理。这样不仅大大节省井下的各种电缆铺设，降低硬件投入成本，而且可以有效的避免矿难的发生。1.2发展历史与研究现状国外研制矿井监控系统起步较早，大约开始于20世纪60年代。20世纪70代和80年代美国、法国和英国等先后研制应用了多种型号的矿井监控系统，美国的SCADA系统、英国的MINOS系统、德国的TF-200系统、法国的TT63/40系统、加拿大的森透里昂系统等，其中有代表性的一些系统已先后引进我国。近年来由于煤矿事故的安全问题引起了政府的高度重视，我国的技术人员结合我国煤矿复杂的特殊情况相结合，先后研制出一系列监控方法。该系列的安防产品对煤矿行业安全带来了很大的帮助，保证了矿井人员的人身安全而且节省布线成本，现在的煤矿监控系统早已经不是以前单纯的对象性检控己经是无线网，有线网等各种网络的互联，这些有线的监控关系部分环境的检测。比如有毒有害气体，温度，湿度等，以及井下主要设备运行的状态等的监控等，具有一定程度的智能化。但是，安全监控监测系统品牌繁多，鱼目混杂，而且生产的各种系统相互不能兼容的封闭系统，网络结构和通信模式多样，导致指挥生产和管理的部门无法及时得到相关信息，制约了这些系统综合能力的发挥，造成决策指挥不灵，严重影响了煤炭企业安全生产管理水平的提高。很多国家的政府机构都非常重视这方面的研究，该领域是无线传感器网络产生的主要推动力量。军事领域方面：UC Berkeley的Smart Mote的应用背景就是战场侦察系统，在未来无线传感器网络将会成为进的高科技技术，为未来的现代化战争设计一个集命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统；C4ISRT系统是利用先如美国的DARPA(美国国防部高级研究计划局)和NSF(National Science Foundation)投入了资金支持高校和科研机构研究无线传感器网络。uAMPS是MIT的关于无线传感器网络的一个研究，低功耗的无线传感器系统取得了在商业和军事领域非常重要的应用，从安全设备、医疗监控到机器诊断和生化检测，传感器网络极大地改进了对环境的监控。Environmental Sensors将利用传感器来检测水中的大肠感菌的含量指标。这些传感器的测量值通过分布的无线传感器网络聚集，并需要传送到基站以供进一步的分析和保存。研究者们的重点是考虑到传感器节点有限的处理和存储能力的情况下，如何确保这些信息能被鉴别并被安全地传输，该研究在公共海岸线的污染即时检测方面有着很广的应用前景。Zigbee无线模块是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准，是一个有关组网、安全和应用软件方面的技术标准，被称作IEEE802.15.4（zigbee）技术标准，ZigBee技术是一种结构简单、低功耗、低速率和可靠性高的双向无线网络通信技术，使用的频段为2.4GHz、868MHz及915MHz，均为免执频段，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。 由于WSN的一些固有特点，其功能和监控需求的完全结合尚须时日，仍有许多关键技术需要更深入地研究。1.3本课题主要研究内容本课题是矿山瓦斯无线传感网络控制系统设计，其利用单片机作为系统的主要控制器，通过瓦斯传感器检测矿山环境中瓦斯信号，再经A/D转换后，将数字信号，送入到单片机中进行数据处理，经过一定的控制算法后，通过单片机的输出I/O口，经过Zigbee无线模块将信号从矿山下接收，再发送到地面上的单片机中，经过数据处理后，按照预先设定的瓦斯浓度通过蜂鸣器产生报警，从而完成整个系统的功能。设计的主要工作是运用AT89C52单片机作为主控制单元及数据处理单元，控制瓦斯传感器检测环境瓦斯信号及A/D转换，数据处理，发出控制信号对蜂鸣器进行控制，达到自动报警的目的。