基于zigbee的無線通信技術(shù)

基于zigbee的無線通信技術(shù)

0災(zāi)前預(yù)警與救援安全建議煤礦安全生產(chǎn)和經(jīng)營是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。它包括對井下開采、通防、機(jī)電以及運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測,以及對礦工作業(yè)的協(xié)調(diào)與組織;進(jìn)而為災(zāi)前預(yù)警、災(zāi)時(shí)救援提供及時(shí)準(zhǔn)確的信息保障,為災(zāi)后事故追憶與責(zé)任認(rèn)定提供客觀的依據(jù)和準(zhǔn)則。因此,提出一種基于ZigBee協(xié)議的智能傳感器設(shè)計(jì),可以完成對溫度、濕度、瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測,跟蹤礦工位置并向其提供安全告警信息。該傳感器結(jié)點(diǎn)可將采集到的信息通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳遞到井下電纜通信網(wǎng)關(guān),或依靠無線中繼的方式直接延伸至井上中心服務(wù)器與監(jiān)控計(jì)算機(jī),以構(gòu)建煤礦井下安全生產(chǎn)管理系統(tǒng)的智能網(wǎng)絡(luò)平臺。1z空間網(wǎng)絡(luò)的基本網(wǎng)絡(luò)新一代無線通信技術(shù)ZigBee構(gòu)建于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上,具有功耗小、單位成本低、支持結(jié)點(diǎn)多、組網(wǎng)靈活等特點(diǎn),適合數(shù)據(jù)速率要求不高的生產(chǎn)場合。ZigBee支持在單一網(wǎng)絡(luò)中尋址65535個(gè)結(jié)點(diǎn),其中包括三種結(jié)點(diǎn)類型:協(xié)調(diào)器、路由器和終端。在ZigBee通信協(xié)議里,協(xié)調(diào)器的角色是負(fù)責(zé)選擇初始通信信道、初始化網(wǎng)絡(luò)配置并接受子結(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò),它還擁有路由器的全部功能。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)只能有一個(gè)協(xié)調(diào)器。路由器用于在結(jié)點(diǎn)間傳遞數(shù)據(jù)包,并允許子結(jié)點(diǎn)加入。協(xié)調(diào)器和路由器統(tǒng)稱全功能設(shè)備(FFD)。終端的作用僅限于尋找并連接到路由器,并與所在路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,也稱作限制功能設(shè)備(RFD)。FFD和RFD在應(yīng)用層都可以完成用戶定制的業(yè)務(wù)邏輯,如傳感信息采集與處理等。ZigBee網(wǎng)絡(luò)一般有星型、樹型和網(wǎng)格型三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中網(wǎng)格型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在邏輯上可理解為子結(jié)點(diǎn)間存在直接連通情況的樹型結(jié)構(gòu),它允許通信鏈路存在常用路由和備選路由,避免了由于個(gè)別結(jié)點(diǎn)故障而阻斷了其下級子網(wǎng)通信出口的問題,保持了網(wǎng)絡(luò)的健壯性。網(wǎng)格型還支持結(jié)點(diǎn)間消息以路由發(fā)現(xiàn)的模式傳遞,以動(dòng)態(tài)獲得最佳的路由選擇。并且在網(wǎng)格型中ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由信息由各FFD結(jié)點(diǎn)分別存儲(chǔ)和維護(hù),減小了網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的路由管理壓力。因此,選擇網(wǎng)格型作為井下無線傳感器組網(wǎng)的基本構(gòu)型。