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论文题目：矿井温度参数无线监测系统的研究 专业：检测技术与自动化装置 硕士生：苏云川 ( 签名) 瘩3 云! ! i 指导教师：宋柏( 签名) 摘要 在环境监测方面，无线传感器网络技术具有显著的优势。目前，该项技术还处于研 究和探索阶段。因此，对无线传感器网络技术的研究，特别是对其工程应用方面的研究 具有重大的意义。本课题就是把无线传感器网络技术z i g b e e 的最新研究成果应用到实际 工程项目中，提出了一种矿井安全监测系统，实现井下的环境监测功能。以取代传统矿 井安全监测系统的总线式数据传输和r f d 定位，具有节点布置简易，方便移动，不易 损坏，定位精度高以及成本低廉等优势。 本文通过对z i g b e e 、蓝牙、w i f i 等无线通信技术的比较，采用z i g b e e 技术作为本 系统的无线通信方式，深入探讨了该技术的优势。对单片机p i c l 8 l f 4 6 2 0 和射频芯片 c c 2 4 2 0 的功能结构和工作原理进行了研究，用它们设计了z i g b e e 无线射频模块，完成 了智能传感器无线通信平台的硬件搭建。对传感器d s l 8 8 2 0 与z i g b e e 模块的接1 2 1 进行 了设计。给出了无线数据采集系统的整体硬件结构框图，设计了传感器节点和中心节点 的温度报警软件程序。在p c 机上借助串口调试工具对网络的运行情况进行了实时地监 测，检测了预警系统运行结果，测试结果达到了预期的要求。 关键词：煤矿安全监测；z i g b e e ；c c 2 4 2 0 ；p i c l 8 l f 4 6 2 0 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：t h et e m p e r a t u r ep a r a m e t e r sw i r e l e s sa n do b s e r v a t i o n s y s t e m sr e s e a r c ho fm i n e s p e c i a l i t y ：d e t e c t i n gt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i ce q u i p m e n t n a m e ：s uy | u n c h u a n i n s t r u c t o r ：s o n gb a i a b s t r a c t ( s i g n a t u 代) 至垡 立垒! 丛堕垒 ( s i g n a t u r e i ne n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n ga s p e c t ，t h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k i n gh a st h er e m a r k a b l e s u p e r i o r i t y s o ，i th a st h es i g n i f i c a n ts i g n i f i c a n c et ow i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k i n gr e s e a r c h , e s p e c i a l l yt oi t sp r o j e c ta p p l i c a t i o na s p e c t sr e s e a r c h t h i st o p i ca p p l i e st h en e w e s tr e s e a r c h r e s u l t so ft h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k i n gz i g b e ei nt h er e a l i t ye n g i n e e r i n gp r o j e c t ，p r o p o s e s o n ek i n do fm i n es a f e t yo b s e r v a t i o ns y s t e m ，a n dr e a l i z e st h em i n ee n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g f u n c t i o n i tc a ns u b s t i t u t ef o rt h et r a d i t i o nm i n es a f e t yo b s e r v a t i o ns y s t e m sm a i nl i n et y p e d a t at r a n s m i s s i o na n dt h er f i dl o c a l i z a t i o n i tm