（载运工具运用工程专业论文）基于无线传感器网络的井下定位系统研究.pdf

基于无线传感器网络的井下定位系统研究 摘要 随着市场对能源需求量不断的增大，带动了煤炭生产的不断升温。与此同 时国家对煤炭安全生产的日益重视和监管力度的不断加强，使得如何加强安全 生产和提高对突发事件中被困人员的搜救效率成为人们关心的焦点。在面对突 发事件时，拥有一套实时精确的井下人员定位系统的重要性交得越发突出。 本文研究的基于无线传感器网络的井下人员定位系统是一种新型井下定 位系统。它具有实时定位、定位精度高、集成度高、成本低、易安装维护等优 点，在煤矿定位应用中前景十分广阔。 在分析和探讨了现有井下定位系统的主要不足以及发展方向的基础上，提 出以无线传感器网络的组网方式构建的井下无线定位方式，它填补了传统r f i d 识别技术在实时定位和人员传呼上的空白；并以c a n 总线代替传统的r s 4 8 5 总 线在井下特殊环境中传输速度、距离和抗干扰的缺陷，进一步提高井下通信效 率、定位信息的实时性以及煤矿安全生产的信息化程度。同时，研发了新型移 动节点和固定节点，降低了漏卡率且增大了通信距离，实现了井下人员传呼和 实时定位；并在终端监控系统的定位软件上集成组件式g i s 技术，实现了以动 态图形显示井下员工的实时位置信息、井下人员定位系统故障报警以及事故预 警。文章首先分析了无线井下定位的研究背景与成果、无线传感器网络的研究 成果与关键技术；然后分析电磁波在井下传输特性，提出基于比较接收信号强 度的定位算法；最后详细的论述了定位系统关键硬件模块的设计和终端软件设 计。 本文研究的定位系统，能在煤矿安全生产或对突发事件应急处理中提供完 备的井下信息；为实现井下人员精确实时定位和传呼提供了一个完整的设计方 案。 关键词：井下定位；无线传感器网络；t i n y o s 系统；c a n 总线 r e s e a r c ho np e r s o n n e la n de q u i p m e n t s l o c a t i n gs y s t e mf o rm i n i n gb a s e d o nt h ew i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s a b s t r a c t a st h em a r k e td e m a n df o re n e r g yi n e a s e sh a v ec o n t r i b m e dt ot h er i s i n gc o a l p r o d u c t i o n a tt h es a m et i m en a t i o n a lp r o d u c t i o ns a f e t yo fc o a la n dt h ei n c r e a s i n g e m p h a s i so nt h ec o n t i n u o u se f f o r t st os t r e n g t h e ns u p e r v i s i o n ，m a k i n gh o wt os 仃g t h e l l s a f e t yi np r o d u c t i o na n di m p r o v et h eu n e x p e c t e de v e n t si nt h es e a r c ha n dr e s c u eo ft h e t r a p p e de f f i c i e n c yb e c o m et h ef o c u so fa t t e n t i o n i nt h ef a c eo fu n e x p e c t e de v e n t s ，a r e a l - t i m ep o s i t i o n i n ga c c u r a c yo ft h eu n d e r g r o u n ds t a f fw a sn e e d e dp r o m i n e n t l y i nt h i sp a p e r ，t h ep e r s o n n e la n de q u i p m e n t sl o c a t i n gs y s t e mf o rm i n i n gb a s e do nt h e t e c h n o l o g yo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si san e wl o c a t i n gs y s t e mf o rm i n i n g ，t h a tf i l l e dt h e g a p so fat r a d i t i o n a li d e n t i f i c a t i o nr f i dt e c h n o l o g yi nr e a l - t i m ep o s i t i o n i n ga n ds t a f f p a g i n g ；a n du s e dt h et e c h n o l o g yo fc a l lb u st or e p l a c er s 4 8 5b u sd e f e c t s i i lt h e c o m m u n i c a t i o no fm i n i n g ；a n dr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fn e wm o b i l ea n df i x e dn o d e st o r e d u c et h ec a r dl e a k a g er a t ea n di n c r e a s et h ec o m m u n i c a t i o nd i s t a n c eo ft h en o d e s ，a n d r e a l i z e dt h em i n i n gs t a f fp a g i n ga n dr e a l - t i m ep o s i t i o n i n g , a n di nt h et e r m i n a lm o n i t o r i n g s y s t e mp o s i t i o n i n gs o f t w a r ei n t e g r a t e dc o m p o n e n to fg i st e c h n o l o g y t h i sp a p e rf i r s t a n a l y z e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n da c h i e v e m e n t so ft h ep o s i t i o n i n go fm i n i n ga n d w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ；t h e nt h ep a p e ra n a l y z e st r a n s m i s s i o no fe l e c t r o m a g n e t i cw a v e si n t h et u n n e lo fc o a lm i n ea n dp r o p o s e db a s e do nt h er e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t hc o m p a r e d p o s i t i o n i n ga l g o r i t h m ；a tl a s tt h ep a p e rd i s s e r t a t e sp o s i t i o n i n gs y s t e mh a r d w a r em o d u l e d e s i g na n dt h et e r m i n a lm o n i t o r i n gs y s t e ms o f t w a r ed e s i g n t h ep o s i t i o n i n gs y s t e mi nt h i sp a p e rp r o v i d e sc o m p l e t ei n f o r m a t i o no ft h ec o a lm i l l e p r o d u c t i o nf o rd e a l i n gw i t ht h eu n e x p e c t e de v e n t s ，a l s op r o v i d ea ni n t e g r i t yd e s i g nt o r e a l i z eu n d e r g r o u n ds t a f fa c c u r a t ea n dr e a l t i m ep o s i t i o n i n g k e yw o r d s ：m i n el o c a t i n g ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，t i n y o s ，c a nb u s 插图清单 图2 1无线传感器网络体系结构一4 图2 2 三边测量法”9 图2 3 极大似然估计法1 0 图2 - 4 凸规划算法示意图1 1 图2 5 d v - h o p 定位算法示意图”1 3 图2 6p i t 定位算法示意图1 4 图2 7a p i t 原理示意图”1 5 图3 1 井下巷道示意图1 6 图3 2e h 和e v 模式在巷道中频率与衰减的关系【3 6 】1 7 图3 3e h 模式在高3 5 英尺的巷道中频率与衰减的关系【3 6 j 一1 8 图4 1井下定位系统构示意图2 3 图4 1 传感器节点的硬件结构框图2 4 图4 2c c 2 4 2 0 外围接口示意图一2 5 图4 3c c 2 4 2 0 的内部结构示意图2 6 图4 _ 4 z i g b e e 