（通信与信息系统专业论文）基于无线传感器网络的煤矿瓦斯监测系统.pdf

江苏大学硕士论文 摘要 随着我国经济的持续高速发展，对于煤矿资源的需求不断上升。这给我国煤 矿开采带来了很大的压力，同时也使我国煤矿生产中存在的基础设施落后，安全 生产管理薄弱等问题进一步凸显出来。近年来，我国的煤矿事故发生频繁，造成 了巨大的人员伤亡，同时也给我国经济带来了很大的损失，煤矿生产安全已成为 我国当前亟待解决的问题。 在煤矿安全问题中，瓦斯气体浓度是煤矿安全监测的重要指标之一。论文首 先对国内外煤矿安全现状进行了分析，然后分析了现有煤矿瓦斯监测系统的特点， 结合无线传感器网络，提出了基于无线传感器网络的煤矿瓦斯监测系统的设计思 想。进而根据已有的设计思想将基于无线传感器网络的煤矿瓦斯监测系统分为采 集与传输系统和监测与管理系统，将论文的设计目标定为对于采集与传输系统的 设计。 根据采集与传输系统的设计需求，提出固定结点与移动结点两类结点的实现 方法并对两类结点进行了软硬件设计。硬件设计从它的功能开始考虑，建立了由 传感器模块、控制器模块、无线通信模块和电源模块组成的硬件模型，对各模块 又分别进行了元器件的选型和具体电路的设计，最终得到了硬件电路原理图及印 制电路板图。软件设计同样从功能开始考虑，将软件实现分为瓦斯数据采集与处 理模块和瓦斯数据传输模块进行设计，给出了各模块的实现流程并对各模块具体 实现进行了详细的考虑与设计，着重对瓦斯数据传输模块中的路由协议进行了分 析、设计，提出了适合矿井无线传感器网络的路由协议并对路由协议进行了功能 测试，对测试结果进行了分析。最后对整篇文章的工作做了总结并对无线传感器 网络在更广阔领域的应用进行了展望。 论文首先提出了全新的煤矿矿井瓦斯浓度监测系统设计思想，并在此基础上 提出了硬件模型和软件模型，选择了适合煤矿矿井的路由协议。所有这些在国内 煤矿瓦斯监测系统设计领域内都属于具有明显特色的设计，对于我国的煤矿瓦斯 监测会有较大的实用价值。 关键词：煤矿瓦斯监测，无线传感器网络，a t m e g a l 2 8 ，c c 2 4 2 0 ，无线传感器 网络路由协议，o m n e t + + 江苏人学硕士论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y , t h ed e m a n do fc o a lm i n e r e s o u r c e sh a sc o n t i n u o u si n c r e a s e d t h i ss i t u a t i o nm a d eg r e a tp r e s s u r eo nc o a lm i l l e e x p l o i t a t i o n ，a tt h es a m et i m e ，t h ep r o b l e mo fb a s ee q u i p m e n t sg e tb e h i n da n ds a f e p r o d u c ew e a k n e s sb e c a m em o r ea n dm o r ed i s t i n c t n e s s r e c e n ty e a r , c o a lm i n ea c c i d e n t o c c u r si no u rc o u n t r ya th i g hf r e q u e n c y ，m a k e sh u g ep e r s o nf a t a l i t ya n db r i n gg r e a t l o s i n gi ne c o n o m y c o n s e q u e n t l yc o a lm i n es a f e t yh a sb e c o m ea nu r g e n c ep r o b l e mi n o u rc o u n t r y i nc o a lm i n es a f e t yp r o b l e m ，g a ss t r e n g t hi so n eo fa ni m p o r t a n ts a f e t yi n s p e c t i o n f a c t o r s t h i sp a p e ra n a l y s i st h ec o a lm i n es a f e t ya c t u a l i t yi no u rc o u n t r ya n df o r e i g n c o u n t r i e sf i r 咄t h e na n a l y s i st h ec h a r a c t e r i s t i co fc o a lm i n eg a si n s p e c ts y s t e m ， c o m b i n e dw i t hw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，h a v ea ni d e ao fac o a lm i n eg a si n s p e c ts y s t e m b a s e do nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k t h e nd i v i d et h es y s t e mi n t ot w op a r t s ：t h eo n ei s g a t h e ra n dt r a n s f e rs y s t e m ，t h eo t h e ri si n s p e c ta n dm a n a g es y s t e m ，a tl a s t ，c o n f i r mt h e g a t h e ra n dt r a n s f e rs y s t e ma st h ed e s i g ng o a lo ft h i sp a p e r b a s e do nt h ed e s i g nd e m a n do f g a t h e ra n dt r a n s f e rs y s t e mh a v ea na c h i e v e m e a s u r ei sf i x e dn o d ea n dm o b i l en o d e t h e nd e s i g nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o r t h e s et w ok i n d so fn o d e s h a r d w a r ed e s i g nt h i n k sf r o mi t s f u n c t i o n ，e s t a b l i s ha h a r d w a r em o d e lc o n t a i n ss e n s o rm o d u l e ，c o n t r o l l e rm e d u l e ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n m o d u l ea n dp o w e rs u p p l ym o d u l e c h o o s ec h i p sa n dd e s i g nc i r c u i tf o re a c hm o d u l e ，a t l a s tc r e a t et h eh a r d w a r ec i r c u i tp r i n c i p l ec h a r ta n dp c bc h a r t s o f t w a r ed e s i g na l s o t h i n k sf r o mi t sf u n c t i o n ，e s t a b l i s has o f t w a r em o d e lc o n t a i n sg a sd a t ag a t h e ra n dd i s p o s e m o d u l ea n dg a sd a t at r a n s f e rm o d u l e d e s i g ne a c hm o d u l e sa c h i e v ef l o w , t h i n k i n ga n d d e s i g n i n gc a r e f u l l yf o re a c hm o d u l e a n a l y s i sa n dd e s i g nt h er o u t ep r o t o c o li nt h eg a s d a t at r a n s f e rm o d u l e ，b r i n gf o r w a r daw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kr o u t ep r o t o c o lu s e di n c o a lm i n e ，a n dt e s tt h ep r o t o c o l sf u n c t i o n a tl a s ts u m m a r i z et h ej o bi nt h i sp a p e ra n d p r o s p e c tt h ef o r e g r o u n do fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki nv a s t e rd o m a i n f i r s t ，t h i sp a p e rb r i n gf o r w a r daw h o l en e wd e s i g nt h i n k i n go fc o a lm i n eg a s i n s p e c ts y s t e m b a s e do nt h et h i n k i n g ，b r i n gf o r w a r dh a r d w a r em o d e la n ds o f t w a r e 翌蔓查堂堡笙奎 m o d e l ，c h o o s er o u t ep r o t o c o ls u i t f o rc o a lm i n eu s i n g a l lo ft h e s ea r