本系统设计主要包括以下几个方面的工作：（一）、总体框图设计 。以AT89C52单片机为基础进行数据处理，通过瓦斯传感器采集矿山中的瓦斯浓度，通过无线网络检测瓦斯节点的位置，通过报警器达到实时检测的目的。（二）、瓦斯传感器模块的设计和使用。运用传感器的原理采集矿井下瓦斯的浓度，首先设计出总体电路图和框架图，然后进行软件模拟仿真，实现瓦斯气体的采集和传送功能。（三）、zigbee无线网络技术模块的设计。不同于传统的接收与发送模式的是不仅仅局限于有线的传输，无线传输能够渗透到各个角落，使得信号的传输更加有效，全天候不间断的对井下瓦斯浓度进行监测。（四）、8051单片机的基本应用。主要运用单片机各接口的连接，将单片机芯片作为桥梁把矿井下的瓦斯气体浓度采集与地面上的监控系统联系起来，将各个元件组成一个系统。（五）、实现实时报警监控逻辑控制器的中处理单元。当矿井下采集到的瓦斯浓度达到或者超过设定的瓦斯安全浓度就实现自动报警，以便地面上的工作人员能及时做好相应的处理，保证生产安全。第2章 相关基础知识2.1 STC89C52单片机 STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8k可编程Flash存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案3。STC89C52微处理器引脚结构图如图2.1所示：图2-1 STC89C52引脚图STC89C52具有以下标准功能：8K字节Flash，256字节RAM，32个I/O口，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持两种软件可选择节电模式。其P3口各引脚的第二功能如表2.1所示:表2-1 P3口各引脚的第二功能定义接口线 引脚 第二功能 P3.0 10RXD (串行输入口) P3.111TXD (串行输出口) P3.212INT0 (外部中断0) P3.313INT1 (外部中断1) P3.414T0 (定时器0外部输入) P3.515T1 (定时器1外部输入) P3.616WR (外部数据存储器写脉冲) P3.717RD (外部数据存储器读脉冲)在多数电子设计当中，基于性价比的考虑，8位单片机仍是首选。目前，8位单片机在国内外仍占有重要地位。在8位单片机中又以MCS51系列单片机及其兼容机所占的份额最大。2.2瓦斯采集与传感器传感器的选择受到很多因素的影响，首先是各种瓦斯传感器自身的优缺点，其次是各种不同的环境因素，还有就是系统所要求实现的精度等，所以在不同的设计当中瓦斯传感器的选择也将不同。方案一：CTZ2GJ4(A)型智能遥控瓦斯传感器：用于检测煤矿井下甲烷浓度。该传感器是一种智能型检测仪表，具有自动调零、自动调灵敏度、非线性补偿等功能（所有功能可通过遥控器来实现），具有方便使用、稳定可靠等优点。表2-2 CTZ2GJ4主要技术参数测量范围0-4%CH4基本误差0-4% 0.1%CH4输出信号200-1000Hz，频率1-5mA报警点设置0.5-1.5%CH4 可任意设置报警强度大于85db断电输出0-5mA电流脉冲工作电压本安DC9-18V工作电流50mA方案二：MH-740A传感器是一个通用型、小型传感器，利用非色散红外（NDIR）原理对空气中存在的CH4进行探测，具有很好的选择性，无氧气依赖性，性能稳定、寿命长。MH-740A是将成熟的红外吸收气体检测技术与微型机械加工、精良电路设计紧密结合，制作出的小巧型红外气体传感器。可广泛应用于火灾探测，爆炸性气体检测等。表2-3 MH-740A主要技术参数 检测范围 0-100 %VOL 分辨率 0.1 %VOL 响应时间(T ) <30 s 零点漂移 <±2 %VOL 工作电压 4.55.5 V 工作电流 <100 mA 工作范围 -20+60 贮存温度 -40+85 湿度范围 <95 %RH 压力范围 90110 KPa预期使用寿命 >5 年 2.3 ZigBee协议及串行通信构建煤矿瓦斯监测无线传感器网络可有多种形式，如分簇式链状煤矿瓦斯监测无线传感器网络结构，即层次型结构。