的协议架构示意图2 7 图4 5l c d 与微控制器的接口电路示意图2 8 图4 6 无线通信模块p c b 正面( 第一层) 设计版图2 9 图4 7 无线通信模块p c b 背面( 第四层) 设计版图2 9 图4 8固定节点无线部分原理图3 0 图4 9c a n 总线通信模块原理图3 1 图4 1 0 t i n y o s 体系结构示意图3 6 图4 1 1t i n y o s 通信组件流程图3 8 图5 1 井下定位系统模块图”4 1 图5 2 主控制界面菜单4 1 图5 3 上位机登录控制界面4 2 图5 - 4 人员定位功能控制界面4 3 图5 5实时人员定位显示窗口4 3 图5 - 6 跟踪目标输入对话框4 4 图5 7 轨迹回放选择框4 4 图5 8 轨迹回放功能窗口4 5 图5 - 9 井下人员历史分布窗口4 5 图5 1o 报警日志显示界面4 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得- 佥壁王些太堂或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：卞正 签字日期：留年汐月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥肥工些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权金壁至些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学 位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：夸巴 签字日期：e g 年名月r 夕日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： d 9 年q 月 电话： ? 邮编： - 罗日 致谢 本论文是在导师石琴教授的悉心指导和亲切关怀下完成的，从课题的选定 到论文的完成的过程中，倾注着石老师大量细心的教导。三年以来，石老师渊 博的学识，严谨的治学态度和忘我的工作精神使我受益匪浅，而石老师高尚的 品格、严谨的学术作风和兢兢业业的敬业精神是我终身学习的榜样。在论文完 成之际，谨向最尊敬的导师表示最真挚的感谢! 感谢罗电敏、吴俊、徐谨、郭强、叶青等同事以及四创电子的领导们对我 的帮助，使我在四创实习的期间内，丰富了我的专业知识，积累了社会经验； 特别要感谢我的罗电敏师傅，罗师傅广博的知识、丰富的经验和不厌其烦的解 答使我学到了许多课本上学不到的东西。 感谢金浩以及睿仪通信公司的所有员工对我支持。 在这里我要感谢我师兄黄志鹏老师和师姐覃运梅老师，感谢他们在我研究 生期间在我学习生活上的关心和帮助，以及论文期间的悉心指导! 感谢王华、汪成明、耿瑞、李化雷、彭凯、刘洋等同学的支持和帮助! 感谢我的家人，他们对我的关爱、理解和包容使我得以顺利完成学业，感 谢他们为我无私奉献一切! 感谢我所有的同学和朋友，感谢他们的关心和支持! 左正 2 0 0 8 年3 月 第一章绪论 1 1 研究背景 随着市场对能源需求量不断的增大，从而带动了煤炭生产的不断升温。与 此同时国家对煤炭安全生产的日益重视和监管力度的不断加强，我国煤炭行业 均配备了煤矿安全生产监控系统，改善了我国煤矿安全生产状况和提高了生产 效率，并且有效的遏制了重大事故的发生。但是井下动态目标的监控是煤炭行 业多年来期待解决的技术难题，在煤矿生产过程中，众多的井下人员流动分布 在不同的巷道或硐室，电机车等运输设备在大范围内连续的移动变位如果不能 及时监控此类动态目标的实时位置，必将给高效有序的生产调度带来不便降低 生产效率。而一旦发生透水、瓦斯或煤尘爆炸等恶性事故时，因无法及时确定 被困在井下人员的具体位置和各处的人数，势必影响到快速有效的组织施救， 给遇险工人的生命安全增加威胁。开发和完善井下动态目标位置跟踪系统对于 提高生产效率和确保井下人员的生命安全具有十分重要的意义。 随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟以及 现代制造技术的不断提高，一系列具有感知能力、计算能力和通信能力的微型 传感器开始在世界范围内出现。由这些微型传感器构成的传感器网络引起了人 们的极大关注并加速了无线传感器网络的发展。无线传感器网络u 。4 1 ( w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k ，简称w s n ) 是一种全新的信息获取和处理技术，能够通过所部 署的大量无线传感器节点相互协作实时的监测、感知、采集和处理各种环境和 检测对象的信息，这信息被各个节点简单处理以后通过无线方式传送到数据处 理中心或基地站。传感器网络试图使人们在任何时间、地点和任何环境下获取 详实可靠的信息，改变我们与客观世界的交互方式。因此，可以广泛用于国防 军事、环境监测、交通管理、医药卫生等领域。 w s n 中的很多待定应用都依赖于传感器节点或目标物体的地理位置信息， 如果不能明确被感知信息的地理位置，w s n 的功能将大大减弱。