基于Zigbee技術的溫度采集系統(tǒng)設計大連海事大學┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊畢業(yè)論文二○一四年六月基于ZigBee技術的溫度采集系統(tǒng)設計專業(yè)班級：通信工程2班姓名：羅景元指導教師：譚克俊信息科學技術學院I附錄2基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的礦工的位置探測研究摘要：隨著計算機的飛速發(fā)展，通信和網(wǎng)絡技術，特別是無線傳感器和嵌入式技術的應用，使得無線傳感器網(wǎng)絡（WSNs）技術在產(chǎn)業(yè)領域和我們的日常生活得到了廣泛關注。基于ARM7TDMI-S

CPU和ZigBee的WSNs在提速和優(yōu)化網(wǎng)絡移動節(jié)點的應用，豐富的信息采集中，以及在通信中實時時間的協(xié)調(diào)均有可取之處，具有低功耗連續(xù)作業(yè)特點，因此它是非常適合用于確定礦工在地下的位置。本文提出和分劃WSN的網(wǎng)絡計劃及信息處理與通信技術，重點專注于實時協(xié)作。通過傳感器準確獲得礦工的移動信息。之后的位置信息傳送可靠的監(jiān)控中心。不斷變化的運行測試結(jié)果表明沒有信息丟失或者沒有未被采集到的信息。因此，這個計劃是穩(wěn)定和有效的，將在煤礦安全中發(fā)揮積極作用，在我看來這正是Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡的正確特點。關鍵詞：ZigBee的ARM7TDMI-S內(nèi)核;CC2420的;無線傳感器網(wǎng)絡;礦工位置確定簡介無線傳感器網(wǎng)絡（WSNs）是規(guī)模大，無線自組織網(wǎng)絡。它是整合計算機通信，網(wǎng)絡技術，嵌入式MCU和無線傳感器技術，具有感知和溝通能力。【1】節(jié)點有低

低成本，小尺寸特點。其中大部分可以工作區(qū)域傳播，收集數(shù)據(jù)，并進行處理數(shù)據(jù)和通信。無線傳感器節(jié)點通常工作在無線電頻率（RF）頻段。節(jié)點構(gòu)成一個分層架構(gòu)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡。它通常適用在工業(yè)，農(nóng)業(yè)，遠程醫(yī)療和環(huán)境監(jiān)測。我們都知道，煤炭生產(chǎn)中的威脅復雜的工作條件，如有毒氣體，透水，塌陷，頂板等。【2】一旦發(fā)生事故發(fā)生時，它會危及礦工的生命。因此它是地面人員的當務之急，要明確礦工的確切位置，以便為及時采取措施。因此為礦工成立一個無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)控礦井有很大的應用價值。方案優(yōu)選礦工的位置監(jiān)測系統(tǒng)主要技術規(guī)范要求歸納如下：

（1）定位精度為10米。煤礦巷道狹窄，彎曲復雜所以安全監(jiān)控系統(tǒng)需要捕捉監(jiān)測點。（2）低數(shù)據(jù)速率。發(fā)送數(shù)據(jù)的量要小，但必須具有高可靠性。（3）低功耗。事實上較大的電源在地下是不允許使用的（4）成本低監(jiān)控系統(tǒng)設備。【3】幾種無線傳輸模式的比較如表1所示。ZigBee技術是復雜性低，低功耗，低數(shù)據(jù)速率，低成本，無線通信技術，它采用IEEE802.15.4協(xié)議。它可以嵌入在設備中，具有地理位置的功能。它工作在數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps。每個節(jié)點的范圍是通常在10?100米。范圍可高達有1?3公里通過增加RF發(fā)射功率。它可以迅速作出反應。從睡眠狀態(tài)只需15ms的工作狀態(tài)和30ms的訪問網(wǎng)絡。那定義了三個網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，包括星型拓撲結(jié)構(gòu)，集群拓撲和網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)。節(jié)點多達65000，可以組織大容量數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡平臺。三級安全模式，使用靈活，以確定其安全屬性。免費的專利協(xié)議，免執(zhí)照頻段。