但层次型结构存在数据传输路径单一、易受破坏等问题，并且当局部监测规模较大时监测效果不理想。为此，设计了一种基于ZigBee技术的煤矿瓦斯监测网格型无线传感器网络结构;在此种结构中，无线竹点按功能强弱分类有4种，分别为协调器节点、路由器节点、普通型端设备和增强型端设备，网络结构如图2.2所示。节点的功能越强，相应的功耗也就越大。网络中采用不同功能的节点，可合理分配各类节点的数量，来兼顾网络对低功耗和高性能的要求。图2-2 网格型无线传感网络结构对于应用于环境检测、工业控制等领域的无线传感器网络来说，系统所传输的数据量小，传输速率低，通信终端设备通常为电池供电，因此要求传输设一备必须具有成本低、功耗小的特点。此外，对于煤矿瓦斯监测工作来说，为了获得较为全面的监测数据，需要在网络中布置数量较多的无线传感器节点，这就要求网络能协调好节点之间的通信，并且要求网络中的数据传输具有较低的时延。因此，需要选择一种具备上述特点的网络协议，以保障煤矿瓦斯无线监测系统的正常监测工作。串行通信的主要功能是实现单片机与PC机的数据交换，当需要进行数据记录、数据统计、数据分析的时候，可以把数据发送给上位机，使用上位机进行数据处理，并且将数据处理的结果又发送给单片机。这样可以大大提高系统数据处理速度，还可以方便的对单片机进行控制。计算机与外界的数据传送大部分都是串行的，其传送距离可以从几米到几千米。 第 3 章 系统硬件设计与实现3.1 系统总体设计本部分详细介绍了基于AT89C52单片机的矿山瓦斯无线传感网络控制系统的硬件设计。硬件系统所需要完成的功能是将瓦斯传感器采集到的瓦斯浓度信号，输送到AT89C52单片机的I/O口，然后把单片机数据处理后的结果通过无线模块从矿井下接收并发送到地面，通过接口把无线模块的发送部分与单片机连接，然后再通过单片机I/O口，把单片机控制信号送到执行单元蜂鸣器。本系统中以瓦斯传感器作为瓦斯信号的采集与转换单元；AT89C52单片机作为数据处理和控制单元；蜂鸣器作为超瓦斯浓度报警单元。硬件原理框图，如图3-1所示：图3-1 系统设计原理框图按照系统设计的要求，本系统主要硬件系统由瓦斯传感器模块、无线传输模块、数据接收及处理单元和能量供应模块四大主要模块组成。本系统由瓦斯信号采集与A/D转换、无线传输、控制执行单元、蜂鸣器五部分组成，功能模块具体实现所用的器件的不同，将直接影响整个系统的性能及成本，为了达到高效、实用的目的，在系统设计之前的方案论证是十分重要的，该系统可以有效的监测井下低浓度及高浓度瓦斯，试用范围非常广泛。监测到的信息传输到单片机，经单片机处理后发出指令，如果瓦斯超过规定值，该系统可以立即发出声音报警以便管理人员及早做出相应措施。系统硬件设计结构框图图如图3-2所示：图3-2基于无线传感器网络的煤矿瓦斯监测系统结构框图3.2 各单元功能介绍单片机：该部分的功能不仅包括读取瓦斯数据处理，同时还要执行单元进行控制，单片机是整个系统的控制核心及数据处理核心。单片机系统的扩展，一般是以基本最小系统为基础的。所谓最小系统，是指一个真正可用的单片机最小配置系统，对于片内带有程序存储器的单片机，只要在芯片外接时钟电路和复位电路就是一个小系统了。图 3-3 最小系统图瓦斯传感器：本部分的主要作用是用传感器检测并采集模拟环境中的瓦斯信号，再把电流信号转换成电压信号，使用A/D转换器将模拟电压信号转换成单片机能够进行数据处理的数字电压信号，以上过程都在瓦斯传感器内部完成。传感器传感器模块单片机处理器模块无线通信模块射频芯片能量供应模块 图3-4传感器节点硬件结构示意图串口通信：串口通信的主要功能是完成单片机与传感器以及与蜂鸣器之间的通信，便于进行瓦斯超标报警系统设计，为将来系统功能的扩展做好基础工作。 