en e wa n d c h a r a c t e r i s t i ci nd o m a i no fc o a lm i n eg a si n s p e c ts y s t e mi no u rc o u n t r y nc a np r o v i d e c o n s u s e f u lr e f e r e n c ef o rr e s e a r c ho fc o a lm i n eg a si n s p e c ts y s t e mi n o u r c o u n t r y k e yw o r d s ：c o a lm i n eg a si n s p e c t ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，a t m e g a l 2 8 ，c c 2 4 2 0 ， w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kr o u t ep r o t o c o l ，o m n e t + + 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论 文的全部内容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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密d 学位论文作者签名：壑傻、 词年6 月i u 日 指导教师签名：p 静堠 知。) 年占月州日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：赵值 日期：词年6 月- 日 扛苏大学硕上论文 第一章绪论 1 1 研究背景 煤炭资源作为我国国民经济发展的支柱，是维持我国经济持续高速发展的重 要保障，煤炭资源的开采即采矿业一直以来都是我国重要的基础产业。我国地大 物博，资源丰富，煤炭资源储量占世界总储量的1 1 6 ，煤炭资源总量为5 6 万亿 吨，已探明保有储量为1 万亿吨，占世界探明总储量的1 1 。相对于另外两种重要 资源石油和天然气而占，煤炭在我国既具有储量优势又具有成本优势，且分布极 为广泛，因此在可以预见的未来，煤炭仍将是我国的主要能源和重要的战略物资。 尽管煤炭在能源结构中的比例呈不断下降的趋势，但煤炭工业在国民经济中的地 位将是长期而稳固的。 当前，我国煤矿安全生产状况不容乐观，安全生产体系并不完善，煤矿安全 问题己成为构建社会主义和谐社会的极大障碍，是政府在新的行政过程中亟待解 决的问题。我国煤矿生产面临着诸多困难，如地质构造复杂、开采条件差、机械 化程度低、安全设施不完善、技术水平低、从业人员素质低，这是长期困扰我国 煤矿生产的主要难题，是制约我国煤矿安全生产的主要障碍，也是我国煤矿行业 存在的基本现状。总体上而言，我国煤矿正走着一条高投入、高耗能、低产出、 低回报的粗放型的经济增长道路，安全问题特别突出。近年，我国平均每7 4 天 发生一起特大煤矿事故远远高出世界平均水平，我国采煤效率仅为美国的2 2 。 南非的8 1 。百力吨死亡率是美国的1 0 0 倍，南非的3 0 倍。我国煤矿安全事故频 频发生，主要是由以下几方面原因造成的：一，某些行业投资过热导致需求的激 增；市场经济条件下，每个经济人都在追求自身利益的最大化，煤矿生产者同样 如此，电解铝、钢铁、水泥等高耗能行业的投资过热，使得煤炭供应特别紧张， 尽管各地生产者不遗余力的超负荷生产，但在现有的生产能力和生产条件下，也 一度出现了煤荒现象，在煤炭行业市场化的情况下，需求的激增必然导致煤炭价 格的急剧上涨。煤炭行业已完全处于买方市场，在这种情况下，煤矿行业的利润 是惊人的，在巨大的经济利益驱动下，不少生产者不借铤而走险，通过减少安全 投入的手段来降低生产成本，以获得最大限度的超额利润。但这样做会带来两大 负面影响，一是引发行业内部恶性竞争，别的生产者纷纷仿效，减少安全投入， 【苏大学硕t ：论文 大矿乱干，小矿蛮干，超负荷生产，必然导致大规模的安全欠债，导致安全问题 的出现。二是其他行业的生产者看到煤矿行业有利可图，便纷纷转入煤矿行业， 而这些新的生产者大多没有经过专业的培训和考核，极容易出现安全事故和安全 问题。二，地方政府监督严重缺位；煤矿行业虽然已经实行了市场化，复合经济 发展大潮，但是完全的市场调节具有很大的盲目性、自发性、滞后性等市场自身 无法克服的弱点和缺陷，这就需要政府的宏观调控，而煤矿事故频发在很大程度 上都归咎于地方政府职能的严重缺位，也就是说，政府对煤矿行业的宏观调控的 力度不够大，方法不够科学，绩效不够明显。只要政府认真执行安全生产的相关 法令，严格煤矿行业的市场准入，对于不具备生产能力和生产条件的生产者不予 认可，不准生产，地方政府严格把关，那么不具备生产条件的小生产者就没有市 场，虽然现在强调许多行业要放开市场准入，但对于关系社会稳定、人民安全和 国民经济命脉的重要行业和重要领域政府高度重视，认真对待，严格准入制度。 