ZigBee的工作在2.4GHzISM頻段，采用直接序列擴頻頻譜（DSSS）調(diào)制。【4】表1無線傳輸方式的比較ZigBeeBlueToothUWBWi-FicostLowestLowerHighestHigherBatterylifetimeyearsdayshoursdaysEffectiverange(m)10~751030100Baudrate20/40/250Kbps1M~3Mbps40M~60Mbps5.5/11MbpsprotocolIEEE802.15.4IEEE802.15.1IEEE802.14.3IEEE802.11bAssignedband868M/915M/2.4GHz2.4GHz3.1G~10.6GHz2.4GHz考慮上述因素，與ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡技術能適應長期的礦工位置在低成本，低數(shù)據(jù)速率，低功耗的監(jiān)控消費，可靠性高，所以這項計劃是通過在coalminer上的定位系統(tǒng)。在設計過程中，首先確定網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，然后設備選擇和相關電路設計，包括無線網(wǎng)絡，接收模塊采用MEGA128和CC2420，變電站模塊應用LPC2114等。最后是通信協(xié)議和相關軟件設計和調(diào)試。無線傳感器網(wǎng)絡設計系統(tǒng)功能：（1）實現(xiàn)井下礦工定位，及時卻定自己的位置以便在事故發(fā)生時，提高救援效率。（2）管理礦工進入或外出礦井的時間和頻率，得到了礦工的動態(tài)位置信息，從而提高管理績效。（3）追溯歷史數(shù)據(jù)，統(tǒng)計和分析決策。A無線傳感器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和硬件設備的設計我們的設計采用混合拓撲結(jié)構(gòu)。在目前比較大的電源不允許在礦井使用。星型拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡是比較容易控制并同步與低功率消耗，因此它在第一層應用。總線拓撲結(jié)構(gòu)應用于第二層，因為波形傳輸數(shù)據(jù)在這種環(huán)境下有失真。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡設計礦工定位有四個部分：1）監(jiān)控和管理軟件平臺（主節(jié)點）：負責收集人員從網(wǎng)絡位置信息，追溯數(shù)據(jù)，統(tǒng)計和分析，并在顯示結(jié)果圖形的形式。2）監(jiān)視變電站：這是全功能負責接收信息的設備節(jié)點，從無線接收器和輸出的移動節(jié)點數(shù)據(jù)處理的主節(jié)點。3）無線接收器（無線傳感器節(jié)點）：這是負責檢測信息礦工的工作區(qū)域內(nèi)，并把它發(fā)送到按照與通信的變電站協(xié)議。4）無線代碼發(fā)射器：減少功能的設備節(jié)點，可以很容易地固定在礦燈盒，頭盔，腰帶，或放在口袋里。代碼發(fā)射器發(fā)出的射頻信號進行礦工“身份信息。當?shù)V工是在移動中工作區(qū)的無線接收器，他的信息將由接收機接收被轉(zhuǎn)移到變電站。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在地面上的人員定位系統(tǒng)監(jiān)控主機組成，備份計算機，交換機，服務器，通信接口，避雷器及其他外圍設備。監(jiān)控中心PC和相應的存儲和分析數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，然后可以得到每個礦工的立場在任何時候的信息。人員定位系統(tǒng)地下是無線傳感器網(wǎng)絡，它是變電站，無線接收器，代碼發(fā)射器組成，礦用隔爆型和本質(zhì)安全電源等，這將完成收集和傳輸?shù)V工的位置，時間等信息。硬件設計人員定位系統(tǒng)地下將詳細介紹如下。B.變電站設計煤礦變電站是第一級子節(jié)點。每變電站的設計，加載6個無線接收器。它定期檢測指令發(fā)送到接收確定無線接收的信息是要在同一時間收到的，然后接收礦工的身份從無線接收的信息。變電站處理，存儲和顯示接收到的數(shù)據(jù)。它會等待命令從主機電腦和發(fā)送在地面上的數(shù)據(jù)監(jiān)控中心通過現(xiàn)場總線。通常有數(shù)百名礦工在一個煤礦，礦井隧道錯開在短短公里。所以11變電站的設計，它可以加載最多66個無線接收器。在這個方案中，LPC2114的CPU選擇變電站的設計【6】。