在井下安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中,將智能傳感器結(jié)點(diǎn)分為固定式和移動(dòng)式兩種。固定式為可掛靠于井下坑道壁面、并可隨采掘面的前進(jìn)或作業(yè)位置的變遷而不斷增加、搬移的傳感器結(jié)點(diǎn)。它的作用是采集工況信息并確定礦工位置。移動(dòng)式為礦工隨身攜帶的傳感器結(jié)點(diǎn),其網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識與礦工身份標(biāo)識有一一對應(yīng)關(guān)系,用于實(shí)時(shí)無線連接臨近的固定結(jié)點(diǎn),使得監(jiān)控中心能夠通過井下傳感器網(wǎng)絡(luò)確定礦工所在位置,并在緊急情況下向礦工發(fā)布安全消息。2分布式傳感器的組成用于采集工況信息、定位礦工的固定式傳感器主要由以下功能模塊構(gòu)成:微處理器、射頻收發(fā)器、傳感器以及充電供電電路。用于礦工隨身攜帶的移動(dòng)式傳感器主要由微處理器、射頻收發(fā)器、信息顯示和充電供電電路組成。設(shè)計(jì)依照本安型防爆標(biāo)準(zhǔn)完成,方案介紹如下:2.1mo006簡介采用符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的英國Jennic公司無線微控制器JN5121-MO006作為傳感器系統(tǒng)的主控制器。它是集微控制器與射頻收發(fā)器于一體的一個(gè)SoC,因此節(jié)省了元器件數(shù)量,簡化了設(shè)計(jì)電路布線密度,大大降低了系統(tǒng)開發(fā)的成本。該芯片工作在2.7～3.6V,待機(jī)功耗僅為7μA,具有用戶時(shí)鐘、A/D、D/A和豐富的GPIO資源。2.1.1信號環(huán)境分析無線收發(fā)器模塊可由功放(PA)和低噪放(LNA)外接通用射頻天線,使得其發(fā)射功率達(dá)18dB·m,接收靈敏度達(dá)-94dB·m,最高數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbit/s,開放環(huán)境下信號覆蓋范圍達(dá)1km.由于井下坑道狹窄、地質(zhì)條件復(fù)雜,無線通信衰減較大,實(shí)際信號感應(yīng)范圍最低僅為開放環(huán)境下的15%?？芍谧顗牡耐ㄐ艞l件下固定傳感器仍能保持百m以上的感應(yīng)范圍,能夠滿足定位礦工的基本需要。2.1.2溫濕度插裝器設(shè)計(jì)采用I2C總線數(shù)字式溫濕度傳感器SHT11,其溫度量程為-40～85℃,相對濕度量程為0～100%RH.SHT11將溫濕校準(zhǔn)系數(shù)預(yù)存在OTP內(nèi)存中,經(jīng)校準(zhǔn)的溫度與相對濕度送14位的A/D轉(zhuǎn)換器,然后可將轉(zhuǎn)換后的溫濕度值送二線I2C總線器件。這里用主控制器Timer0的PWM引腳(GPIO10)為SHT11的SCK引腳提供時(shí)鐘,用Timer0的CLK/GATE引腳(GPIO8)來向SHT11的DATA引腳發(fā)送用戶命令并接收其輸出的溫濕度碼流。相關(guān)設(shè)計(jì)可參見文獻(xiàn)。2.1.3傳感器工作原理瓦斯檢測模塊采用實(shí)用的低功耗瓦斯傳感器UL-264。UL-264是一種熱傳導(dǎo)式氣體傳感器。其工作原理是當(dāng)被測氣體的組份不變而濃度發(fā)生變化時(shí),濃度與電阻值變化成線性比例關(guān)系。UL-264具有工作溫度低、工作電流小、元件壽命長以及穩(wěn)定可靠的特點(diǎn),不存在催化劑中毒現(xiàn)象,在全量程(0%～100%)內(nèi)線性度較好。UL-264工作時(shí)與其補(bǔ)償器(與UL-264同構(gòu),但外殼密封)一起接入電橋。傳感器在清潔空氣中電橋輸出為零,而在含有瓦斯的空氣中電橋輸出負(fù)電壓。在通防應(yīng)用中,根據(jù)煤礦安全的有關(guān)要求,瓦斯?jié)舛纫话爿^小。這使得傳感器電橋輸出偏壓較低。因此將電橋輸出加儀用運(yùn)放后送主控制器A/D端口。模塊示意圖如圖1所示。2.1.4電源分配電路設(shè)計(jì)由于作為路由和工況信息采集結(jié)點(diǎn)的固定式智能傳感器任務(wù)多,功耗相對移動(dòng)式智能傳感器較大,所以采用井下現(xiàn)有交流電做其常規(guī)電力供應(yīng),用礦井專用防爆蓄電池做其應(yīng)急電力供應(yīng)。