三，煤矿行业从业人员素质偏低；煤矿行业从业人员大多数是农民工，没有经过 专业的生产技能培训和安全生产培训，大多数也没有接受过高层次的教育，因而 素质普遍偏低，安全生产意识薄弱，自救能力和自救意识不强，往往在生产过程 中没有严格执行安全生产的相关规定，在发生突发事件后不知所措，不能有效的 自救。四，煤矿分布的自然条件恶劣和生产设旋落后，安全设旅不完善；我国煤 矿储量大、分布广但大部属于地下矿，瓦斯浓度高，因此开采难度较大，技术要 求高，在开采过程中稍有不慎，便可能引发重大事故。我国煤矿生产的特点决定 了我国煤矿生产成本高，而大多数生产者又属于小企业主，缺乏足够的资金和技 术，因此很多煤矿生产者在安全设施的配备上显得力不从心，同时地方财力有限， 地方财政转移的力度不够，造成煤矿生产设备落后、安全设施不完善，这无疑给 安全生产埋下了隐患。 国外煤矿安全现状相比较国内具有较大优势，无论从煤矿开采效率，百万吨 死亡率，发生煤矿安全事故起数以及死亡人数等指标都明显优于国内。近年来， 波兰煤矿安全状况逐年好转，矿山发生的事故总次数从1 9 9 8 年的7 7 6 8 次降到2 0 0 0 年的3 8 6 8 次，下降了约5 0 ；事故死亡人数从1 9 9 8 年的5 0 人降到2 0 0 0 年的3 7 人，下降了2 6 。煤矿的事故死亡人数从1 9 9 8 年的3 4 人降至2 0 0 0 年的2 8 人。而 在1 9 4 6 年至1 9 5 0 年，波兰硬煤矿井事故严莺，百万吨死亡率平均为5 9 5 ，1 9 5 4 年是事故最严重的一年死亡人数达5 9 2 人，百万吨死亡率为6 4 6 。 2 江苏大学硕t 论文 美国煤矿安全状况与产量趋势如下图所示，从1 9 7 0 年到2 0 0 5 年美国煤矿产 量增加了8 5 ，死亡率下降了9 2 ，美国煤矿生产也朝着高产出，低事故的方向发 展。 u s c o a lm i n es a f e t y a n dp r o d u c t i o nt r e n d s 图卜1 美国煤矿安全与产量趋势 煤矿安全监测系统需考虑对于煤矿矿井内的瓦斯、粉尘、火灾、水灾、顶板 压力等多方面因素的监测。当前，我国矿井内使用的安全监测系统大多采用有线 监测方式，如常州市三恒自动化仪表有限公司生产的l ( j 7 0 型煤矿安全监控系统， 东恒发展有限公司的k j 9 0 型煤矿综合监控系统，w m i s 煤矿安全生产信息实时监 测系统。0 0 以k j 7 0 监控系统为例，它具有如下优势与特点：1 ) 系统全面执行新 版防爆标准、监控标准及新版的煤矿安全规程。2 ) k j ? 0 监控软件选用成熟的编程 软件为平台进行开发，操作简单，功能较强。3 ) 拥有软件容错、纠错技术，提高 了系统的可靠性。4 ) 功能齐全，人机界面友好，操作方便；具有语音报警功能， 可配接各种子系统。5 ) 系统采用差分平衡式无地线传输方式，数据传输质量高， 抗干扰能力强。6 ) 全隔离式监控分站，由多路不问断供电。7 ) 分站在接传感器 时可不区分模拟量、数字量。8 ) 馈电状态、设备开停等传感器既可一对一连接， 也可采用总线连接。9 ) 分站具有第二传输接e l ，可以接子站或智能传感器。7 0 系统软件具有如下功能：1 ) k j ? 0 系统软件分为单机板和网络版，用于全矿井安全 3 江苏大学颈七论文 生产的监测监控，组成全矿井监测信息管理中一g , i 并可通过网络实现监测信息实 时共享。2 ) k j 7 0 系统软件平台采用组态王软件，具有人机界面友好，操作简单方 便，功能强大等优点。系统具有容错纠错功能，人为的误操作不影响系统的正常 运行。3 ) 所有功能操作均具有在线帮助功能；根据需要可随时显示监测数据、图 形、曲线和报警点及数值。图形功能丰富直观，点击图形即得所需测点信息。4 ) 具有自检及自诊断功能，系统能自动切除故障区域，非故障区域仍能正常运行； 传感器、区域故障等均能自动诊断及报警提示。5 ) 具有模拟量、数字量的实时曲 线、历史曲线功能。6 ) 具有班、日、月报表功能。7 ) 所有数据、图形、曲线、 表格等都可在监测主机、大屏幕及工作站上显示，显示部分可以分为多个画面， 每个画面的设置及画面的监测内容可以随意划分和添加，不同的内容可以任意组 成一个画面。8 ) 7 0 系统中心站计算机可对任一监控分站进行控制断电，异地断 电直至整个矿井范围的异地组合断电。 文中设计的基于无线传感器网络的煤矿瓦斯监测系统采用无线通信技术，实 现对于矿井下瓦斯数据的采集与监测，弥补了有线监测方式存在的两方面缺陷： 一、系统对于线路依赖性强，受布线局限；二、当某一结点发生故障，会使局部 区域失去监测能力，具有实际的研究价值。 1 2 意义与目的 无线传感器网络在煤矿瓦斯监测系统中的应用具有重大的理论意义和极大的 现实意义。 首先，无线传感器网络足近年来新兴的热门研究领域，结合无线传感器网络 在煤矿瓦斯监测系统中的研究需求，在网络拓补控制，网络协议，网络安全，时 间同步，定位技术，无线通信技术等各方面都存在非常有价值的研究领域。1 网络 拓补控制。对于无线自组织的传感器网络而占，网络拓补控制具有特别重要的意 义。通过拓补控制自动生成的良好的网络拓补结构，能够提高路由协议和m a c 协 议的效率，可为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面奠定基础，有利于节 省结点的能量束延长网络的生存周期；2 网络协议。