而且w s n 的网络 运行和管理也需要节电位置信息的辅助，例如资源的有效配置、计算网络覆盖 范围、基于地理信息的路由和网络的负载均衡等诸多方面。定位问题w s n 系统 布设完成后面临的首要问题，可表述为：依靠有限的位置已知节点，确定部署 区中其它节点的位置，在传感器节点间建立起一定的空间关系。当前对节点定 位问题的研究一般都基于以下前提：1 ) 有一定比例的节点位置已知或具有g p s 定位功能，这些节点的位置可作为定位参考点；2 ) 节点具有测量与邻节点距 离的功能；3 ) 节点不具有自主移动功能。而g p s 的费用相对较高并且对应用环 境有一定的限制，如在室内、水下和地下环境等不能直接使用。由于w s n 节点 成本低，能量有限，随机密集布设等特点，需要研究新的定位方法，这将面临 以下挑战：1 ) 受应用条件及网络内通讯量的限制，不能完全采用集中计算方 式：2 ) 定位时的参考点数量可能极为有限：3 ) 传感器节点计算能力及能量有限， 定位算法不能很复杂：4 ) 在实际的应用中，单个的传感器节点容易受干扰或被 损坏而不能正常工作，因此系统要有一定的环境自适应性瞄3 。 w s n 在不同的应用环境下，是实现定位的难度也有很大差异。井下定位技 术可以借鉴与当前国内外研究的热点“室内定位技术 ，因为两者的应用环境 有诸多相似的地方。 1 2 井下定位系统的研究与发展现状 井下人员定位系统属于煤矿综合监控系统的一部分，国外研制矿井计算机 监控统始于2 0 世纪6 0 年代，我国起步较晚，约始于0 2 世纪8 0 年代后期。随各项 技术进步，以及产品性价比进一步提高，使得监控系统在我国的应用步得到推 广。为了加快实现煤炭工业现代化管理的步伐和避免事故的发生，我国先后从 国外引进了数十套监控系统，这些系统在我国煤炭行业中发挥了一些重要作 用，也为我国研制综合煤矿监控系统提供了很好借鉴。上述系统均是综合型监 测系统，但其都侧重安全参数的检测和控制。同时，这些系统都是早期产品还 不够完善与人性化，存在如下问题： ( 1 ) 性价比过低，系统价格过高，一般矿井难以承受。 ( 2 ) 监控主机的系统软件在文档处理上不够人性化。 ( 3 ) 由于使用的是国外技术，技术服务支持存在困难。 ( 4 ) 近年来技术进步较快，部分技术已经不具备先进性。 由于近年煤矿事故频繁，煤矿安检力度不够，事故发生后对事故现场井下 工作人员救助缺乏足够的信息，造成了不必要的伤亡。矿井下人员定位系统是 对整个监控系统的进一步完善。目前国内外己有类似产品，如澳大利亚约翰 芬雷工程技术有限公司的k j 2 0 1 a 井下人员定位系统，美国安菲斯科技发展有限 公司与澳大利亚矿山技术公司的m s 系统，和国内北京神州鼎天数码信息技术公 司的k j 2 3 6 矿井人员定位考勤系统、中矿华沃电子科技有限公司的k j 2 8 0 井下人 员定位系统和上海秀派电子科技有限公司的井下定位系统。国外的这些系统功 能都还不够完善，造价太高，性能还有待于进一步考证，同时国内的系统也只 是处于研发试用阶段，没有统一标准，功能有待于进一步扩展。就目前的形势， 煤矿企业急需投入成本低、易安装维护、和性能好且人性化的井下定位系统。 针对煤矿目前的现状，关于此项的研究集中在以下几个方面： ( 1 )对煤矿入井人员进行实时跟踪和定位，随时清楚掌握每个人员在井 下的位置及活动轨迹。 ( 2 )如果有情况发生，就可以立即从监控计算机上查询事故现场的人员 分布情况、被困人员数量、遇险人员撤退路线等信息，为事故抢险 提供科学依据。 ( 3 )利用系统的呼叫功能及日常考勤管理功能，对矿井下人员进行管理。 ( 4 )系统的高度自动化和先进的网络通讯 ( 5 )完善的数据分析系统 ( 6 )安全、可靠、在恶劣环境下长时间工作能力 1 3本文的组织结构和主要研究内容 本文共分为六个章节，内容安排如下： 第一章绪论，阐述了论文的研究背景，分析了井下定位系统在矿山安全生 产中的重要性和无线传感器网络在应用前景及在当今网络技术中的重要性，在 此分析的基础上，阐述了本文的主要工作是将两者有机的结合起来。 第二章首先简单介绍无线传感器网络中的核心技术研究，并分析当今几种 流行定位算法。 第三章对井下电磁波传输特性做必要的分析，因为本系统主要是针对煤矿 而设计，所以选取具有代表性的矩形巷道为井下工作环境进行电磁波传输特性 分析，根据分析结果确定基于比较信号接收强度的定位算法，并详细的论述了 该算法。基于比较信号接收强度的定位算法易于在硬件上实现，且满足井下定 位精度的要求。 第四章根据最终确立井下定位算法构建相应的硬件平台，详细的介绍了移 动节点和固定节点硬件设计以及基于无线传感器网络短信平台的开发。 第五章井下定位系统监控终端的软件实现。 第六章竟进行总结并展望下一步应该进行的研究工作。 以下是本文研究的主要内容： ( 1 ) 将无线传感器网络最新的研究成果运用到井下定位系统，即以无线 传感器网络的室内定位技术和通信技术现有的成果为指导，结合井 下定位的实际应用情况，开发基于无线传感器网络的实时井下定位 系统。 ( 2 ) 根据井下定位系统的工作环境、定位精度、以及成本等因素，提出 基于比较信号接收强度的定位算法，以达到精确定位。 ( 3 ) 将c a n 总线用运到井下通信系统中。 ( 4 ) 设计出功能齐全且高性价比的硬件模块，并搭建基于无线传感器网 络的短信平台，实现井下与井上的实时文字通信。 第二章无线传感器网络技术概述和定位算法研究 无线传感器网络目前研究的难点涉及通信、组网、管理、分布式信息处理 等多个方面。为了从系统的角度清晰地阐述各项关键技术间的逻辑关系，如图 2 1 所示的无线传感器网络体系结构。 志田云纺。i 公龠苷住自打f 、期f j l ! l 厂口刀墨：三，l 7 1 刀1 i j 风。旧屉处瑾i 、 上一 础服务巡y- c ：】i l f ) j l i l i ! i ! ! i l f ；l i 多，c ：i l ! ! ；：i l l i j l i 。l i l l i l ! j 多 一 q o s 控制 0 、 ， 路由 卜 = | 6 ) r e t u _ r n ( 0 x 磁 ，薹 甄孙叛，照毋蝴壤。赫缄磁魏岳锄? 。磁落珞觏赢瓣。粼弘赢锄勰锄融磁嬲缎锄藏搬疆 3 2 黟警鬻缈_ ；”。“釜7 。帮够缈嬲黟擎黪燃燃臻黟秒矽缈髑嘲嬲缈黔j 鬻缪 甏 ? w h i l e ( * ( c n b a s e + 诠o x o d j：。 j。?j i j 鬟 菱 * ( c n b a s 砂1 ) = o x 0 4 ；释放接收信息 ：藜 黎 i 繇黝x 0 8 ) 霪 荔枣( 幽鹚盼l 一0 x 0 8 ；溢出数据清除i 攀r e t u r n ( 0 ) ；鬟 毳纛；。；耘名磊办；j 移蟛影。，l ? i 复# 纭锄萎唾瓤糍私貌；磊如袭；。磊；施鑫施；巍确磊荔# 鑫簇磊么菇噶菇。蘸击勰；磊饬膨巍囊施锄么盏 ( 2 ) 发送程序 发送程序完成通信双方约定的帧的发送，发送时把需发送的数据送入发送缓冲 区，然后置位命令寄存器的“发送请求位，s j a l 0 0 0 启动发送，具有如下： j 豫零。| 一 。 。j 7 j * 一 ? ： ? 落j | j ：t ? j 。警呦嘞垆等燃 爹 a l i e nv o i dd a t a s e m t ( u n s i g n e dc h a r * m e s g , u n s i g n e dc h a rl e n ) 7 、 蔼 笺 ( u n s i g n e d c h a r 宰 。霪 嚣u n s i g n e dc h a r , ，i j ； 。 ，鬻 赫荫 爹 i 甜( c n b a s e + 3 x 。 一鬟 擎， i f ( 7 ( i & o x 0 2 ) ) 检查发遂请求 蓬 爹 f o r 0 = 0 ；j l e n ；j + + ) 把发送信息放入发送缓冲器 霪 錾 曲删璩甜嗍；， 。7 袭 蓁， e n b a s e + + ； 锈 蒸 m e s g + + ； ，7 震 爹；凑 錾鸯幽升玲：o x o l ； 发送请求 鬈 罄 ” 秀 爹露：一 ，：，o 翼 貔，锄自菱督蹦兹& 磁靴锄爱袈劾菇叠巍自；磊施蕊。庞癞磊缀菇。绷渤锄纭蠢施纛锄编蕊撅；建磁么荔轰锄籀纛菇轻乏；盔免麓弧磊自i 笼鬈 ( 3 ) 接收程序 报文的接收由c a n 控制器s j a l 0 0 0 独立完成收到的报文放在接收缓 发送给主控制器的报文，由状态寄存器的接收缓冲器状态标志r b s 和接收 r i 标出，主控制器会将这条信息发送到本地的报文存储器，然后释放接收 黟a li e nv o i dd a t a r e c e l r e ( t m s i g n e dc h a r * m e s g 广。7 、“，7 爹 羚 u n s i g n e dc h a ri ，j ： ， 彩 i = ( ( 枣 ” 錾 薮f o r ( j = o ；j l l ：j 十+ ) 接收帧 纛。施锄漱。，磊黝彩酝彩缎z 易缘彩磊。：羲棚癣8 雾，：手，* ( e n b a s e + 1 6 ) 。砀：貔锄# 貔搋镪毛巍西孤 缓缪骖j 谚帮一。二，= = ：誓獬蹬聊嬲贸罄缈戆卿孵黔孵鬻噼穆黟黔磐黟鄹缆 移m e 8 9 十十：，鸳 鍪 。c n b a s e + + ；、 鬟蒸 ” ，7 霪 荔* ( p a e t + 1 ) ：o x 0 4 ：接收缓冲器，l 叛。4 、w 觊”辨露一，_ 。螬瓴、移施k ，j 编搋妊狮萄。j 巍纛赢酿m 磊穗锄搋i i 巍谚赫i 。玺i i 谚岛乞。i 锄吐搋i 瀛1 蕊踮= ；意纛 ( 4 ) 数据处理 数据处理是对接收到的报文根据实际需要进行处理。数据处理部分将在下一节中 叙述，在此不予详细介绍。 霉f、i 鬈”、。“? 翠。繁虢糍豫燃凇| 砰黔黔揽擎鸭鬻麓凇秣糍黔瞩 髟 a l i e n v o i dd 氇t a p r o c e s s v o i d 一l 7 7 ” 溪 囊 ，囊 辇u 。a n t s a i g r n e e e e d ic v h e a ( r 受抛e 玩t t p 险r 。