LPC2114是基于一個16/32-bit的ARM7TDMI-S

CPU與實時仿真和嵌入式跟蹤支持，其緊湊的64引腳封裝，低功耗，多個32位定時器，4通道10位ADC，PWM通道和46個快速GPIO線多達9個外部中斷引腳。多個串行接口，包括兩個UART（16C550），快速I2C和兩個SPI。隨著廣泛的串行通信接口，這是非常適合接收數(shù)據(jù)。C.無線接收器設計當?shù)V工與無線移動代碼發(fā)射通過一個無線接收器，代碼發(fā)射器礦工的身份證號碼的信息傳遞到無線接收器，然后開始分析信息。當檢測指令到達??時，它會按照數(shù)據(jù)發(fā)送到變電站建立協(xié)議。

Atmel的ATmega128的芯片公司用于微控制器，智能射頻Chipcon公司的CC2420芯片ZigBee功能是用來作為無線收發(fā)器。ATmega128是一個低功耗的CMOS8位增強的AVRRISC微控制器的基礎上結(jié)構(gòu)。

CC2420是一個真正的單芯片2.4GHz的IEEE802.15.4標準的射頻收發(fā)器的低功耗設計與低電壓無線應用。它包括一個數(shù)字直接序列擴頻提供有效數(shù)據(jù)速率為250kbps。這是適合兩個全功能設備（FFD）和減少無線傳感器功能設備（RFD）網(wǎng)絡【7】。配置接口和CC2420的發(fā)送/接收FIFO的訪問通過4線SPI接口（SI，SO，SCLK，CSN）。如上面提到的，很多優(yōu)秀的功能使CC2420的和MEGA128特別適合我們的立場系統(tǒng)。

MEGA128和CC2420之間的接口如圖2所示。無線接收器溝通與變電站通過RS485。數(shù)據(jù)傳輸波特率設置為1200bps。最大通信距離之間變電站和無線接收到5公里。75LBC184芯片采用的是電壓的接收器轉(zhuǎn)換之間以RS485和RS232UART的CPU引腳傳輸數(shù)據(jù)。當DE引腳75LBC184的高層次，轉(zhuǎn)遞是有效的，后，CPU的UART引腳傳輸數(shù)據(jù)的無線接收器。當/RE的75LBC184針是低層次的，接受是有效的，那么CPU可以接收數(shù)據(jù)從RS485。如果接收機的地址符合檢測指令的地址，將接收器配置發(fā)送狀態(tài)和發(fā)回數(shù)據(jù)塊變電站。圖2.CC2420的單片機接口D.電源的設計防爆和安全電源常用在可燃氣體和煤塵的危險環(huán)境。它采用雙重保護措施過電壓和過電流，三18DC電壓輸出，500?千毫安的電流輸出。它可以提供功率為1變電站和6接收器，在同一時間，緊湊的尺寸和重量輕。E.無線代碼發(fā)射器礦井代碼發(fā)射器傳輸識別獨立的數(shù)字代碼的時間間隔（每3秒）。代碼用于識別人員信息。代碼發(fā)射器組成的高頻發(fā)射（調(diào)制器），微控制器，電池和天線。這使得利用ZigBee技術，2.4GHz的發(fā)射頻率，F(xiàn)SK調(diào)制，傳輸功率小于0