a k et h en o d ea r r a n g e m e n ts i m p l e ，t h e m i g r a t i o nc o n v e n i e n lt h et h i n gs o l i d ，t h ep o i n t i n ga c c u r a c yh i g h , t h ec o s ti n e x p e n s i v ea n ds o o n t h i sa r t i c l ec o m p a r e st h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yo fz i g b e e ，b l u e t o o t h , w i - f ia n d5 0o n w eu s e dz i g b e et e c h n o l o g yt om a k et h i ss y s t e m sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n w a y , a n dd i s c u s s e dt h es u p e r i o r i t yo ft h i s t e c h n i c a ls u p e r i o r i t y t h o r o u g h l y w eh a v e r e s e a r c h e dt h em o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i tp i c18 l f 4 6 2 0a n dt h er a d i of r e q u e n c yc h i p c c 2 4 2 0 sf u n c t i o ns t r u c t u r ea n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l e w ed e s i g n e dt h ew i r e l e s sr a d i o f r e q u e n c ym o d u l ew i t ht h e m , a n dc o m p l e t e dt h ei n t e l l i g e n ts e n s o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n p l a t f o r mh a r d w a r eb u i l d i n g w ed e s i g n e dt h ec o n n e c t i o no ft h es e n s o rd s 18 8 2 0a n dm o d u l e z i g b e e w eh a v eg i v e nt h ew i r e l e s sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m so v e r a l lh a r d w a r ea r c h i t e c t u r e d i a g r a m , a n dd e s i g n e dt e m p e r a t u r ew a r n i n gs o f t w a r er o u t i n eb e t w e e nt h es e n s o rn o d e a n dt h e c e n t r a ln o d e o nt h es e r i a lp o r td e b u g g i n ga i d so fp cm a c h i n e ，w ed e m o n s t r a t e dt h en e t w o r k o p e r a t i o n a la s p e c tr e a l - t i m e ，a n de x a m i n e dt h em o v e m e n tr e s u l to ft h ew a r n i n gs y s t e m t h e t e s tr e s u l th a sm e tt h ea n t i c i p a t e dr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：c o a lm i n es a f e t ym o n i t o rz i g b e e c c 2 4 2 0p i c18 l f 4 6 2 0 t h e s i s 妻料技太擎 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位做作者签名：教云日期：2o d 宕6 q 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本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和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：篆云i ，l 指导教师签名： j r 丰5 o 舻年己月l 。