传感器网络协议负责各个独立 的结点形成一个多跳的数据传输网络，目前研究的重点足网络层协议和数据链路 层协议。网络层的路由协议决定监测信息的传输路径；数据链路层的介质访问控 制用来构建底层的基础结构，控制传感器结点的通信过程和工作模式；3 网络安全。 4 江苏大学硕士论文 无线传感器网络作为任务型网络，不仅要进行数据的传输，而且要进行数据采集 和融合、任务的协同控制等。如何保证任务执行的机密性、数据产生的可靠性、 数据融合的高效性以及数据传输的安全性，就成为无线传感器网络安全问题需要 全面考虑的内容；4 时间同步。时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个 关键机制；5 定位技术。位置信息通常足传感器结点采集数据中不可缺少的部分， 没有位置信息的监测消息通常毫无意义。为了提供有效的位置信息，随机部署的 传感器结点必须能够在布置后确定自身位置。由于传感器结点存在资源有限、随 机部署、通信易受环境干扰甚至结点失效等特点，定位机制必须满足自组织性、 健壮性、能量高效、分布式计算等要求；因此，无线传感器网络在煤矿瓦斯监测 系统中的应用对于无线传感器网络的研究具有重大的理论意义。 其次，无线传感器网络在煤矿瓦斯监测系统中的应用具有重大的现实意义。 目i i 现有的煤矿瓦斯监测系统大多采用有线方式进行监测，有线监测方式存在两 方面缺陷：一，由于采用有线方式传输，系统对于线路的依赖性较强，在矿井内 某些地方会存在布线困难的情况；二，有线方式的煤矿瓦斯监测系统，当某些结 点出现故障，就会导致监测区域内局部地方失去监测功能。基于无线传感器网络 的煤矿瓦斯监测系统能够圆满的解决有线方式监测系统所存在的问题，如果能够 实现，具有极大的推广价值，拥有良好的市场| ；订景。因此，无线传感器网络在煤 矿瓦斯监测系统中的应用具有很大的现实意义。 1 3 研究的主要内容 文中将要设计一个用于煤矿瓦斯监测的无线传感器网络系统，通过阅读大量 的国内外有关文献及理论知识的学习，提出了无线传感器网络用于煤矿瓦斯监测 系统的总体方案，设计了用于煤矿瓦斯监测系统的无线传感器网络结点硬件及用 于煤矿瓦斯监测的无线传感器网络结点的软件，对软件设计中的路由协议的设计 作了着重的分析，并给出了结点硬件的实现以及软件路由的仿真对仿真结果进行 了分析。 5 扛苏大学碗t 论文 第二章系统总体方案设计 2 1 煤矿瓦斯监测系统体系结构 考勤系统、 调度系统 办公自动化系 统、监控中心 压风机测控系统、 中央风井测控系统 p 9必 l j 竺由二 汇聚结点 地面部分 井下部分 图2 - 1 煤矿瓦斯监测系统总体框图 图2 一l 为煤矿瓦斯监测系统总体框图。煤矿瓦斯安全系统可分为两个子系统， 分别为采集与传输系统( 井下部分) 和监测与管理系统( 地面部分) 。采集与传输 系统实现对于煤矿矿井内瓦斯数据的采集与传输功能；监测与管理系统实现的功 能是对采集与传输系统采集的数据进行分析处理，并根据实时监测数据所显示的 需求对矿井内的执行器件发出相应的控制命令。在采集与传输系统及监测与管理 系统之问会存在一个无线传感器网络的汇聚结点，该结点的作用足实现两个系统 6 江苏大学硕士论文 之间的数据传输，相当于两个系统之间的一个网关结点。 文章的主要设计内容是设计一个基于无线传感器网络的煤矿瓦斯采集与传输 系统。该系统实现对于矿井内矿工工作区域的瓦斯浓度实时监测，并将采集数据 传输给监测与管理系统，供监测与管理系统分析使用。 2 2 煤矿瓦斯监测系统硬件组成 煤矿瓦斯监测系统硬件分为两部分，分别为采集与传输系统硬件和监测与管 理系统硬件。其中采集与传输系统硬件包括煤矿瓦斯监测的两类结点：固定结点 和移动结点，瓦斯传感器，井下无线传感器网络与地面监测网络的接口结点即汇 聚结点；监测与管理系统硬件包括考勤、调度系统硬件，办公自动化系统硬件， 压风机测控系统和中央风井测控系统硬件。 2 3 煤矿瓦斯监测系统软件结构 面部分 下部分 图2 2瓦斯监测系统软件结构 图2 - 2 为煤矿瓦斯系统软件结构图。整个煤矿瓦斯监测系统软件可分为七个 模块。分别是采集与传输系统的瓦斯数据传输模块、瓦斯数据处理模块、瓦斯数 据采集模块、瓦斯数据转发模块；监测与管理系统的各传感器结点瓦斯数据实时 收集模块、分析、处理、存储和显示各传感器结点的瓦斯数据模块、传感器瓦斯 7 苏大学颈 论文 报警阈值的设置和报警信息处理模块。 在采集与传输系统中，瓦斯数据采集模块主要负责结点初始化，模拟信号的 ，d 转换功能；数据处理模块主要负责采集数据的滤波、格式变换根据阈值判断 瓦斯传感器是否失效或瓦斯是否超限、根据判断结果设置状态显示或声光报警等 功能：瓦斯数据传输模块主要负责数据传输所要用到的协议，适合矿井无线传感 器网络的路由协议和数据收发程序设计。 在监测与管理系统中，各传感器结点瓦斯数据实时收集模块负责对采集与传 输系统所传输数据的收集；分析、处理、存储和显示各传感器结点的瓦斯数据模 块负责将收集模块收集到的数据进行分析、处理并存入对应空间和实时显示数据 功能；传感器瓦斯报警闽值的设置和报警信息处理模块负责对各传感器报警阈值 进行设置并对报警信息进行分级处理功能。 