本设计采用RS232串行接口来完成单片机与PC机的数据传输。在RS232C标准中，收发信号中的“0”为3V15V，“1”为3V15V，但单片机采用的是正逻辑的TTL电平，所以需要通过专用芯片MAX232C实现EIA电平与TTL电平转换。 图3-5 串口通信硬件连接图无线模块单元：主要实现信号的接收和发送功能，在发送端对信号进行编码，接收端对信号实现解调。不同于传统的接收与发送模式的是不仅仅局限于有线的传输，无线传输能够渗透到各个角落，使得信号的传输更加有效，全天候不间断的对井下瓦斯浓度进行监测，同时采用报警系统，一旦瓦斯超标，系统立即提醒正在井下作业的工人紧急撤离，避免人员伤亡。电源系统单元：本单元的主要功能是为单片机提供适当的工作电源，同时也为其他模块提供电源，在本设计当中，电源系统输出 +5 V 的电源。3.3瓦斯传感器设计瓦斯传感器的原理：瓦斯传感器是为了在地下采矿区检测瓦斯气体的浓度而设计的，其主要工作原理是利用介于电桥桥臂之间的热催化元件(黑白元件)在瓦斯气体的作用下发生无烟燃烧，引起元件温度升高，阻值增大，使原来平衡的电桥失衡，导致桥路输出电压变化，该电压与瓦斯气体浓度成正比，通过测量此电压可以达到测量瓦斯气体浓度的目的。该单元以单片机AT89C52为核心，包含甲烷浓度采样器、把220V的交流电转换成5V的直流电源、红外遥控系统、存储器的扩展、LCD显示器和报警装置等组成。该传感器可以有效的监测井下低浓及高浓瓦斯，试用范围非常广泛。监测到的信息传输到单片机，经单片机处理后发出指令，如果瓦斯超过规定值，该系统可以立即发出声光报警并自动发出执行指令以降低瓦斯浓度。图3-6 原理框图瓦斯传感器采用的是中船重工第七一八研究所研制的MJC4/3.0L载体催化元件。MJC系列载体催化元件是用于对空气里可燃气体进行检测的，可以对瓦斯（天然气）、煤气、液化石油气等多种可燃气体进行检测，属于广谱气敏元件。该传感器可以对1-100%LEL浓度的气体进行检测，适用于煤矿0-4%浓度的环境监测。该传感器可以布置于固定节点，也适用于移动节点。表3-1 MJC4/3.0L技术参数工作电压（V）3.0±0.1工作电流（mA）110±10灵敏度（mV）1%甲烷20401%丁烷30501%氢气2545线形度（%）5测量范围（%LEL）0100响应时间（90%）小于10秒恢复时间（90%）小于30秒使用环境-40+70低于95%RH储存环境-20+70低于95%RH外形尺寸（mm）MJC4/3.0L:9.5×14×19MJC4/3.0L载体催化元件是由一个检测元件（黑元件）与一个补偿元件（白元件）组成。图3-7载体催化元件电路该电路是一个惠斯通电桥，在空气中没有可燃气体的时候，可以通过可变电阻R0进行调零，将输出电压调为零。当该电路检测到空气中有可燃气体的时候，检测元件D上就会有无氧燃烧，产生的热量改变检测元件的电阻，使得电桥的输出电压与可燃气体的浓度成正比。瓦斯传感器模块的电路如图3-8所示.图3-8瓦斯传感器电路图输出的检测电压分别与CC2430的P0_0及P0_1引脚连接，作为差分电压输入。MJC4/3.0L的工作条件是：工作电压为直流3.0±0.1V，环境温度040，温度不高于95%RH（25），气压80116kPa。适合于井下工作。3.4 无线传输模块的设计ZigBee是一种短距离、低速率、低功耗、低成本和低复杂度的双向无线通信技术，它工作于无需注册的24GHz国际免费频段ISM(Industrial ientificMedical Band)ZigBee的传输速率为10kbps250kbps，传输距离为10100m，具有电池寿命长、应用简单、可靠性高及组网能力强等特点主要适用于无线传感器网、自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。