日 1 绪论 i | i l l i 葺置i 宣i i 昌暑宣葺皇暑皇暑 1 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，己探明保有 储量为l 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 言，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，煤矿安全问题已 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，我国煤矿安全事故频频发生。 自2 0 0 0 年以来，随着国家对煤炭企业安全生产要求的不断提高和企业自身发展的 需要，我国各大、中、小煤矿陆续在装备矿井监测监控系统。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。 生产过程中矿井结构在不断变化，加之有些坑道空间狭小，对通信线路的延伸和维 护提出了很高的要求，若线路施工不及时就会造成漏检。有线的安全监测系统存在以下 缺点： ( 1 ) 、监测点相对固定，容易出现监测盲区。 ( 2 ) 、工作现场的通信线路容易破坏，破坏后的恢复周期一般较长。 ( 3 ) 、通信线路维护成本高，造成部分厂矿出现边维护、边生产的违规现象，甚至有 些厂矿干脆不维护。 ( 4 ) 、有线通信方式布线复杂，劳动强度高，不方便。 ( 5 ) 、网络结构相对固定，不适合掘进工作面延伸的动态变化要求。【l l 】 在过去的8 0 多年里，无线网络技术取得了突飞猛进的发展。将无线通信技术应用 到矿井监测系统中，已成为当务之急。 西安科技大学硕士学位论文 1 2 课题的提出 无线网络的应用领域随着技术的不断发展而扩展。无线传感器技术是继因特网之 后，将对2 l 世纪人类生活生产方式产生重大影响的i t 热点技术。2 0 0 3 年，美国商业 周刊在其未来技术专版中发表文章指出，传感器网络是全球未来的四大高技术产业之 一，将掀起新的产业浪潮。 目前，各种无线传输技术群起林立，应用广泛。每个技术都有其立足的特点，或满 足传输速度、距离、耗电量的特殊要求，或着眼于功能的扩充性，或符合某些单一应用 的特别要求。各种短距离无线通信技术都在争取成为市场标准。现阶段主要的无线短距 离通信技术有w i f i 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 、n f c ( n e a rf i e l dc o m m u n i c a t i o n ) 、超宽带( u l t r a w i d eb a n d ：u w a ) 和z i g b e e 等技术。下表1 1 列出了几种无线通信技术的性能比较。 表1 1 几种无线通信技术的性能比较 从上表中可以看出，针对蓄电池监测系统中无线网络数据流量小、适时性要求不高 等情况，z i g b e e 具有的低成本、低功耗、网络容量大以及性能可靠等优点，非常适合于 矿井监控领域。 因此，为了降低煤矿生产隐患，遏制煤矿安全事故，对矿井温度参数进行全方位、 无人值守的实时监测和智能预警，本课题从探索无线传感器网络应用领域的角度出发， 将无线网络技术z i g b e e 应用于煤矿安全监测领域，研究了无线传感器网络结构及协议， 并在理论研究的基础上，设计出一套适合井下数据传输的无线数据发送系统。 2 2 系统设计的基础知识和总体方案 2 1z i g b e e 技术 2 系统设计的基础知识和总体方案 2 1 1z i g b e e 协议栈 z i g b e e 是一组基于i e e e 批准通过的i e e e 8 0 2 1 5 4 无线标准研制开发的，有关组网、 安全和应用软件方面的技术标准。从整体上划分，z i g b e e 协议栈符合o s i 体系结构， 由物理层( p h y ) 、媒质访问控制子层( m a c ) 、网络层( n w k ) 和应用层( a p l ) 组成。 网络层以上的协议由z i g b e e 联盟负责，i e e e 则制定p h y 层和m a c 层标准。z i g b e e 联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的 远距离传输不会被其它节点获得。每层功能通过两个实体实现：数据实体和管理实体，其 中数据实体实现数据传输功能，管理实体提供其它功能，并通过s a p ( h 艮务访问点) 为其 上层或下层提供服务，每个s a p 都支持一些原语。完整的z i g b e e 协议栈模型如下图2 1 所示。 图2 1 z i g b e e 协议栈 物理层由射频收发器以及底层的控制模块构成，定义了物理无线信道和m a c 子层 之间的接口。物理层的功能包括从无线物理信道上收发数据，激活和休眠射频收发器， 信道能量检测，检测接收数据包的链路质量指示，空闲信道评估等。