8 江苏大学颤士论文 第三章结点硬件电路设计 3 1 移动结点硬件电路设计 3 1 1 移动结点硬件组成结构图 图3 一l 为移动结点硬件组成结构图。它由四个子功能模块组成，分别为传感 器模块、控制器模块、无线通信模块和电源模块。 图3 - i 移动结点硬件组成结构图 3 1 2 移动结点硬件组成原理图 考虑成本、体积、功耗等因素，经过元器件的选型后，可得到移动结点硬件 组成原理图。图3 2 为移动结点硬件组成原理图。 3 1 3 移动结点硬件组成 3 1 3 1 传感器模块 图3 - 2 移动结点硬件组成 移动结点中传感器模块实现的功能是对矿井内的瓦斯浓度进行采集并将采集 的信息经过相应的处理后传送给控制器模块。考虑到移动结点由矿工随身携带， 在矿井中是动态分布的，并且移动结点是依靠矿工身上的蓄电池作为电源，因此， 移动结点的传感器选择时不同于固定结点的传感器选择，在考虑成本等条件的前 9 江苏大学颈 论文 提下还需要考虑体积和功耗的因素。图3 3 为微型瓦斯传感器外型图。表3 一l 为 传感器性能指标表。 图3 3 微型瓦斯传感器外型图 表3 - 1 传感器性能指标表 报警浓度 1 响应时间2 0 秒 恢复时间3 0 秒 工作环境温度1 5 + 5 0 ， 静态功耗1 5 0 m w 报警状态功耗3 0 0 m w 供电电压 3 5 vi ) c 图3 4 为微型瓦斯传感器电路结构图。微型瓦斯传感器电路由信号放大电路、 信号调理电路、处理器组成。 微 信信 a i 型 号 号 瓦 放调d ia t m e g * 1 1 2 8 斯 大理 毒l 处理器 估 电 电 感 路路 器 3 1 3 2 控制器模块 图3 - 4 微型瓦斯传感器电路结构图 控制器在整个结点硬件中起着核心的作用，它对传感器采集的数据进行处理 并将处理后的数据控制无线通信模块发射出去。在控制器的选择过程中需要考虑 控制器存储空间大小、控制器的功耗、体积、成本等因素。最终，我们选择了 a t m e g a l 2 8 单片机芯片。图3 5 为控制器原理图。 1 0 江苏大学硕士i 仑空 图3 5 控制器原理图 u 7 1 a t m e g a l 2 8 是a t m e l 公司发布的a v r 8 位r s i c 系列微控制器的最高档品 种。有以下特点：1 ) 高性能、低功耗的；2 ) 采用r s i c 结构，有1 3 3 条指令集，3 2 个通用工作寄存器，全静态工作，工作于1 6 m h z 时性能高达1 6 m i p s ；3 词e 易失 性程序和数据存储器，1 2 8 k 字节的在系统可编程f l a s h ，寿命达到1 0 0 0 0 次擦写 周期，具有独立锁定位、可选择的启动代码区，通过片内的启动程序实现系统内 编程，4 k 字节的e e p r o m ，寿命达到1 0 0 0 0 0 次擦写周期，4 k 字节的内部s r a m ， 6 4 k 字节的优化外部存储器空间，可以对锁定位编程以实现软件加密，可以通过 s p i 实现系统内编程4 ) j t a g 接口，遵循j t a g 标准的边界扫描功能，支持扩展的 片内调试，通过j t a g 接口实现对f l a s h ，e e p r o m ，熔丝位和锁定位的编程。5 、 两个具有独立的预分频器和比较器功能的8 位定时器计数器，具有独立预分频器、 比较功能和捕捉功能的1 6 位定时器计数器，具有独立预分频器的实时时钟计数 器，两路8 路p w m ，6 路分辨率可编程的p w m ，输出比较调制器，2 个可编程的 串行u s a r t ，可工作于主从机模式下的s p i 串行接口，具有独立片内振荡器的可 编程看门狗定时器，拥有片内模拟比较器。6 ) 5 3 个可编程i o 口线，6 4 引脚t q f p 与6 4 引脚m l f 封装。所有这些特点都说明a t m e g a l 2 8 系列单片机无论从功能等 方面都适合于文中设计的结点硬件中控制器的使用。 1 1 苏大学硬 沧空 图3 - 6a t m e g a l 2 8 芯片结构框图 图3 - 6 为a t m e g a l 2 8 的芯片结构框图。a t m e g a l 2 8 是具备高效的指令集和单 周期指令执行时间，a t m e g a l 2 8 的数据吞吐率商达1 m i p s m h z ，可以缓解系统在 功耗和处理速度之间的矛盾。芯片核心采用哈佛结构，所有的寄存器都直接与算 术逻辑单元( a l 叻相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内访问两个独立的寄 存器。这种结构大大的提高了代码效率，并且具有比普通的复杂指令集微处理器 高十倍的数据吞吐率。整个芯片内部有3 2 个8 位的通用寄存器，并且内置硬件乘 法器。在这咀堆栈向下生长，这一点与m c s 5 1 的生长方式是不相同的，即将数据 压入堆栈时堆栈指针s p 寄存器减小，a t m e g a l 2 8 有5 3 个通用i o 口。如果作为通 用数字i ，0 口时，所有的管脚都有真正的读一修改一写功能，各脚均可独立的选择 输入输出方向。在复位时所有端口处于没有上拉电阻的状态，对外呈现高阻态， 管脚电平完全由外部电路决定，这一点在强调复位后状态的场合是很有用的。