CC2431芯片.doc

基于ZigBee技术的矿井人员定位应用研究作者：刘 杰 李长录摘要：针对目前煤矿井下普遍存在入井人员管理困难，以及一旦事故发生，对入井人员的营救缺乏可靠信息等问题，提出了应用ZigBee技术构建矿井人员定位系统，并进行了读卡器分站及标签的设计。实验结果表明，该方案能够实现对下井人员的有效定位与管理，提高了矿井生产的安全性。关键词：ZigBee；人员定位；读卡器；标签1 ZigBee技术概述ZigBee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗、低成本的无线组网通信技术，主要适用于自动控制和远程控制领域，支持地理定位功能，它是一种介于无线标记技术和蓝牙技术之间的技术提案1。ZigBee协议架构是建立在IEEE802.15.4标准基础之上的。IEEE802.15.4标准定义了ZigBee的物理层(PHY)和媒访问控制层(MAC)；ZigBee联盟则定义了ZigBee协议的网络层(NWK)、应用层(APL)和安全服务规范。ZigBee主要特点：工作频段免执照；传输速率10250kbit/s；在低功耗待机模式下，2节5号干电池可以支持1个节点工作624个月；协议简单且免费，成本低廉；延时短至1530ms，相比较，蓝牙需310ms，WiFi需要3s；网络容量大，ZigBee可采用星状、网状和混合状结构，由1个主节点管理若干子节点，最多1个主节点可管理254个子节点，同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网；安全性能好，采用先进的AES-128加密算法，提供数据完整性检查与鉴权功能；并具有载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CA)方式，有很好的兼容性2。2 系统组成及原理硬件系统由地面中心站、通讯接口装置、读卡器、本安标签(随身携带)、UPS电源等组成。本文主要对其中的读卡器与标签进行设计研究。工作原理：读卡器、标签和无线路由器组成ZigBee无线定位网络，下井人员携带的标签定时发送一定频率的射频信号，读卡器采集到标签的射频信号后，通过无线和有线的方式将信息发送给信息处理平台，同时无线路由承载其他无线基站数据信息的中继转发功能。最后经过CAN总线传至地面通信接口装置，再由地面中心站完成实时信息的采集并实现对携带标签人员的定位管理。主要功能有：查询当前井下人员分布；统计查询进入特殊区域的人员；下井人员考勤管理；井下人员的定位、寻呼及遇险求救。此外，由于读卡器具有UPS电源、数据存储及时钟功能，因此，当系统通讯中断时分站应可以独立正常工作，当通讯恢复后，分站可将历史数据(人员卡号、时间)上传给中心站。3 硬件设计3.1 总体设计思想由无线传感器网络的一般体系结构模型可以看出，整个网络由PAN协调器、协调器和一般设备组成。ZigBee联盟将其分别称“ZigBee协调器”“ZigBee路由器”“ZigBee终端设备”。在本系统中ZigBee协调器(读卡器)承担了控制中心的任务，负责对各节点传感器数据的汇聚、处理以及和外界网络的通信。当网络状态发生变化，其它FFD节点也能承担起ZigBee协调器的任务。一般节点负责数据的采集和发送。所有的FFD和RFD就组成了一个ZigBee无线网络。网络中的每个设备都有一个64位扩展地址用于网内直接通信，如果PAN协调器为设备分配了16位短地址，则设备也可以使用短地址通信。每个PAN都有唯一的标识(ID)、有了PAN标示，网内设备就可以用短地址通信，并且不同PAN之间的设备也可以通信3。3.2 读卡器设计根据配置灵活的需求，采用模块化的设计方法，读卡器电路板上设计有控制模块、射频模块(可拆卸)、CAN接口模块和电源模块等。图1为读卡器节点的硬件结构原理图。图1 读卡器节点原理图读卡器硬件主要由两片MSP430F149组成，一片负责控制从机和整个系统，对接收数据采样、编码、并把编码后的数据缓存在E2PROM里；另一片作为从机，接收数据及上传数据起到与监控中心站、CAN总线交换数据的作用。为保证信号采集的同步性，该系统设计成分布式采集系统。由于无线传感器网络对于节点的功耗有很苛刻的要求，同时考虑到电力系统的特点，有可能需要处理较为繁琐的数据，这就对控制模块的特性提出了较高的要求。所以控制模块采MSP430F149是最佳的选择。