为抗干扰，z i g b e e 在物理层采用直接序列扩频( d s s s ) 技术。i e e e s 0 2 1 5 4 总共定义了3 个工作频 带：2 4 g h z , 9 1 5 m h z 和8 6 8 m h z ，在三个频带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。在中心频率为8 6 8 3 m h z 频段只有一 个信道：在9 1 5 m h z 频段划分为1 0 个信道，每个信道占2 m h z 。在2 4 g h z 频段划分为 1 6 个信道，每个信道占5 m h z 。 3 西安科技大学硕士学位论文 m a c 层通过c s m a c a 机制控制对无线信道的多路访问。这一层的主要任务是进 行信标传输和同步，设备间的无线链路的建立、维护和断开，确认模式的帧发射和接收， 信道接入和控制，帧校验，快速自动请求重发，预留时隙管理，广播信息管理，以及提 供可靠的点对点通信等。 网络层提供建立、加入和离开网络，进行选路转发数据的功能。此外，还要负责路 由表和邻接表的维护。网络层主要考虑采用基于a dh o e 技术的网络协议，拓扑结构的搭 建和维护，命名和关联业务，包含了寻址、路由。有自组织、自维护功能，以最大程度 减少消费者的开支和维护成本。 a p l 层在n w k 层构建的z i g b e e 网络之上，提供了应用级支持，使得不同厂商生 产的z i g b e e 设备可以互操作。a p l 层包括a p s 子层，应用框架( a f ) ，以及z i g b e e 设 备对象( z d o ) 。a p s 子层是传统意义上的传输层，负责维护绑定表并且在绑定设备之 间转发数据，实现了在不同设备的不同端点上的数据传输。z d o 负责初始化协议栈并 且负责接收和处理远程设备的不同请求，使用a p s 子层的传输能力提供一些与设备相 关的服务。应用框架上定义了a p l 的两种帧类型，以及配置文件和群集的概念。【8 】 物理层是靠硬件来实现的；m a c 层部分靠硬件实现，部分靠软件实现；其它层都 是靠软件实现。 2 1 2z i g b e e 数据帧 z i g b e e 规范定义了四种帧类型：数据帧、命令帧、应答帧和信标帧。这里只介绍一 下数据帧。数据帧分为两种类型：k v p 帧( k e y v a l u ep a i r ，键值对) 和m s g 帧( m e s s a g e s e r v i c et y p e ，报文) 。 k v p 帧通过一种规定来标准化数据传输格式和内容。在这种帧中定义了传输的数据 和所进行的处理，接收方在接收到之后应该根据其要求进行处理。k v p 帧主要为传输控 制信号等小数据而专门定义的，主要用于传输较简单的变量值格式。 m s g 帧在数据传输格式和内容上并不作更多规定，主要用于专用的数据流或文件 数据等数据量较大的传输机制。这种格式没有对其数据的意义进行说明，完全由应用开 发者定义处理方式。通常在无法使用k v p 帧时才使用这种类型。 每一后继的协议层帧都是在其前一层添加或者剥除了帧头和帧尾而形成，m a c 层 硬件可支持自动帧格式生成。下面介绍各层的帧结构。 ( 1 ) 、应用层 应用层帧格式如下表2 1 所示。 4 2 系统设计的基础知识和总体方案 暑暑宣宣i 暑昌暑昌昌昌暑；宣i 葺置i ；i i i i i 宣萱i 暑宣暑宣宣宣宣；i 宣i i i i i 置暑暑暑i i ；i i i i i i 宣葛暑i i 暑宣暑宣j i 皇i i i 宣置宣宣宣暑宣宣i 暑暑i r i i i li 叠 表2 1 应用层帧格式 字节：1 o 1o 1 o 2 o l 可变长 帧控制 目的端点簇标识符文件标识符源端点帧负载 地址域 a p s 帧头a p s 负载 在a p s 帧头中，源端点可有可无。如果没有，则占用0 个字节空间；如果未被省 略，则占用1 个字节空间。其它域类似。 帧控制域占用1 个字节的空间，里面包含帧类型、安全性等信息。 ( 2 ) 、网络层 网络层帧格式如下表2 2 所示。 表2 2 网络层帧格式 字节：2 22o 1o 1 可变长 帧控制目的地址源地址广播半径域广播序列号帧负载 路由帧 n w k 帧头n w k 负载 ( 3 ) 、m a c 层 m a c 层帧格式如下表2 3 所示。 表2 3m a c 层帧格式 字节：2 1o 2o f 2 80 2q | 2 | 毫 可变长 2 帧控制序列目的p a n目的源p a n 标源地帧负载帧校验序 号标识符地址识符址 列 地址域 m a c 帧头m a c 负载m a c 帧尾 在上表中，目的地址和源地址可有可无。如果是1 6 位短地址，就是2 字节的长度； 如果是6 4 位长地址，就是8 字节的长度 ( 4 ) 、物理层 物理层帧格式如下表2 4 所示。 表2 4 物理层帧格式 字节：41l可变长 前同步码帧定界符帧长度( 7 b i t )预留位( 1 b i t )p h y 净荷 同步包头物理层包头 在上面各层的帧格式中，应用层、网络层、m a c 层都有帧控制域，各层的帧控制 域里面的内容是不相同的。 