启 动装载功能提供自我编程机制，使得m c u 可以自己下载或上载程序，通过驻留在 f l a s h 中的自引导加载程序，m c u 可以方便地更新应用程序。 1 2 江苏大学颈士论文 a t m e g a l 2 8 提供多种中断源，每个中断源和复位都有独立地程序向量。每个 中断都有独立地使能位，并且有一个总使能位。在5 v 、2 5 下，a t m e g a l 2 8 地工 作时钟频率为0 8 m h z ，内置的r c 振荡器的引入可减少外围器件的数量。 a t m e g a l 2 8 的输出比较调制器可以产生一个载波调制信号。调制器的两个输 入分别为1 6 位定时计数器的输出比较单元和8 位定时计数器2 的输出比较单元。 调制结果是载波在待调制信号的控制下通断。 a t m e g a l 2 8 可以作为主器件或从器件支持s p i 接口，且从器件地址可以编程、 具备多个主机仲裁功能；在s l e e p 模式下，可以通过地址识别将器件从该状态唤 醒。此接口通过7 位地址寻址，最多可接1 2 8 个从器件，很多外围器件有此接口， 如l c d 控制器模块、电源管理电路、实时时钟芯片、存储器等，因此该接口非常 有用。a t m e g a l 2 8 有2 个u s a r t ，有别于以前的1 个u a r t ，使用起来非常灵活。 除了一般u a r t 所具有的功能外，这两个串口均可工作在同步或异步方式下，同 步方式时可以选择内时钟和外时钟，有专用的时钟电路，无须占用定时器。 a t m e g a l 2 8 有j t a g 口，可采用低价调试系统。a t m e g a l 2 8 以a t m e l 的高 密度非易失性内存技术生产的。片内的i s p f l a s h 可以通过s p i 接口、通用编程器， 或引导程序多次编程。引导程序可以使用任何接口来下载应用程序到应用f l a s h 存 储器。在更新应用f l a s h 存储器时引导h a s h 区的程序继续运行，实现读一修改一 写操作。通过将8 位r s i cc p u 与在系统可编程的f l a s h 集成在一个芯片内， a t m e g a 为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的方案。 江苏丈学颂上论文 p 酉 n x d m0 1 1 0 c k w n mp e 2 e 2 m c 黝m 瑚p e f ：, c a o t m t u r e t p 鼬 0 a l q t t t t i 目 圜 曙c 札甩1 o s t l 柙l s 0 ) k 伪l i 口c 1 p e t 劭p 鼬 熏甄；霆笔星匠譬星仨茬星宅蔷莹星三2 0 岫d 劬 p 4 d m r 6 f o p 7 、 r l 岫 吣7 弘嘞 p c e 班堋 陀e 江菊 弘动 陀，刚 p c 2 汕 嚼 f 咒0 枷j 面 图3 7 a t m e g a l 2 8 芯片引脚图 图3 7 为a t m e g a l 2 8 芯片引脚图。a t m e g a l 2 8 采用贴片式6 4 脚封装。各管 脚定义如下： v c c 电源。 g n d 数字模拟地。 8 位通用i o 端口，包括p o r t a ( p a 7 p a 0 ) 、p o r t b ( p b 7 p b o ) 、 p o r t c ( p c t p c 0 ) 、p o r t d ( p d 7 p d 0 ) 、p o r t e ( p e 7 p e 0 ) 、p o r t f ( p f 7 p f 0 、。 这些端口均为8 位双向i o 接口，具有独立的可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲 器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉 电阻使能，则端口被外部电路拉低，对外输出电流。复位发生时，不论系统时钟 工作与否，端口既成为三态。 5 位i o 端口g ( p g 4 p g 0 ) p o r t g 为5 位双向i 0 端i s i ，具有独立的可 编程内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输入和吸收大电流。 作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端 1 被外部电路拉低，对外输出电流。 复位发生时，不论系统时钟工作与否，端口既成为三态。 砌三s e t ( 低电平有效) 是复位输入引脚。通过该引脚，超过最 b f - j 限的低电 平将引起系统复位。但是，低于最小门限时间的脉冲却不可能可靠的保证复位。 x t a l i 反向振荡器放大器及片内时钟操作电路的输入。 1 4 豁毫 再仑：工) 8 口8 d i 王。巴 鲁a d ( 石1 1 日8br58一 奄日a足6pz：星 高口一2 i i 皇一言g u口pfluo 矗一萱主 目g g 擘 矗；。m口”一 lo，ug 江苏大学硕 论文 a 1 2 反向振荡器放大器的输出。 