充電供電模塊的設(shè)計(jì)原理參考移動(dòng)電子設(shè)備常用的市電/電池倒切電路。采用P型場效應(yīng)管作為交流電和電池的倒切開關(guān)。交流電加載時(shí),整流穩(wěn)壓電路輸出電壓將P型場效應(yīng)管柵極置高,經(jīng)由源漏極的電池供電回路被阻斷;當(dāng)交流電斷開時(shí),P型場效應(yīng)管柵極置低,電池供電回路閉合。通過在供電輸出端跨接儲(chǔ)能電容,可完成交直流電源的無縫倒切,確保系統(tǒng)運(yùn)行萬無一失?？紤]到井下交流電壓為380V,通過定制變壓器、整流電路將其變?yōu)橹绷?再通過穩(wěn)壓電路將電源分別穩(wěn)壓為供給蓄電池充電電路、傳感器電路、主控制器電路的電壓值。在完成上述設(shè)計(jì)步驟后,固定式智能傳感器系統(tǒng)上電后通過信道掃描可自動(dòng)加入已存在的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò),周期性地采樣環(huán)境溫濕度和瓦斯?jié)舛刃畔⒉?shí)時(shí)準(zhǔn)備接受礦工攜帶的移動(dòng)傳感器結(jié)點(diǎn)的連接。當(dāng)主控制器完成一次傳感信息的采集后,將整幀數(shù)據(jù)通過128位AES硬件加密器加密,用IEEE802.15.4MAC協(xié)議加速器組裝為MAC數(shù)據(jù)報(bào),由O-QPSK調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制后送天線發(fā)射系統(tǒng)。固定式智能傳感器系統(tǒng)框圖如圖2所示。2.2-mo00模塊采用Jennic公司的JN5121-MO000作為傳感器系統(tǒng)主控制器。JN5121-MO000模塊擁有和JN5121-MO006相同的內(nèi)核結(jié)構(gòu),不同之處在于前者自帶板載天線,發(fā)射功率為0dB·m,接收靈敏度為-90dB·m,開闊環(huán)境下信號覆蓋半徑為100～150m.以下僅對移動(dòng)式傳感器相對于固定式不同的硬件設(shè)計(jì)部分加以闡述。2.2.1led燈結(jié)果考慮到移動(dòng)傳感器靠電池供電,因此信息顯示模塊以少為佳。將主控制器GPIO14～16分別接LED指示燈D1～D3。D1為工作狀態(tài)指示,工作正常時(shí)為亮。D2為電源狀態(tài)指示,電池電力充足或充電狀態(tài)下熄滅,電池電力緊張時(shí)則每s閃1次。D3為安全信息提示,通過移動(dòng)式傳感器與臨近固定式傳感器聯(lián)網(wǎng)獲取安全信息,如果狀態(tài)安全則D3熄滅,反之則每s閃1次。2.2.2移動(dòng)傳感器充電采用850mAh普利爾高容防爆鋰電池,經(jīng)穩(wěn)壓輸出后供設(shè)備使用,可滿足多個(gè)井下工作周期的需要。礦工出井后可對移動(dòng)傳感器設(shè)備進(jìn)行充電。移動(dòng)傳感器隨礦工移動(dòng)位置的改變而動(dòng)態(tài)連接臨近的無線路由結(jié)點(diǎn)并接收安全提示信息。其整體設(shè)計(jì)框圖見圖3。3軟件設(shè)計(jì)流程在JN5121系列無線微控制器的軟件體系結(jié)構(gòu)中,基礎(chǔ)操作系統(tǒng)(BOS)負(fù)責(zé)自上而下完成用戶自定義任務(wù)、ZigBee設(shè)備對象(ZDO)任務(wù)、應(yīng)用支持子層(APS)任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)層(NWK)任務(wù)之間的調(diào)度。BOS是一個(gè)非搶占式的任務(wù)調(diào)度器,任務(wù)連續(xù)運(yùn)行直到完畢后才進(jìn)行切換。由于減少了上下文切換帶來的進(jìn)程棧維護(hù)代價(jià),系統(tǒng)得以節(jié)約大量內(nèi)存。BOS任務(wù)間信息交換采用消息機(jī)制。用戶編制的消息處理函數(shù)在BOS啟動(dòng)后由本地APS任務(wù)進(jìn)行注冊,當(dāng)源結(jié)點(diǎn)的APS任務(wù)發(fā)起消息(MSG)或鍵值對(KVP)信令后,本地BOS在消息隊(duì)列中取得消息,引起相關(guān)消息響應(yīng)函數(shù)的回調(diào)處理。