5 西安科技大学硕士学位论文 2 1 3 一些重要的概念 在实际应用中，我们可能会碰到一些陌生术语，比如簇、端点等。下面介绍一下本 系统中常用到的几个重要的概念。 ( 1 ) 、端点( e n d p o i n t ) 典型的z i g b e e 节点可支持多种特性和功能。例如，i o 节点可能有多种数字和模拟 输入输出。一些数字输入可能被一个远程控制器节点用到，而其他数字输入可能被另 一个远程控制器节点使用。这种分配将创建一个真正的分布式控制网络。为了便于在f o 节点和两个控制器节点之间进行数据传输，所有节点中的应用程序必须保存多个数据链 路。为了减少成本，z i g b e e 节点仅使用一个无线信道来和多个端点接1 2 来创建多条虚 拟链路或信道。 从应用角度看，通信的本质就是端点到端点的连接( 例如，一个带开关组件的设备 与带一个或多个灯组件的远端设备进行通信，目的是将这些灯点亮) 。每个应用对象通 过一个端点连接到z i g b e e 堆栈的余下部分，它们都是器件中可寻址的组件。 一个z i g b e e 节点支持3 2 个端点( 编号为0 3 1 ) 和8 个接口( 编号为o 7 ) 。端点0 用于整个z i g b e e 设备的配置和管理。应用程序可以通过端点0 与z i g b e e 堆栈的其它层 通信，从而实现对这些层的初始化和配置。附属在端点0 的对象被称为z i g b e e 设备对 象( z d o ) 。端点3 l 被保留仅用于广播，剩下的总共3 0 个端点用于应用，每个端点总共 有8 个接口。因此，实际上，应用在一个物理信道中最多可能有2 4 0 条虚拟信道。所有 端点都使用应用支持子层( a p s ) 提供的服务。 ( 2 ) 、属性( a t t r i b u t e s ) 属性就是具体的数值。一个典型的z i g b e e 节点也将有很多属性。例如，i o 节点包 含称为数字输入1 、数字输入2 、模拟输入1 等的属性。每个属性都有自己的值。例如， 数字输入l 属性可能有值l 或0 。属性的集合被称为群集。在整个网络中，每个群集都 被分配了一个惟一的群集i d 。每个群集最多有6 5 ，5 3 6 个属性。 ( 3 ) 、簇( c l u s t e r ) 簇是应用对象之间共享信息所需的全部属性的容器。在特殊应用中使用的簇在模板 中有定义。端点之间的通信是通过称之为簇的数据结构实现的。每个接口都能接收( 用 于输入) 或发送( 用于输出) 簇格式的数据。 ( 4 ) 、标识符( i d e n t i f i e r ) 标识符就是具体某一项东西的一个代号。就好像一个具体的人，要给它起个名字， 有一个身份证号，这个身份证号就是i d 。 可以举个具体的例子。温度就是c l u s t e r ，具体的温度值就是a t t r i b u t e s 。在通信时， 首先基于温度这个簇来进行通信，具体传输的就是温度值这个属性。 6 2 系统设计的基础知识和总体方案 在一个c l u s t e r 里，可以有多个a t t r i b u t e s 。 2 2 系统总体方案 系统设计的总体方案图如下图2 2 所示。 井下 图2 2 总体方案图 在矿井下的主要巷道上铺上一些通信线缆，每隔一段适当的距离，在通信线缆上设 置一个无线网络中心节点。在这些中心节点的周围，可以在适当的地方安放一些传感器， 每个传感器就称为一个传感器节点。传感器节点采集所处位置的瓦斯、温度、风速、甲 烷、一氧化碳、煤尘、矿尘等数据，当采集到的数据达到报警范圈内时，就以无线通信 的方式，向中心节点发送报警信息和当前采集到的数据值。当中心节点收到报警信息时， 通过有线骨干网，通知给井下指挥中心。这时，井下指挥中心的工作人员就可以采取相 应的措施，来预防事故的发生。或者，中心节点不通知给井下指挥中心，而是直接向周 围的作业人员发出报警信息。 在中心节点和传感器节点的无线通信方式中，我们采用的是星形网络拓扑结构。中 心节点和其周围的若干个传感器节点就构成了一个简单的z i g b e e 星形网络，中心节点 相当于星形网络的z i g b e e 协调器，其周围的若干个传感器节点相当于z i g b e e 终端设备。 通信线缆可以由双绞线或光纤链路组成，作为主要的通信链路，根据巷道的实际布 局和需要以及检测工作面的变化分段进行铺设。 无线网络中心节点由无线模块和数据处理模块组成，负责完成数据的收发和网络状 态的监控，是无线网络与有线网络相连接的桥梁，它为无线传感器数据提供接入服务。 无线网络传感器节点，一般由电池供电，具有数据采集和无线路由功能。并将这些 数据处理后，按照网络协议封装成数据包传送给其它节点。传感器节点根据是否经常移 动，分为相对固定节点和移动节点两类，相对固定节点主要安排在工作面的固定位置， 用于采集工作面的环境数据、感知现场信息，将现场信息通过自组网的方式实时地传送 到无线中心节点，保持无线链路畅通；移动节点主要用于每个作业工人或作业机器所处 位置的监测，可以安装在煤矿工人的矿灯上，也可以安装在挖掘机等设备上，还可以随 机安装在瓦斯涌出变化较快的关键位置。 