ZigBee无线数据传输模块的硬件设计框图如图3-9所示为了实现无线数据传输模块的硬件基础架构，将硬件设计分为四部分：无线收发电路、电源电路、JTAG电路和串口转换电路在这里，设计了串口转换电路，可以实现RS232串口数据转换因此，可以实现无线模块与PC机之间的串口数据通信无线收发电路是本次硬件设计的核心，而JTAG电路主要实现对CC2430的编程和测试图3-9硬件工作原理图本次设计的无线通信模块采用射频芯片CL'2430该款芯片以强大的集成开发环境为支持，内部线路的交互式调试遵从IDE的IAR环境它是Chipcon公司推出的用来实现嵌入式ZigBee应用的片上系统，它支持24GHz IEEE 802154协议，结合一个高性能24GHz DsSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器CL-2430芯片在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器它使用1个8位MCU(8051)，具有3264128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器()C)、几个定时器(Timer)、AESl28协同处理器、看门狗定时器(Watchdog Timer)、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power On Reset)、掉电检测电路(Brown Out Detection)以及21个可编程IO引脚。本次设计的无线收发模块电路包括CC2430芯片及其相关外围电路，该芯片只需要配合少数的外围元器件就能实现信号的收发功能为了实现节点模块与计算机的通信，设计了RS232电平转换电路，这里采用了电平转换芯片MAX232来实现串口连接同时，选用了AH805升压稳压器，这样就可以将于电池提供的3V电压变压至5V，满足MAX232电路的供电而3V电压为CC2430模块和JTAG模块提供稳定电压此外，这里还设计了一个复位电路，通过复位开关可以进行手动复位，复位电路与CC2430的引脚10连接，且低电平有效。在设置串口收发时，设置为串口0位置1，也就是设置串口I)02、P03、P04、P05分别用做RXD、TXD、CTS、RTs，I)02、P05做接收输入端，P03、P04为发送输出端整个CQ430模块与计算机的串行信过程如下：计算机将RS一232串口数据通 据转换成1yrL数据，再通过R10UT和I也OUT传送到CC2430；同时，CC2430通过I)03和I)04将数据传送给MAX232，由MAX232将1vrL数据转换成RS一232数据，再通过T10UT和T20UT将数据传送给计算机ZigBee协议层机构比较简单，严格讲ZigBee协议只包含应用层、网络层及各层的安全机制。物理层、MAc层属于IEEE802.15.4。但ZigBee联盟定义协议时采用了IEEE802.15.4规范作其底层。物理层提供了两种类型的服务:即通过物理层管理实体接口(PLME)对物理层数据和物理层管理提供服务。物理层数据服务可以通过无线物理信道发送和接收物理层协议数据单元(PPDU)来实现。物理层的特征是启动和关闭无线收发器，能量检测，链路质量，信道选择，清除信道评估(CCA)，以及通过物理媒体对数据包进行发送和接收。通信距离范围通常为lcm，可扩大到约300mI。IEEE802.15，4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。它们都基于DSSS(DireetSequeneeSpreadSpeetrum，直接序列扩频)，使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。915/868MHz频段是基于差分编码的二进制相移键控(BPSK)。