ZDO任務(wù)包括設(shè)備類型定義與初始化、建網(wǎng)或入網(wǎng)、結(jié)點(diǎn)間服務(wù)接口匹配、標(biāo)識信息交換等設(shè)備描述檔(ZDP)類型的操作。NWK任務(wù)向上為APS和ZDO任務(wù)提供服務(wù),向下調(diào)用IEEE802.15.4MAC/PHY協(xié)議進(jìn)行任務(wù)的具體實(shí)施。而由MAC層和硬件產(chǎn)生的底層事件則在中斷服務(wù)中處理。智能傳感器軟件設(shè)計(jì)的流程見圖4。智能傳感器CPU上電后即運(yùn)行駐于ROM中的引導(dǎo)程序(BootLoader)。BootLoader通過檢查RAM決定CPU以何種方式啟動(dòng),其中冷啟動(dòng)為系統(tǒng)完整啟動(dòng)模式,熱啟動(dòng)為系統(tǒng)從休眠中喚醒的快速啟動(dòng)模式。3.1z空間智能監(jiān)控當(dāng)處理器從冷啟動(dòng)入口點(diǎn)進(jìn)入后,首先初始化ZigBee協(xié)議棧,包括指定設(shè)備類型、配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等。將與有線網(wǎng)關(guān)只有一跳距離的一個(gè)固定智能傳感器的設(shè)備類型指定為協(xié)調(diào)器,從而使其他結(jié)點(diǎn)可以聯(lián)入以該設(shè)備為協(xié)調(diào)器心的ZigBee網(wǎng)絡(luò);若是其他固定智能傳感器,則代碼中指定為路由器類型,移動(dòng)智能傳感器則指定為終端類型。FFD結(jié)點(diǎn)拓?fù)湎鄬潭ㄇ揖卵b配時(shí)接入狀態(tài)可調(diào),而礦工攜帶的RFD結(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)接入位置隨生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)變動(dòng),故將FFD有限的負(fù)載能力(每個(gè)FFD最多帶255個(gè)子結(jié)點(diǎn))配置為以帶RFD為主,帶次級FFD為輔,具體比例可依據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)節(jié),從而使全網(wǎng)地址資源分配盡量平衡。3.2控制rfd控制對于FFD結(jié)點(diǎn),CPU發(fā)初始化信令到SHT11使其完成自身預(yù)熱、低電壓檢測、向OTP存儲(chǔ)器重新下載校準(zhǔn)系數(shù)并設(shè)定測量分辨率的任務(wù),以及初始化瓦斯傳感器A/D.對于RFD結(jié)點(diǎn),CPU只需根據(jù)自身工作狀態(tài)以及供電模塊反饋的電力狀態(tài)來完成對LED的控制。3.3用戶任務(wù)請求/響應(yīng)機(jī)制FFD結(jié)點(diǎn)用戶任務(wù)包括周期采樣溫濕度和瓦斯?jié)舛戎档闹袛喾?wù),上報(bào)工況參數(shù)KVP請求/響應(yīng),上報(bào)在線礦工表單MSG請求/響應(yīng),接收礦工標(biāo)識響應(yīng)和向所轄RFD結(jié)點(diǎn)預(yù)警的MSG請求/響應(yīng)。RFD結(jié)點(diǎn)用戶任務(wù)包括上報(bào)礦工標(biāo)識請求和接收預(yù)警信息響應(yīng)。用戶任務(wù)請求/響應(yīng)機(jī)制通過源結(jié)點(diǎn)ZDO和目標(biāo)結(jié)點(diǎn)ZDP的服務(wù)訪問點(diǎn)(SAP)接口匹配與綁定來實(shí)現(xiàn)所有協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)的交換。當(dāng)BOS加載后向其注冊各用戶任務(wù),當(dāng)BOS從消息FIFO中取得有關(guān)消息時(shí)即可觸發(fā)相應(yīng)自定義過程。3.4d終點(diǎn)通信頻度當(dāng)?shù)V工長時(shí)間工作于同一FFD結(jié)點(diǎn)感應(yīng)范圍時(shí),其攜帶的RFD結(jié)點(diǎn)可降低與所屬FFD結(jié)點(diǎn)的通信頻度,以至轉(zhuǎn)入