有一点是要值得说明的。在传感器节点向井下指挥中心传送信息的过程当中，如果 7 西安科技大学硕士学位论文 j ii 1 1 m 1 1 1 1 1 l 全部采用无线通信的数据传输方式，由于z i g b e e 节点传送距离的限制，可能要采取树 形网络拓扑结构，降低了数据正确传输的可靠性，提高了工作成本。如果全部采用有线 通信的数据传输方式，就会提高工人工作劳动强度，加大工作量。因此，在本系统中， 采用无线通信和有线通信相结合的数据传输方式，无疑是一个明智的选择。 在本次设计中，本人重点研究的就是中心节点和传感器节点之间无线通信的实现。 选用易于实验测试的温度传感器，来代表瓦斯、风速等其它类型的其它传感器。传感器 的本质都是将非电量的变化转化为电量的变化。不论选用哪种类型的传感器，其在系统 中工作的基本过程都是一样的。如果需用检测其它类型的物理量，只用变换一下传感器 类型，硬件接口和软件协议作相应的修改。协调器节点称作中心节点，也称作c o o r d i n a t o r 节点；终端设备节点称作传感器节点，也称作r f d 节点。在本系统的温度信息传送中， 我们使用温度簇来实现。协调器节点是温度簇的请求方，传感器节点是温度簇的发送方。 下面详细介绍本系统硬件和软件的设计。 8 3 系统硬件设计 3 系统硬件设计 3 1 硬件系统概述 为了减少功耗和缩小器件的体积，z i g b e e 标准中提出了两种类型的设备：精简功能 设备r f d ( r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ) 和全功能设备f f d ( f u l lf u n c t i o nd e v i c e ) 。r f d 和 f f d 所包含的协议完整性是不同的，在网络中它们能充当的角色是不一样的。由于f f d 具备一个完整的协议栈，因而f f d 可以充当网络协调器的功能，网络协调器可以进行 网络的组织，修复等功能，但它所耗费的能量也远大于r f d 。而r f d 则处于被动的地 位，它可以自动检测活动的网络，根据需要传送数据，或者进入休眠状态，以节省能量。 下表给出f f d 和r f d 两种设备的比较。 表3 1f f d 与r f d 的性能比较 全功能设备( f f d )简化功能设备( r f d ) 存储、能量需求大 结构、实现复杂 可以和r f d 以及其它f f d 通讯 可作为协调器、路由器、终端节点 可组成星型，网状，树状网络 存储、能量需求小 结构、实现简单 只能与f f d 通讯 只能作为终端节点 可组成星型，网状，树状网络 z i g b e e 无线网络可采用多种类型的配置。星型网络配置由一个协调器节点( 主设备) 和一个或多个终端设备( 从设备) 组成。协调器是实现了一组很多z i g b e e 服务的一种 特殊的全功能设备。协调器节点必须是f f d 设备；传感器节点可以是f f d 设备，也可 以是r f d 设备。在本设计中，两节点都采用的是f f d 设备。一个典型的z i g b e e 节点硬 件由微控制器模块和无线射频模块组成，还可外接传感器、报警器或步进电机等其它应 用对象。 在本系统的协调器节点中，微控制器选用单片机p i c l8 l f 4 6 2 0 ，无线射频芯片选用 的型号为c c 2 4 2 0 。另外，微控制器通过r s 2 3 2 串口与p c 机c o m 口相连，可将网络 的运行信息在p c 机上实时地显示出来。协调器节点的总体硬件结构图如下图3 1 所示。 勺 月控制k o o 勺 _ 。 n r s 2 3 2 机 桫 p 啊 小 js p ik o 图3 1协调器节点总体硬件结构 9 西安科技大学硕士学位论文 在上图中，微控制器模块起核心控制的作用，无线射频模块起无线收发数据的作用。 微控制器与无线射频模块通过s p i 方式相互通讯，微控制器采用主模式，无线射频模块 采用从模式。 在本系统的传感器节点中，其选用的硬件芯片与协调器节点是相同的。只不过多了 一个传感器，此传感器的具体型号选用d s l 8 8 2 0 。传感器节点的总体硬件结构图如下图 3 2 所示。 3 2 无线射频芯片模块 o 一口 控制r j y o 田 。 一 o n p 唧 厶 。a 厶 o 。r s 2 3 2 ， s p i o 机 o p 图3 2 传感器节点总体硬件结构 3 2 1c c 2 4 2 0 的内部结构及引脚 c c 2 4 2 0 是c h i p c o n 公司在2 0 0 3 年底推出的，是首款符合z i g b e e 技术的高集成度 工业用射频收发器件，工作于免授权的2 、4 g h z 频段，其m a c 层和p h y 层协议符合 i e e e8 0 2 1 5 4 规范。其外形图如下图3 3 所示。 图3 3c c 2 4 2 0 p 1 - 形图 下图3 4 是c c 2 4 2 0 的内部结构模块图。 1 0 3 系统硬件设计 l 。“”：h 、：m ： 艇雁梦p d _ g 盯l 0 口m 。d u f | 0 s n 州 一 伊峪 盆妇 ，w 4 *托i 萨 r * 山i i 。