基于ZigBee的井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究

李沁逺 李國義

【摘要】目前礦井下監(jiān)控系統(tǒng)是采用有線電纜布置，給結(jié)構(gòu)復(fù)雜的井下條件的布線帶來不便，并且給后來的維護(hù)工作帶來很大的困難，存在著安全隱患。針對上面提出的現(xiàn)有井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)存在的一系列問題，本論文采用以Zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)架構(gòu)井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，詳細(xì)論述系統(tǒng)硬件組成，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)井下安全監(jiān)測的無縫覆蓋，有利于提升了傳統(tǒng)井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的性能。

【關(guān)鍵詞】ZigBee無線通信技術(shù)S3C2440CC2430

煤炭是我國的基礎(chǔ)能源，在經(jīng)濟(jì)日益發(fā)展的今天，煤炭對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展的重要性更加顯著。地球上煤炭的儲(chǔ)存量巨大，加之科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，煤炭汽化等新技術(shù)日趨成熟，并得到廣泛應(yīng)用，因此，煤炭必將成為人類生產(chǎn)生活中的無法替代的能源之一[1]。

一、短距離無線通信技術(shù)比較

目前，五種短距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正在成為研究的熱點(diǎn)，它們分別是無線局域網(wǎng)（Wi-Fi）、超寬帶通信（UWB）、近場通信（NFC）、藍(lán)牙（Bluetooth）、紅外線數(shù)據(jù)通信IrDA和ZigBee。

Wi-Fi作為目前WLAN的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提供無線局域網(wǎng)的接入。它的最大特點(diǎn)是便攜性，使用Wi-Fi的缺點(diǎn)是功耗大、成本高、協(xié)議開銷大、需要接入點(diǎn)。另外，ZigBee與Wi-Fi都主要工作在2.4GHz頻段，這使得二者通信協(xié)議的兼容成為一個(gè)應(yīng)用中需要解決的問題；UWB在非常寬的頻率范圍內(nèi)，采用低功率脈沖傳送數(shù)據(jù)雖然不會(huì)對常規(guī)窄帶無線通信系統(tǒng)造成很大的干擾，但是由于帶寬很大，可能干擾現(xiàn)有其他無線通信系統(tǒng)。另外，UWB脈沖持續(xù)時(shí)間很短（1ns），它的瞬間功率峰值可能會(huì)很大，因此可能會(huì)影響其他一些系統(tǒng)的正常工作；NFC采用了雙向的識(shí)別和連接技術(shù)，在20cm距離內(nèi)工作在13.56MHz頻率。能快速自動(dòng)建立無線網(wǎng)絡(luò)，為蜂窩、藍(lán)牙或Wi-Fi設(shè)備提供一個(gè)“虛擬連接”，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備之間的無線互聯(lián)，彼此交換數(shù)據(jù)與服務(wù)；藍(lán)牙是一種能使手機(jī)與其附件之間相互通信的無線模塊，采用FHSSS擴(kuò)頻方式，為對語音和特定網(wǎng)絡(luò)的支持，需要協(xié)議棧提供250KB系統(tǒng)開銷，從而增加了系統(tǒng)成本和集成復(fù)雜性；IrDA是一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信的技術(shù)。IrDA標(biāo)準(zhǔn)的無線設(shè)備傳輸速率已從115.2kbit/s逐步發(fā)展到4Mbit/s、16Mbit/s，但是它只能同時(shí)在2臺(tái)設(shè)備之間連接，并且存在有視距等問題，因此一般不會(huì)用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。綜上所述，井下的無線傳感網(wǎng)用ZigBee技術(shù)進(jìn)行通信。

二、井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)有井上監(jiān)控中心和井下傳輸分站、移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。傳輸分站起著PAN協(xié)調(diào)器的角色，是全功能設(shè)備，負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)。移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)既有FFD（全功能節(jié)點(diǎn)），也有RFD（簡化功能節(jié)點(diǎn)），其中，F(xiàn)FD作為網(wǎng)絡(luò)中的路由器，RFD是終端節(jié)點(diǎn)。移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)采用帶有射頻端、8051內(nèi)核的CC2430芯片，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)井下環(huán)境參數(shù)的采集，采集的數(shù)據(jù)通過節(jié)點(diǎn)間多跳的方式傳送至對應(yīng)的傳輸分站，傳輸分站再將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)上傳至井上的監(jiān)測中心。系統(tǒng)圖如圖1所示。

三、系統(tǒng)硬件構(gòu)成節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集井下環(huán)境的溫度、光敏等數(shù)據(jù)，并把采集到的數(shù)據(jù)按接力的方式上傳給傳輸分站。節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、存儲(chǔ)模塊、供電模塊、報(bào)警模塊和JTAG電路組成。節(jié)點(diǎn)模塊電路圖如圖2。處理器選擇由TI公司生產(chǎn)的芯片CC2430，它能夠滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHz ISM波段應(yīng)用，及對低成本，低功耗的要求采用0.18μmCMOS工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流損耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個(gè)8位MCU（8051），具有32/64/128KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、幾個(gè)定時(shí)器（Timer）、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器（WatchdogTimer）、32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路（Power On Reset）、掉電檢測電

路（Brown Out Detection）以及21個(gè)可編程I/O引腳。傳感器模塊包括溫度、光敏等傳感器，溫度傳感器選擇芯片TC77，它的內(nèi)部集成了溫度傳感器，信號調(diào)節(jié)電路在一個(gè)芯片上，通過SPI兼容接口與CC2430相連。光敏傳感器選擇TPS851，存儲(chǔ)模塊選擇芯片M25PE10，M25PE10存儲(chǔ)器包含兩個(gè)部分，每個(gè)包含256頁，每一頁是256字節(jié)。