大量的寄存器以及片内数据存储器使之具有强大的处理能力，完全可以适用于煤矿安全监控系统的需要。另外，MSP430F149的运行环境温度范围为-40+85，可以适应各种恶劣的环境。其丰富的片内设备可使整个电路变得异常简化，减少了节点的功耗和体积。无线射频模块采用CC2431芯片实现。CC2431是TI公司推出的针对IEEE802.15.4 Zigbee应用的片上系统，具有2.4 GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器，其内部集成了CC2430、工业标准增强型8051MCU内核、128KBFlash ROM和8KB RAM。由于CC2431可工作在4种工作模式(发送、接收、空闲、休眠)下，且工作模式之间的转换时间较短，因而能够满足超低功耗系统的要求4。与其他无线传感器网络平台相比，基于CC2431的无线传感器网络平台的优势为：减少了无线传感器网络节点的体积，同时也降低了2.4G高频对数据传输的影响；CC2431片内带有基于RSSI技术的定位引擎，支持无线传感器网络节点定位，与一般软件定位相比，具有定位速度快、精度高、不占用CPU资源的特点。此外，射频电路要取得好的RF性能，PCB设计必须合理。CC2431的供电电路必须经过良好的滤波，并且与数字电路分开；避免长距离走线；在射频信号输出部分，根据发送功率设置滤波网络，以实现阻抗匹配，使到达天线的信号最强。要防止高频信号泄漏，否则对发射信号造成很大干扰。由于天线要散播电磁能量，需选用Q值较小的器件。制作PCB板时，在器件周围覆铜，以提高抗干扰性。CAN接口模块由3部分所构成：独立CAN控制器SJA1000、CAN驱动器82C250和高速光电耦合器6N137。为了增强CAN节点的抗干扰能力，SJA1000并不是直接与82C250相连，而是通过高速光耦6N137与82C250相连，这样就很好的实现了总线上各CAN节点间的电气隔离。3.3 标签的设计在普通节点(标签)电路板上设计有控制模块、射频模块、传感器模块(可拆卸)和电源模块。传感器模块设计为可配置式，可根据不同应用情况选用不同的传感器，来完成特定的要求。无线传感器网络终端的硬件结构包括控制中心的处理器、传输单元的无线收发模块CC2431、探测单元的传感器等。其结构原理图如图2所示。图2 标签节点结构原理图普通节点上的控制模块的功能是控制板上各单元协调工作，给RF模块发送相应的指令实现射频通信，响应板上的按键事件，用相应的LED灯的状态来指示系统所处的状态等。同时还要给传感器模块发送相应的指令要求，然后使传感器采集相应数据。由于井下环境的特殊性，要求标签能够长时间稳定工作，并且具有防水、防摔、防尘等一系列防护措施，同时考虑功耗问题，采用MSP430F149单片机控制射频芯片，在不工作时射频芯片处于关闭状态同时单片机处于深度睡眠状态，经理论计算，1个600mA纽扣电池可以工作大约1a时间。4 协议软件4.1 读卡器的程序流程读卡器主要接收标签发送过来的数据，并将数据存储打包转发至中心站。其基本功能部分的流程图如图3所示。图3 读卡器程序流程图4.2 标签的程序流程标签应用程序主要负责确定数据的发送时间、芯片的休眠时间以及芯片看门狗的配置。应用程序在工作与休眠之间的调度也应该做到功耗最低。标签设置为3s钟发送一次信息是一种电池效率较高的配置。单片机应用程序在3s钟计时器到时随即唤醒自身以及射频芯片进入工作模式，迅速的发送身份信息后再次进入休眠以节省电力。其应用程序流程图如图4所示。图4 标签程序流程图5 试验结果读卡器与标签之间的通信距离可通过调节其发射功率等方法来延长或缩短。要在综合考虑能耗、成本等各方面因素的情况下制定其发射功率。表1是ZigBee节点在室内无障碍环境、室内障碍环境和室外空旷环境下分别测得的最大传输距离。经过大量的试验可以得到，在较宽裕的通信范围内，PC开关机、多人阻挡和移动、木隔板的阻隔对ZigBee节点的通信几乎没有任何影响。而像手机、蓝牙设备和无线网卡这些高频干扰也对ZigBee节点影响很微弱。只有节点位于极限位置进行通信时，节点通信直线距离间的障碍物才会明显影响节点正常通信。表1 ZigBee节点的最大传输距离6 结束语本文对矿井人员定位管理系统中ZigBee无线网络的应用和实现进行了研究，经过试验验证，该系统满足了实时掌握煤矿入井人员的动态分布及安全管理的需要，可实现入井人员定位、考勤管理以及快速指导矿井突发性事故的救护工作等。在此基础上，对于不同矿井环境的要求，在实现下