r 一 u * 霉i| j ；# 雾势， - i 翱啊孵8_ f 刁臣i i ： ? _ c c 2 4 2 0 p 迸f 型! ：堕广 兰 8 i 一t ，0 w t c 0 r ：； - j i 鬈。u 拶。；蠡料势 d i g t t 址 0 口落工礴 d 皤叫j 酣 - 口坤蝉 a n a l o gt e s t i n t e r n e e 占 图3 4c c 2 4 2 0 内部结构图 c c 2 4 2 0 发送数据时，使用直接正交上变频，i e e e8 0 2 1 5 4 规范中规定使用d s s s 调制方式。要发送的数据先被送入1 2 8 字节的发送缓存器中，头帧和起始帧是通过硬件自 动产生的。c c 2 4 2 0 先将要传输的数据流进行变换，每个字节被分组为两个符号，每个符号 包括4 个比特，低位( l s b ) 优先传输。每个被分组的符号用3 2 码片的伪随机序列表 示，共有1 6 个不同的3 2 码片伪随机序列。经过d s s s 扩频变换后，码片速率达到2 m c h i p s s ， 此码片序列再经过o q p s k 调制，每个码片被调制为半个周期的正弦波。编码为偶数的 码元被调制到i 相位的载波上，为奇数的码元被调制到q 相位的载波上。码片流通过i q 通道交替传输，两通道延时为半个码片周期。基带信号的同相分量和正交分量直接被数模 转换器转换为模拟信号，通过低通滤波器、上变频后的混频信号直接变频到设定的信道 上，经放大后送到天线发射出去。c c 2 4 2 0 中的调制扩频功能框图如下图3 5 所示。 图3 5c c 2 4 2 0 调制扩频功能框图 当c c 2 4 2 0 从天线接收到射频信号时，首先经过低噪声放大器( 1 0 wn o i s ea m p l i f i e r , l n a ) ，然后再正交下变频到2 m h z 的中频上，形成中频信号的同向分量和正交分量。两 路信号经过滤波和放大后，直接通过模数转换器( a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r , a d c ) 转换成 数字信号。后继的处理，如自动增益控制、最终信道选择、数字的解调解扩以及字节同 步等，都是以数字信号的形式处理。【l5 】经过上面一系列处理后，最终恢复出传输的正确 西安科技大学硕士学位论文 数据。其信号恢复功能框图如下图3 6 所示。 射频 数字 图3 6c c 2 4 2 0 信号恢复功能框图 c c 2 4 2 0 采用小型4 8 脚q l p 封装，有很多引脚是为了便于与后续产品兼容而设计的， 下图3 7 列出了其功能引脚图。 限 荐耄羹 图3 7c c 2 4 2 0 功能引脚图 下表3 2 列出了主要引脚的功能或状态信息的简介。 1 2 ：g l 一 豢鼍， 3 系统硬件设计 表3 2c c 2 4 2 0 主要引脚的功能 在上表中，引脚类型一栏中相关字母的含义如下： i 一输入。 o 一输出。 p 一电源。 g 一接地。 3 2 2c c 2 4 2 0 的内部存储器区 c c 2 4 2 0 的内部存储器区分为r a m 区和内部寄存器区。r a m 区大小为3 6 8 字节，分 为三块：1 2 8 字节的发送f i f o 缓存区、1 2 8 字节的接收f i f o 缓存区以及1 1 2 字节用于保存设 备地址、密钥等安全信息的存储区。内部寄存器区分为三块：3 3 个1 6 位配置寄存器、1 5 个命令选通寄存器和2 个访问收发f i f o 缓存区的寄存器，共5 0 个寄存器。控制器对r a m 13 西安科技大学硕士学位论文 区和寄存器区的访问是不一样的，下面分别加以介绍。 ( 1 ) 、对r a m 区的访问 访问r a m 时，处理器首先需要发送两个字节的地址信息。地址信息的最高位为l ， 表示这是一个r a m 访问。后续位指定要访问的块号、块地址和操作类型等，如下表3 3 所示。 表3 3 各位具体定义如下： a 6 一a 0 ：要访问的r a m 的块内地址号。 b 1 一b o ：块选择。其具体含义如下表3 4 所示。 表3 4 b 1 ，b 0选择的区域 o o o l 1 0 1 1 发送缓存区t x f i f o ( 块o ) 接收缓存区r x f i f o ( 块1 ) 安全信息存储区( 块2 ) 保留 r w ：操作类型。( 0 ：读写操作，l ：读操作) x ：保留。 在发送完地址信息位后，射频芯片根据r a v 位的状况，来判断是对r a m 区进行读操 作，还是写操作。如果是写操作，c c 2 4 2 0 立即开始接收s i 引脚上发来的8 位数据，并写 入到地址信息段指定的r a m 区中。接收完后，c c 2 4 2 0 会通过s o 引脚立即回送相关信息， 如果主控制器只对写信息感兴趣，回送的相关数据可能会被丢掉。如果是读操作， c c 2 4 2 0 就开始在s o 上发送地址信息字段指定的r a m 区中存放的8 位数据。 收发f i f o 缓存区既可以通过c c 2 4 2 0 内部的t x f i f o 和r x f i f o 两个8 位寄存器间接 访问，也可以使用r a m 地址直接访问。