o b b u ；f f 2 0 ：1 ：，7 溪 | | | | d a t a r e e e i v e ( 执t p r 灏f ； ：藿 j 耋 舷 。j 誊 彰t 鏊? 蚀纷麟 ， ， 溪 b 纛一一龋燃么二二锄；二蹴二燃j 骖 、荔 貔t 糍煮彩。碜二；藏躜。，j 嫩镰铩；誊施燃灞燃磊锄磊彩藤蕊蕊蕊瓣磊浚魏锄；荔驻z 缓缆磁貔如蕊艇磊磁藏l 女施g 纛 篪i 搋；磁 4 2 3 防暴和硬件抗干扰 由于井下工作环境复杂，信号的采集、传输等系统运行的每一个环节都会 引入各种各样的干扰。特别是在矿井下有强电设备的生产环境下，电磁干扰非 常严重，容易造成误码，影响系统的准确度，出现漏检情况。因此在煤矿监控 系统中要采取各种抗干扰措施以保证监控系统的正常运行。 干扰对监控系统产生影响必须同时具备三个条件：干扰源、干扰途径和接收 干扰信号的敏感器件，若这三个条件中其中一条不存在，干扰就不会产生影响， 抗干扰的硬件设计方法就是针对这些条件采取不同的措施。因此硬件抗干扰总 的原则是消除干抚源、切断干扰侵入途径和设计低噪声电路。 4 2 3 1 电磁干扰的抑制措施 本系统中移动节点和固定节点的收发系统容易受到各种电磁场干扰的影 响。抑制电磁干扰的主要手段就是采取屏蔽。方式有两种：是设计电路板时 将易干扰的电路或设备等屏蔽起来，以防接收辐射干扰；另一种是将辐射源屏 蔽起来，防止辐射出干扰影响其他电路。另外，系统可以浮置( 如信号地不接 机壳或模拟地) 来阻断干扰电流的通路，设备内部具有辐射能力的电路要独立 远置，以减少对其他电路的影响。 4 2 3 2 过程通道干扰的抑制 光电耦合隔离，光耦具有很强的抗干扰能力，利用光电藕合器件实现输入 输出通道的“电一光一电 的隔离，这样既可以防止外界干扰信号从输入输出 通道串入单片机，又能防止外界高压将系统损坏，并且能防止不同电路共地而 引起的干扰。 使用双绞线作为信号线，可以排除平行互感。因为双绞线具有阻抗高、抗 共模干扰能力强的特点，而且它能使各个小环路的磁感应干扰相互抵消，其分 布电容为几十皮法，距离信号源近，可起到积分作用，故双绞线对电磁场干扰 和共模噪声也有一定的抑制效果。 对长线传输进行适当地阻抗匹配，即要求信号源的输出阻抗、传输线的特 性阻抗与接收端的输入阻抗相等。否则，信号在传输线上会产生反射，造成失 真。 将信号接收电路设计成差动输入方式，可以有效地消除伴随有用信号进入 系统的共模干扰信号。 主信号传输线采用屏蔽电缆，将屏蔽层接地，以提高抗电磁干扰的能力。 4 2 3 3 印制电路板的抗干扰 电路板是微机系统中器件、信号线、电源线高密度集合体，对抗干扰性能 影响很大，电路板设计、布线及接地不妥可能使整个系统无法正常运行。 故设计固定节点和移动节点的印刷电路板时考虑了如下抗干扰的设计原 则： 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通， 并使信号尽可能保持一致的方向；以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它 来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在p c b 上，尽量减少和缩短各 元器件之间的引线和连接。在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布 参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观而且装焊容易。 易于批量生产。位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2 m m 。电 路板的最佳形状矩形，长宽比为3 ：2 成4 ：3 。电路板面尺寸大于2 0 0 x 1 5 0 m m 时， 应考虑电路板所受的机械强度。印制导线拐弯处一般取圆弧形，而直角或夹 角在高频电路中会影响电气性能。此外，尽量避免使用大面积铜箔，否则长 时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。必须用大面积铜箔时，最好用栅格 状，这样有利于排除铜箔与基板间粘合剂受热产生的挥发性气体。 4 3 t i n y o s 系统研究 在传感器网络中，传感器网络操作系统作为其必要的软件支持主要进行较 复杂的任务调度与管理，它运行在每个网络节点上，是其他上层应用和协议运 行的基础。由于无线传感器网络应用的多样性，节点上的操作系统必须能够根 据内存! 处理器以及能量满足应用严格的需求，也必须能够灵活地允许多种应 用同时使用系统资源，如通讯、计算和存储由于硬件的约束，使其不可能使用传 统的嵌入式操作系统”在无线传感器网络工作中，两个重要的问题值得关注：设 备是高度的并发( 几个不同的数据流必须保持同时活动) ；系统必须提供高效 的模块性( 特定的硬件和特定的应用组件必须能使用少量的处理和内存开销捆 绑在一起) 。t i n y o s 是目前应用较广的操作系统。为了使它能够更好的与实际 工作环境相结合，有必要对t i n y o s 作必要的分析和改动。