四、井下傳輸分站電路設(shè)計(jì)

4.1ZigBee通信模塊設(shè)計(jì)

井下傳輸分站在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中用作于網(wǎng)絡(luò)控制和管理功能，還要完成成員身份管理、鏈路狀態(tài)信息管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)等任務(wù)。本系統(tǒng)中處理器選擇S3C2440A，它是由三星公司推出的16/32RISC微處理器，它是一款低價(jià)格、低功耗和高性能的微處理器。S3C2440A采用了ARM920T的內(nèi)核，0.13微米的CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲(chǔ)器單元。其低功耗，簡單，且全靜態(tài)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)使它特別適合對成本

和功率敏感型的應(yīng)用。S3C2440A與CC2430的連接引腳圖如圖3。S3C2440A通過SPI0與CC2430交換數(shù)據(jù)，CC2430的SCK、MOSI、MISO、SS_N

口對應(yīng)S3C2440A的SPI0口，在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，要保證SS_N的低電平，MOSI和MISO分別是數(shù)據(jù)的輸出和輸入引腳，SCK負(fù)責(zé)通信的同步，通過這4條線，S3C2440A可以對CC2430寫入或讀取配置信息，以及收發(fā)數(shù)據(jù)。同時(shí)利用S3C2440A的GPIO接口實(shí)現(xiàn)對其余I/O口的控制與中斷采集，這些I/O口包括RESET控制、電源檢測、信道空閑檢測、FIFOP中斷、FIFO檢測、SFD中斷。

4.2ARM核心模塊設(shè)計(jì)

井下傳輸分站采用三星公司S3C2440A芯片作為處理器，它是16/32位ARM920T的RISC微處理器，是一款低價(jià)格、低功耗和高性能的微處理器。系統(tǒng)外擴(kuò)了一片32M的NANDFlash存儲(chǔ)芯片K9F1216U0A和兩片32M的SDRAM存儲(chǔ)芯片HY57V561620FTP-H。它們與S3C2440A的引腳連接如圖4所示。

ARM的外圍電路還有晶體振蕩電路、JTAG電路和電源管理電路。電路分兩路供電，一路是3.3V，本分站上的電壓設(shè)計(jì)為5V直流電源輸入分站，經(jīng)可帶載1.5A的低壓差線性穩(wěn)壓源AS2815AR-3.3IC芯片穩(wěn)壓，提供給分站上電路所需要的3.3V電源，另一路是1.25V，3.3V電源經(jīng)過低噪聲、低壓差線性穩(wěn)壓源MAX8860EUA穩(wěn)壓芯片，產(chǎn)生1.25V電壓，供處理器內(nèi)核使用。

4.3TCP/IP通信模塊設(shè)計(jì)

在嵌入式系統(tǒng)中增加以太網(wǎng)接口，通常由如下兩種方法實(shí)現(xiàn)。第一種方法嵌入式處理器帶有通用的網(wǎng)絡(luò)接口，通過內(nèi)部總線實(shí)現(xiàn)處理器和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的交換；另一種方法采用嵌入式處理器與網(wǎng)卡芯片的結(jié)構(gòu)，這種方法對處理器沒有特殊要求，只要把以太網(wǎng)芯片連接到嵌入式處理器的總線上即可[2]。由于S3C2440A沒有網(wǎng)絡(luò)接口，因此采用選用網(wǎng)絡(luò)芯片DM9000AE來現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。

DM9000AE具有以下主要性能：①48管腳的LQFP封裝，管腳少體積小；②支持8/16位數(shù)據(jù)總線；③適用于10Base-T和100Base-T，10/100M自適應(yīng)，適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)速度要求，④內(nèi)置16KB的SRAM，用于收發(fā)緩沖，降低對主處理器的速度要求；⑤支持IP /TCP /UDP加速，減輕了CPU負(fù)擔(dān)，提高網(wǎng)絡(luò)速度；⑥支持Back pressure半雙工流量控制，與IEEE802.3u兼容，支持IEEE802.3x全雙工流量控制；⑦20ns響應(yīng)時(shí)間，2.5V/3.3V低功耗。DM9000AE以太網(wǎng)接口電路如圖5所示。

DM9000AE的CS引腳和CMD引腳分別連接處理器的DM_CS引腳和LADDR2引腳，通過這兩個(gè)引腳處理器實(shí)現(xiàn)對DM9000AE的控制；數(shù)據(jù)線SD[15：0]與S3C2440A的數(shù)據(jù)線BDATA[15：0]連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸；引腳IOR#和IOW#分別連接處理器的DM_IOR和DM_IOW；INT引腳占用處理器的EINT7中斷引腳，使得S3C2440A可以相應(yīng)DM9000AE的中斷。DM9000AE與網(wǎng)絡(luò)的連接通過隔離變壓器與RJ8-45連接，以防止干擾和燒毀電路，實(shí)現(xiàn)帶電插拔的功能。

五、小結(jié)

ZigBee該系統(tǒng)的成功應(yīng)用，不僅給井下的布線工作帶來極大的方便，而且節(jié)能方面有好的效果，對井下的安全生產(chǎn)和搶救工作有現(xiàn)實(shí)的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]王洪利.影響煤礦開采的因素的幾點(diǎn)分析.赤子， 2012-3-6（2）

[2]于明，范書瑞，曾祥燁. ARM9嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)教程. 2006，218-223

[3] DAVICOM.DM9000ETeehoiealManual.2002