但是使用r a m 方式访问不能改变f i f o 缓存区读 写指针的状态；寄存器方式象访问f i f o 缓冲区那样，c c 2 4 2 0 有自动的f i f o 指针控制功 能。通常使用寄存器方式。直接写c c 2 4 2 0 的r a m 时，可以连续写或读多字节的数据， 因为c c 2 4 2 0 会自动增加写或读地址，每写一字节目标地址自动) ) i l l 。f i f o 缓存区中的数 据共有1 2 8 字节，前半部分称为m s b ，后半部分称为l s b 。接收f i f o 缓存区中同一时刻 可以有多个接收到的数据帧，只要这些数据帧的总长度不超过1 2 8 字节；发送f i f o 缓存 区中同一时刻只能有一个等待发送的数据帧。如果r x f i f o 中接收到的数据太多，会产 1 4 3 系统硬件设计 生溢出( o v e r f l o w ) ，可用s f l u s h r x 命令清除状态位中的o v e r f l o w 标志；如果t x f i f o 中写入的数据太少，会产生下溢( u n d e r f l o w ) ，发送会自动终止，可用s f l u s h t x 命 令清除状态位中的u n d e r f l o w 标志。 r a m 区中的主要空间布局如下表3 5 所示。 表3 5r a m 区中的主要空间布局 ( 2 ) 、对寄存器区的访问 c c 2 4 2 0 有两个用于访问收发f i f o 缓存区的寄存器：t x f i f o 用来访问发送f i f o 缓存 区；r x f i f o 用来访问接收f i f o 缓存区。访问这两个寄存器时，c c 2 4 2 0 传输的数据是8 ， 位，同时自动更新f i f o 缓存区的读写指针。处理器需要c c 2 4 2 0 发送数据时，首先通过 写t x f i f o 寄存器把需要发送的数据包按照字节一次写入到发送缓冲区中，然后写命令 选通寄存器s t x o n 或s t x o n c c a ，等待时机从无线信道发送数据。当c c 2 4 2 0 接收到数 据包时，会把数据存入接收f i f o 缓存区，并改变f i f o 和f i f o p 弓 脚的状态，当处理器查 询至i j f i f o 或f i f o p 引脚状态改变时，通过读r x f i f o 寄存器依次读出整个数据包。对 t x f i f o 和r x f i f o 两个8 位寄存器的访问，实质上是对收发f i f o 缓存区的间接访问，将 寄存器t x f i f o 和r x f i f o 当作多字节的寄存器，要读写的数据可以有很多个。 每个命令选通寄存器的地址相当于一条c c 2 4 2 0 可以执行的指令。当c c 2 4 2 0 接收到 写命令选通寄存器的地址信息字节以后，会启动c c 2 4 2 0 内部操作，如开始发送数据、 启动或停止振荡器等。 写控制状态寄存器可以控$ i j c c 2 4 2 0 的工作方式，比如选择工作频率、地址识别模 式等；读控制状态寄存器可以查询c c 2 4 2 0 的工作状态。 处理器访问c c 2 4 2 0 寄存器时，首先通过m o s i 向c c 2 4 2 0 发送一个字节的地址信息。 这个地址信息字节的最高位应为o ，表示访问寄存器。后续位指定要访问的寄存器地址 和操作类型等，如下表3 6 所示。 表3 6 r w ：操作类型。( 0 ：写操作，l ：读操作) a 5 一a 0 ：要访问的寄存器地址号。 1 5 西安科技大学硕士学位论文 c c 2 4 2 0 在接收这个地址信息字节后，会立即通过s o 引脚向处理器发送一个八位状 态字，表示c c 2 4 2 0 当前的状态。 1 6 1 如果不是为了调试，不一定要去读取状态字。此状 态字中各位的含义如下表3 7 所示。 表3 7 状态字中各位的含义 在上表中，有一些专业术语，分别解释如下： r s s i r e c e i v es i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t o r ，即接收的信号强度暗示。 p l l p h a s el o c k e dl o o p ，即相位锁定回路。 接着，c c 2 4 2 0 根据地址信息中的r w 位判断操作类型。如果是写操作，c c 2 4 2 0 立 即开始接收m o s i 上发来的1 6 位数据，并写入到地址信息段指定的寄存器( 注意：在写 数据字节时，s o 线上的数据无效。) ；如果是读操作，c c 2 4 2 0 就开始在m i s o 上发送地址 信息字段指定的寄存器中存放的1 6 位数据。在不将c s n 管脚设为高电平的情况下，可以 连续访问多个命令寄存器。1 6 位数据为分为两部分，前半部分称为m s b ，后半部分称为 l s b 。m s b 先传送，l s b 后传送。 上面我们提到m i s o 和m o s i ，下面解释它们的意思。 m i s o 一串行数据输入输出端口，主器件输入从器件输