本节主要是对t i n y o s 的体系结构、运行机制和通讯机制进行分析。 4 3 1t i n y o s 的特点和体系结构 伯克利大学开发t i n y o s 采用了组件的结构，它是一个基于事件的系统它 是由n e s c 语言实现的，n e s c 是一种编写模块化结构应用的新型语言，主要用于 嵌入式系统如传感器网络。其设计的主要目标是代码量小、耗能少、并发性高、 鲁棒性好，可以适应不同的应用。完整的系统由一个调度器和一些组件组成，应 用程序与组件一起编译成系统。组件由下到上可分为硬件抽象组件、综合硬件 描述组件和高层系统软件组件，高层组件向底层组件发出命令，底层组件向高 层组件报告事件。调度器具有两层结构，第一层维护着命令和事件，它主要是 在硬件中断发生时对组件的状态进行处理；第二层维护着任务( 负责各种计 算) ，只有当组件状态维护工作完成后，任务才能被调度。t i n y o s 的组件层次 结构就如同一个网络协议栈，底层的组件负责接收和发送最原始的数据位，而 高层的组件对这些位数据进行编码、解码，更高层的组件则负责数据打包、路 由和传输数据。t i n y o s 体系结构如图4 1 0 所示。 图4 - 1 0t i n y o s 体系结构不意图 t i n y o s 的应用运行环境一般由以下几部分实现：m a i n 组件( 调度程序) ， 一个可选择的系统组件集合( 仅仅是应用需要的组件) 以及为应用定义的组件。 t i n y o s 的这种体系结构使得用户可以快速便利地实现应用用户不需要关心物 理层( h p l 层) 层的具体实现细节和节点硬件所提供的功能，只需要使用系统 组件层提供的服务来满足具体的应用需求硬件描述层的独立抽象，增强t i n y o s 的移植性通过硬件抽象层对硬件平台合理的描述，可使操作系统内核基本和具 体的硬件无关，从而容易地实现不同平台间的移植，这样就简化了嵌入式操作 系统内核的移植工作，进而说明了t i n y o s 可以更好的满足传感器网络节点硬 件的变化。 4 3 2t i n y o s 运行机制分析 t i n y o s 程序通过并口导入到节点从之上，节电一旦加电程序就会运行。实 际上在r o m 空间的零地址上是个跳转指令。加电之后的程序首先运行这个跳 转指令，将控制转向程序的真正的代码处，这之后程序才真正开始执行。 t i n y o s 的所有组件都需要一个通用的主要组件即m a i n 组件。在程序的配 置文件中将该组件进行绑定。ma i n 组件提供了一个初始化和运行t i n y o s 组件 的接口s t d c o n t r o l 。但是真正实现这个接口的组件应当是应用程序组件。从下 面代码中可以看出m a i n 组件究竟完成功能。 m a i n 组件本身的实现是另外一个组件r e a l m a i n ，它才是真正的m a i n 。以下 是r e a l m a i n 完成的功能： 爹 篆 錾 舞， f 7 秒粥驴甥彬缪”嬲。静缪鳓彬黝嘲。彰黝黟移湖黟弩嬲? 锄黝缪缈嬲鬻mo d u l e 7r e a l m a i n 、 薹 u s e s 蘧 e n 覆r e s u l t 七h 积d 瓣覆爹q i n i t ( ) ：、1 翼 i n t e r f a c es t d c o n t r a t 。： 、 ， 霪 i n t e r f a c ep o t ； 一。囊 秀 ，j 。 一 鬓 i 印王e 戳n 毛a t i o n 。 、 霪 。 霪 i n tm a i n )a t t r ib u t t ( ( e ，s p o n t a n e o u s ) ) 篱 嬲 j c a l c a l i p o t 妇i n i 羔t ，7 鎏 ( 1 0 ) ： ， 缓 t o s l t _ s e h e d ；i n i t0 ： 。、， 7 霪 ，：钐 纛 c a l 王s 屯t r b l ti n i t0 ：、 、囊 鞭。 c a l ls t d c o n t r o l ，s t a r t0 ； 。” 荔 嚣 n e s e _ e n a bl e _ in t e r r u p t0 ； 毳 彰 j， z 霪 爹。 嚣魏21 e ：霉 荔t o s h _ r u n - t a s k 0 ；凑 鍪 ， ” 慧 篱， 纛 毽蝴气。j 妊锄玢。渤i 移二l 蝙。铲玩锤赫? 蠢j 扳。赫p 慨勿? i 毂? 。一蝣jj j 。二，? 。j ? 。母，易2 强一i ，貔 由以上代码上可以看到r e a l m a i n 完成了应用程序组件的初始化任务其中 包括硬件初始化、调度器的初始化等，程序执行后会先进行硬件的初始化，然 后初始化组件，至于组件的初始化如何完成，则取决于实际应用中用户编写的 组件初始化函数，因为m a i n 组件使用的s t d c o n t r o l 接口需要在用户编写的组 件里绑定到其初始化函数中最后r e a l m a i n 组件开始运行队列中的任务。 t i n v o s 的调度队列是个先进先出的循环队列。