其中，868MHz是欧洲的ISM频段，只有1个信道，传输速率为20kb/s。915MHz是美国的ISM频段，共有10个信道，传输速率为40kb/s。首先将数据按每4位信息比特组成一个符号数据，根据该符号数据，从16个几乎正交的伪随机序列(PN序列)中，选取其中一个序列作为传送序列，然后根据所发送连续的数据信息，将所选出的PN序列串接起来，并使用O-QPSK的调制方法，将这些集合在一起的序列调制到载波上。在2.4GHz频段总共有16个不同的信道为全球统一的无需申请的ISM频段，可提供250kb/s的传输速率。有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期从而更加省电。MAC层也提供了两种类型的服务，即MAC层管理服务和数据服务。MAC层的具体特征是：信标管理，信道接入，时隙管理，发送确认帧，发送连接及断开连接请求。除此之外，MAC层为应用合适的安全机制提供了一些方法。网络层主要用于ZigBee的WPAN网的组网连接、数据管理以及网络安全等;应用层主要为ZigBee技术的实际应用提供一些应用框架模型等，以便对ZigBee技术进行开发和应用。图3-10所示为ZigBee协议的组成，简单描述了所述四层之间的关系。图3-10 ZigBee协议组成协议规定，每一个ZigBee网络都有一个16位网络ID，用于标示这个网络。此外每个网络节点都有一个在本网络中唯一的16位网络地址，网络节点之间通过网络ID和各自的网络地址通信。ZigBee技术中有两种类型的物理设备：全功能设备(FullFunetionalDeviee，FFD)和精简功能设备(RedueedFunetionDeviee，RFD)。1)全功能设备FFD可以担任网络协调者，形成网络，让其它的FFD或是精简功能RFD连接，FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输。附带由标准指定的全部IEEE802.巧.4功能和所有特征，更多的存储器、计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用。同时也能用作终端设备。运行一个FFD需要约30KB系统资源。2)精简功能设备RFDRFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。通过附带有限的功能来控制成本和复杂性，在网络中通常用作终端设备。RFD省掉了内存和一些电路，较低级的处理器和小协议栈有效地降低了RFD的成本，同时也降低了能量的消耗。运行一个RFD仅需要4KB左右的系统资源。因此，相比于FFD设备，RFD设备占用更少的系统资源，更有利于系统成本的降低。无线传输模块设计包括发送与接收两部分，本系统为了提高无线传输的抗干扰能力，采用专门的编码解码芯片组成的发送与接收。在发送端对信号进行编码，接收端对信号实现解调。无线数据收发模块的应用电路框图见图3-11(a)和图3-11(b)。 图3-11（a）无线数据发送框图图3-11（b）无线数据接收框图3.5能量供应模块和报警模块以上3种模块的能耗都较小，所需供电电压都在9V以内，不需要采用电量较大的能量供应模块。考虑到不同的模块对电源有不同的要求，可采用两种供电模块分别进行供电的方式。对于AT89C52单片机可采用电压较高的电源作为供电模块，而对于MJC4/3.OL型瓦斯传感器则可采用电压较低的供电模块。由无线传感器网络的特点可知，供电模块是上述几种模块中更换最为频繁的模块，可供选择的范围比较广泛，如普通干电池、蓄电池或稳压电源等，可满足不同的应用要求。所设计的无线传感器网络中有4种类型的竹点，功能各不相同，因此可结合每种节点的特点选择合适的供电模块。