a v c c 是端口f 以及a d c 转换器的电源，需要与v c c 相连接，即使没 有使用a d c 也应该如此。使用a d c 时应该通过一个低通滤波器与v c c 连接。 a r e f 是a d c 的模拟基准输入引脚。 p e n 是s p i 串行下载的使能引脚。在上电复位时保持p e n 为低电平，将 使器件进入s p i 串行下载模式。 3 3 3 无线通信模块 无线通信模块在整个结点中所起的作用是将控制器处理后的信号发送出去并 接收其他结点发送出来的信号。在无线通信模块的选型过程中同样需要考虑体积、 成本、功耗，发射功率选择，以及无线信号的传输频段。图3 - 8 为c c 2 4 2 0 无线通 信原理图。 图3 8c c 2 4 2 0 无线通信原理图 选择c c 2 4 2 0 芯片的原因是c c 2 4 2 0 芯片具有如下特点：1 1 9 j 1 ) c c 2 4 2 0 芯片是 适合基于基带调制和媒体访问控制协议( m a c ) 支持的i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的 2 4 g h z 的单一芯片；2 ) 基带调制直接序列扩频技术和2 5 0 k b p s 有效数据传输率； 3 ) 适合全功能设备和精简功能设备运作；4 ) 低电流耗费；5 ) 低供应电压；6 ) 可编 程输出功率；7 ) 没有外部射频转换需求：8 ) 极少的外部组件；9 ) 1 2 8 位数据缓冲； 1 0 ) 硬件加密技术；1 1 ) 电源监测技术；1 2 ) 灵活的功能强大的可用开发工具。尤其 玎苏大学颂论文 是由于c c 2 4 2 0 芯片支持i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，更使它成为我们的首选。 图3 9c c 2 4 2 0 芯片引脚图 图3 9 为c c m 2 0 芯片引脚图。 a g n d ：接地引脚，该引脚必须严格接地。 v c og u a r d ：电源引脚，连接到电压控制振荡器屏蔽的防护环。 a v d dv c o ：电源引脚，电压控制振荡器1 8 v 电源引脚。 a v d dp r e ：电源引脚，预比例器的1 8 v 电源引脚。 a v d dr f l ：电源引脚，射频前端的1 8 v 电源引脚。 r fp ：射频输入输出引脚，接收发送模式下将射频输入输出信号从电源 放大器送到低噪放大器的主动引脚。 t x r xs w i t c h 电源引脚，整个射频| ； 端的公用电源引脚，必须通过外 部直流线路将p fp 和r fn 连接。 r fn ：射频输入输出引脚，接收发送模式下将射频输入，输出信号从电源 放大器送剑低噪放大器的被动引脚。 江苏大学顽t 论文 g n d ：接地引脚，射频屏蔽的接地引脚。 a v d ds w ：电源引脚，低噪放大器和电源放大器切换的1 8 v 电源引脚。 a v d dr f 2 ：电源引脚，接收和发送混频器的1 8 v 电源引脚。 a v d di f 2 ：电源引脚，发送接收中间频率链的1 8 v 电源引脚。 a v d d _ a d c ：电源引脚，数模转换器和模数转换器模拟部分的1 8 v 电源 引脚。 d v d d _ a d c ：电源引脚，模数转换器接收的数字部分的1 8 v 电源引脚。 d g n d - g u a r d ：接地引脚，数字噪声隔离的接地引脚。 d g u a i m ：电源引脚，数字噪声隔离的1 8 v 电源引脚。 r e s e r r n ：数字输入，异步，主动低数字重置引脚。 d g n d ：接地引脚，数字核的接地引脚。 d s u bp a d s ：接地引脚，数字盘的底层接地引脚。 d s u bc o r e ：接地引脚，数字模块的接地引脚。 d v d d 3 3 ：电源引脚，数字输入输出的3 3 v 电源引脚。 d v d d l 8 ：电源引脚，数字核的1 8 v 电源引脚。 s f d ：数字输出引脚，s f d 数字混频输出引脚。 c c a ：数字输出引脚，c c a 数字混频输出引脚。 f i f o p ：数字输出引脚，f i f o 中的字节数目超越上限时输出高测试模式下 连续的r f 时钟输出引脚。 f i f o ：数字输入输出引脚，f i f o 中有数据输出高测试模式下的连续r f 输入输出引脚。 c s n ：数字输入引脚，s p i 片选信号输入引脚。 s c l k ：数字输入引脚，s p i 时钟输入引脚，1 0 m h z 。 s i ：数字输入引脚，s p i 从输入引脚。 s o ：数字输出引脚，s p i 从输出引脚。 d v d d r a m ：电源引脚，数字r a m1 8 v 供电引脚。 a v d d x o s c l 6 ：电源引脚，1 8 v 晶振电源引脚。 x o s c l 60 2 ：模拟输入输出引脚，1 6 m h z 晶振2 脚。 x o s c l 6 _ q 1 ：1 6 m h z 晶振1 脚或外部时钟输入引脚。 v r e ge n ：数字输入，电压调节使能引脚。 1 7 江苏大学颈 论文 也go u t ：电源输出，电压调节1 8 v 输出引脚。 r gi n ：电源引脚，2 1 3 6 v 的电压调