dBm時，電源電壓2.0?3.4V。它有兩種狀態(tài)：工作與睡眠。目前的工作是少小于1mA，休眠電流小于10，以降低其耗電量。與微型封裝可固定在礦工鈥檚燈箱，頭盔，腰帶，或口袋里。如果車輛使用的，它應該被固定在非金屬零件上，以及盡可能高的安全地帶。通信軟件設計變電站和無線接收器實時通信之間的合作節(jié)點是必需的，因此需要時間同步。時間調(diào)整過程：系統(tǒng)啟動時，變電站將收到指令調(diào)整時間。然后將它發(fā)送到一號接收機。收到后從1號確認，然后將它發(fā)送到2號接收機，依此類推，直到最后一個。如果有不承認從一個接收器，變電站將等待一段時期時間，然后去到下一個。如果一個接收器沒有承認的3倍，它會被標示“故障”的和變電站液晶顯示。調(diào)整時間后，變電站檢測反過來接收機并收集礦工的身份識別信息。接收器發(fā)送數(shù)據(jù)塊到變電站，同時變電站傳輸接受信息以相應的接收器。只有接受信息被接收器成功接收，變電站確認數(shù)據(jù)塊是否是有效的。通信軟件設計通信軟件的設計應考慮到以下三個因素：1）無線接收器接收無線電信號代碼發(fā)射器，并分析成數(shù)字信號。微接收器控制單元（MCU），有4線SPILPC2114的CPU接口，具有2線SPI接口，所以數(shù)據(jù)通過SPI總線傳輸?shù)阶冸娬拘问降耐獠恐袛唷?）發(fā)送數(shù)字信號顯示電路。LPC2114器件支持I2C總線傳輸，所以可以傳輸數(shù)據(jù)，顯示驅(qū)動電路通過I2C總線。3）包裝數(shù)據(jù)。如果監(jiān)控中心發(fā)出定期檢測的指令，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶冸娬尽崟r坐標是整個系統(tǒng)所必需的，使數(shù)據(jù)傳輸實時。考慮代碼發(fā)射器傳輸數(shù)據(jù)之一時間每3秒，數(shù)據(jù)打包，每8秒鐘根據(jù)協(xié)議，在定時器中斷，使接收到的數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)阶冸娬镜腃PU時間。基于上述分析，有4個中斷傳感器節(jié)點軟件外部中斷數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)顯示I2C中斷。包的定時器中斷。UART中斷接受定期檢測指令。變電站的CPU收到的數(shù)據(jù)塊需要有時間的數(shù)據(jù)，所以在變電站和接收時間應該是相同的。時間數(shù)據(jù)來自監(jiān)測中心通過LPC2114的CPU

MEGA128單片機。數(shù)據(jù)包裝協(xié)議變電站和接收器之間的數(shù)據(jù)封裝協(xié)議【8】設計的兩個方面。1）變電站發(fā)出了如下的說明。a）調(diào)整指令。框架結(jié)構(gòu)：幀頭（5

FF）+接收號（1字節(jié)）+指令（23）號（1字節(jié)）+年+月（1字節(jié)）+日（1字節(jié)）+時間（1字節(jié)）+分鐘（1字節(jié)）+（1字節(jié)）+檢查（2個字節(jié)）。b）定期檢測指令。框架結(jié)構(gòu)：幀頭（5

FF）+接收號（1字節(jié)）+指令第（20）+檢查（2個字節(jié)）。c）確認指令的信息。幀結(jié)構(gòu)：幀頭（5

FF）+接收器號（1字節(jié)）+指令號（21）+檢查（2個字節(jié)）。2）接收器發(fā)回如下說明a）調(diào)整時間指令的識別。幀結(jié)構(gòu)：幀頭（5

FF）+接收器號（1字節(jié)）+指令號（23）+檢查（2個字節(jié)）。b）定期檢測指令的識別。幀結(jié)構(gòu)：幀頭（5

FF）+號接收器（1字節(jié)）+指令號（20）+天（1字節(jié)）+（1字節(jié)）+分鐘（1字節(jié)）+第二（1字節(jié)）+人數(shù)（1字節(jié)）+識別編號1（2字節(jié)）+...+識別碼數(shù)n（2字節(jié)）+檢查（2字節(jié)）。c）信息識別確認指令。幀結(jié)構(gòu)：幀頭（5

FF）+號接收器（1字節(jié)）+指令號（21）+檢查（2個字節(jié)）。D.網(wǎng)絡演習在這個人員有11個變電站全球定位系統(tǒng)，可以最多裝入一個變電站6接收機。因此，網(wǎng)絡最多可以監(jiān)測11x6xn礦工。隨著變電站和無線接收器之間的溝通，接收器可能隨機下降。一旦下降，將不再是檢測中斷接口。這種現(xiàn)象是長時間的溝通后發(fā)現(xiàn)，這是很難確定是所使用仿真工具的原因。通過查找表和分析，可以發(fā)現(xiàn)故障原因。在時間序列故障如圖3所示。圖3故障的時間序列由于程序的運行時間是不一樣的在不同的接收器，時間上分析通訊協(xié)議指令也不同。有人完成早一點，而其他一點點更高版本。例如，變電站發(fā)送出查詢在T1，接收指令0X01地址飾面分析T2指令。如果它的地址符合查詢條件，它開始響應時間t3，而0x04的完成接收分析指令T4。接收與回應0X01結(jié)束在T5。在時間T3和T4，數(shù)