整个队列中至少有一个空 闲位置。应用程序可以调用p o s t - - t a s k 将一个新的任务加到队列中。当没有 中断发生时。调度器会从队列中取出一个任务执行。任务执行过程中可以被打 断。如果队列中任务为空。处理器会进入睡眠状态，等待被其它事件激活。 t i n y o s 提供任务加事件的两级调度。任务一般用于对时间要求不高的应 用，它实际上是一种延迟计算机制。任务之间互相平等，没有优先级之分，所 以任务的调度采用简单的f i f o 。任务间互不抢占，而事件可抢占。即任务一旦 运行，就必须执行至结束，当任务主动放弃c p u 使用权时才能运行下一个任务， 所以t i n y o s 实际上是一种不可剥夺型内核。内核主要负责管理各个任务，并 决定何时执行哪个任务h 引。 为了减少中断服务程序的运行时间，提高中断响应的快速性，t i n y o s 把 些不需要在中断服务程序中立即执行的代码以函数的形式封装成任务，在中断 服务程序中将任务函数地址放入任务队列，退出中断服务程序后由内核调度执 行内核使用一个循环队列来维护任务列表。在默认情况下，任务列表大小为8 。 内核根据任务进入队列的先后顺序依次调度执行t i n y o s 调度模型有以下特点： ( 1 ) 任务单线程运行到结束，只分配单个任务栈，这对内存受限的系统很 有利： ( 2 ) 没有进程管理的概念，对仟务按简单的f i f o 算法进行调度。对资源采 取预先分配，且日前这个队列里最多只能有7 个待运行的任务； ( 3 ) f i f o 的任务调度策略是电源敏感的当任务队列为空时，处理器休眠， 随后由外部事件唤醒c p u 进行任务调度； ( 4 ) 两级的调度结构可以实现优先执行少量同事件相关的处理，同时打断 长时间运行的仟务； 图4 - 1 1 t i n y o s 通信组件流程图 ( 5 ) 基于事件的调度策略，只需少量空间就可获得较好的并发性，并允许 独立的组件共享单个执行上下文。和事件相关的任务集合可以很快被处理，不 允许阻塞，有高度并发性。 4 3 3t i n y o s 中的通讯机制分析 t i n v o s 中的通讯遵循a m 通讯模型。消急中包含有消息类型及消息处理函 数，在消息到达目的地址后，该消息处理函数被调用。通讯功能的实现也是通 过由低到高的组件之间的通讯实现的，如图4 1 1 所示。 应用程序直接使用的组件是g e n e r i c c o m m 数据将依次经过a m s t a n d a r d 、 r a d i o c r c p a c k e t 和s e c d e d r a d i o t 3 y t e s i g n a l 等组件的处理与编码之后通过硬 件发送出去。接受的过程恰好与之相反。 应用程序组件要发送数据需要引用系统组件g e n e r i c c o m m 、g e n e r i c c o m m 组件是t i n v o s 的最基木的网络通讯栈。它是一个配置( c o n f i g u r a t i o n ) 文件， 可以在t o s s v s t e m g e n e r i c c o m m n c 中找到，该组件提供的接口中有两个最重 要的接口，分别为：s e n d m s g u i n t 8 一ti d 和r e c e i v e m s g u i n t 8 一t i d ，供用户 调用来发送和接受消息，并且使用了很多底层的接口来实现通讯从这个文件 中我们可以看到真正实现这些接口的组件由a m s t a n d a r d 来完成a c t i r e m e s s a g e 的发送和接收、u a r t n o c r g p a c k e t 来实现了通过串口进行通讯、 r a c l i o c r c p a c k e t 来实现了通过无线进行通讯等等接口s e n d m s g 和r e c e i v e m s g 都是参数化接口参数i d 就是前面说的h a n d l e ri d 接口s e n d m s g 中包含 c o m m a n d ss e n d 和e v e n t ss e n d d o n e 而它们由组件a m s t a n d a r d 中相应接口来完 成的。 4 4 本章总结 本章分析井下系统的工作原理，提出井下定位系统的解决方案，并根据井 下工作的特殊环境构建合理的通信网络和设计相应的硬件设备。从研究所要构 建通信网络的特殊要求入手；从研究所要设计硬件产品的特殊功能入手，选择 合理的组网方式和总线、选择合适的器件型号，对具体的选型特点、硬件电路 的设计方法和t i n y o s 系统关键技术作出了比较详细的分析与论述。 第五章井下定位系统监控终端的软件实现 本章对井下定位系统监控终端的软件实现经行了较为详细的论述，内容包 括监控终端软件功能的需求分析、监控终端软件的总体设计以及工主要功能模 块的实现。 5 1 监控终端软件功能的需求分析 监控终端收集从井下的固定节点采集到的数据，并在工控机上显示和处 理，以便操作人员观察、查询和分析；同时，操作人