电源采用矿灯电源，矿用铅酸电池标称电压为4V，但由于MJC4/3.0L工作在3.0±0.1V，并兼顾其它各芯片的正常工作范围，我们使用了低压差稳压芯片REG113-3为系统提供直流3V的稳压电源。由于CC2430工作电压的范围是2.03.6V，最大工作电流时27mA；MCJ4/3.0L工作电压为3.0±0.1V；MCP9700的电压范围与CC2430一致。考虑到每个有源器件的工作需要，电源模块采用的是LDO稳压芯片REG113-3，该芯片可以生成3V电压。由TI公司生产的REG113系列LDO芯片的输出电流可以达到440mA，输出电压精度为±1.5%，该芯片还具有热保护和电流限制功能。电源模块的电路如图图3-12电源模块电路图在煤矿瓦斯监测的应用中，工作人员可以定期的检查节点的工作情况，因此采用电池供电的方式为无线传感器节点提供电源，其低电量的问题可通过定期更换的方式解决，并可以保持节点体积小重量轻的特点。报警电路实现的是当温度值超过系统设置的上限值或者小于系统设置的下限值时，都将通过I/O口驱动蜂鸣器，进行蜂鸣器报警。而单片机I/O口输出的电流无法直接驱动蜂鸣器，所以设计了蜂鸣器驱动电路，电路如下图：图3-13 报警电路第4章 系统软件程序的设计本章从设计思路、软件系统框图出发，先介绍整体的思路后，再分析各模块程序算法的实现，最终编写出满足任务需求的程序，采用Keil uVision3集成编译环境和C语言来进行系统软件的设计。4.1设计思路、流程图根据矿井安全监测及定位系统中节点的不同功能，可以分为网关节点、环境监测节点。其中，网关节点作为网络协调器，不仅要负责在数据通信过程中的协议转化，还要负责网络的初始化和维护等。环境监测节点为全功能设备，构成无线传感器网络的主干，具有通信路由的功能，主要负责环境参数的检测。图4-1网络协调器软件流程图上电后，系统首先完成初始化工作，包括CC2430硬件的初始化、协议栈的初始化以及系统状态的初始化等。系统的正常工作需要电压稳定在一定的范围内，所以初始化完成后，立即对电源能量进行检测，如果电源能量不足，则发出低压警报。接下来，系统调用MiniZStack协议栈提供的应用层接口aplFormNetwork()开始组建无线网络。井下的无线传感器网络的节点形成无线网络后完成数据传输的任务，即起到协议转换的功能。每个节点在加入或离开网络时，都在网络协调器节点处完成注册或注销。在对无线网络的维护过程中，协调器要完成网络节点信息的更新等工作。图4-2定位节点软件流程图4.2无线收发部分的软件设计本次软件设计主要分为两部分，一部分是在CL-2430上通过异步串行接口向单片机发送数据，另一部分是通过串口接收数据，对数据进行处理后再将处理后的数据发送给单片机而串口接收处理并发送数据的程序，主要涉及到对中断服务程序的调用，对接收数据的处理后再发送。这里的串口发送子程序首先是判断数据是否发送完毕，没有发完才继续发送数据，发送数据时先把数据送入串口0的数据收发缓冲器(UOI)BUF)，CL2430模块的串口通信是只要你不停放数据到UODBUF就行，当然事先要没置好你所需要的串口，具体的数据发送是由硬件完成，编程的时候不需要考虑这些因为CC2430的内核是一个51核，所以每次的传输都是一个字节一个字节的，也就是说每次只能一个字母一个字母的发送数据在这里，发送函数做了个等待中断标志的处理，也就是送一个字节到缓冲器，需要等待中断的产生，当中断产生了，说明UODBUF里的数据已经被发送出去了，这时才可以继续发送数据，同时在继续发送前还得把中断标志清零需要指出的是，如果是需要一组数据一组数据的接收或者传送的话，就必须不停的调用函数，直到把整个数组中的数据都传送完之后再停止在这个发送主程序里，先是调用发送函数发送了一个字符串，之后清除已发送数据，再发送一个字符串，之后进行延时处理，再循环发送数据串口发送程序的流程图如图4-3所示：图4-3发送子程序和发送主程序的流程图虽然硬件设计是建立信号收发的基础，但是数据能够正确收发必须靠软件