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1、试验研究煤矿监测系统无线传感器网络的设计 目前煤矿环境监控系统大多采用有线和固定传感器组成的网络,由于工作面的不断推进,存在着监测盲区。无线传感器网络采用无线通信手段,可应用于布线和电源供给困难的区域、人员不能到达的区域(如受到污染的区域、环境被破坏的区域或敌对区域),一些临时场合(如发生自然灾害时,固定通信网络被破坏)和一些工作地点经常变换的区域(如矿井采煤附井)等。因为无线传感器网络不需要任何固定网络的支持,具有快速展开、抗毁性强等特点。本文讨论一个适合在矿区运用的低功耗无线传感器网络的设计,主要传感器网络的网络结构、采用的通信协议和传感器节点的设计。1网络结构无线传感器网络是由大量的小型
2、传感器节点组成,采用无线数据传输方式的,用来监视物理环境和相关现象并向观察者或者处理中心报告测量结果的网络。无线传感器网络主要有两种结构:集中式控制结构和分布式结构。集中式结构的普通节点比较简单,而中心节点设备复杂。集中式结构的控制也简单,整个网络由主节点控制按照约定好的顺序进行运作,但节点的要求比较高。而分布式结构中,根据节点数目的多少,又可分为平面结构和分层结构构建。平面结构的网络比较简单,所有结点的地位平等,所以又可以称为对等式结构,其平面结构如图1-a所示。它的缺点是可扩充性差,每一个结点都需要知道到达其它所有结点的路由,维护这些动态变化的路由信息则需要大量的控制消息。在分层结构中,网
3、络可划分为多个簇。每个簇由一个簇头(黑点)和多个簇成员(白点)组成。这些簇头形成了高一级的网络。在分层结构中,簇头结点负责簇间数据的转发,而簇成员只负责数据的采集。这大大减少了网络中路由控制信息的数量,因此具有很好的可扩充性。分层结构中网络具有自组织性,相对来说比较灵活,但是通信比较繁琐,控制麻烦。设计对环境进行监测的无线传感器网络,节点之间的通信和传感数据本身并不是非常重要,而对数据进行分析,使终端用户可以获取被监视环境的相关事件并通过一定的算法对环境变化进行预测才是最重要的。因此本设计采用一种集中式的主从结构。这个结构相当于分层结构的一种改进。因为网络的自组织需要很大的开销,而且容易出现泛
4、洪等问题,所以根据本设计中需要监测的环境地点是确定的这一特点,可以通过固定普通节点ID号的方法,确定了网络的组织和连接。2通信协议为了降低节点的设计复杂度,同时加快保证通信的速度,本设计不采用传统的网络中TCP/IP协议。整个网络中放弃路由环节,改由主节点控制整个网络的有序运行。考虑环境监测的目的,所以对数据的加密和网络安全协议的控制也可以减少很多。在网络正常运行状态下,各节点都处于接收状态。由主节点每隔一段时间向各个节点发起通信请求(控制帧)。当普通节点接收到的控制帧,如果信息中的地址信息和自己的ID号(普通节点事先通过拨位开关或者程序固化的方式确定自己的ID号)相同时,此节点转入发送模式,
5、将信息(数据帧)发送给主节点,而ID信息不同的节点则继续监听接收。同时,主节点在发送完控制帧后就转入接收状态,等待响应。当其接收完普通节点的全部信息后,发送一个控制帧给普通节点,以确定接受到信息,同时结束整个通信过程。另外,考虑到灾害预测信息监测的特点,有些时候普通节点要求发送一些紧急信息。所以设计时考虑到可以允许普通节点发起通信。例如情况紧急时,普通节点必须将报警信息(消息帧)马上发回主节点,以便采取相应的措施。主节点和普通节点之间通信传输的信息帧有3种格式:1为数据帧,2为控制帧,3为消息帧。三种帧三种帧信息中,数据帧和信息帧由普通节点发射,主节点接收。而控制帧是由主节点发射,普通节点接收
6、。控制帧分为4段,第一段说明使用4个bit的字节用来说明帧的类型,第二段用来表示信息发送的目的地址段,因为网络属于小型的,所以使1byte就可以了。第三段属于报警信息,使用2byte长度。第四段属于检验段。消息帧也分为4段,第一段说明使用四位用来说明帧的类型,第二段用来表示信息发送的目的地址段,第三段属于控制信息,控制信息的长度也事先确定了,这样可以简化通信的难度,使用2byte长度。第四段属于检验段。数据帧分为5段,第一段说明使用四位用来说明帧的类型,第二段用来表示信息发送的目的地址段,第三段属于数据长度信息。因为长度数据传输的次数不多,因此传输的数据量相应的增加,所以留出2byte的长度。
7、第四段属于数据段,长度由数据长度中的参数决定。第五段属于检验段。3节点设计无线传感器网络节点通常包括5个功能部件:传感硬件,存储器,嵌入式处理器,无限发送接收器件和电池。传感器网络节点是网络的基本单元。节点的长时间稳定运行是整个网络可靠运作的一个基本保证。节点分为4个部分:传感单元,主控单元,通信单元和供电单元。传感单元负责采集数据;主控单元负责接收传感单元传输的信号并对其进行适当的处理,然后或者存储在主控单元的储存器中或者将处理好的信息传输给通信单元,并控制通信单元在适当的时候发送数据;通信单元负责发送数据;不同等级的节点通信单元也有所不同。其中主节点要求含有有线的通信模块来与上位机进行通信
8、,同时还要有无线接收发送模块和其他普通节点进行通信。当然主节点与上位机进行通信也可以采用无线的方式,但是从简化节点控制的角度出发,选择有线通信。普通节点只需要无线接收发送模块即可;供电单元为其他单元停供能源供给,因为是无线传感器,所以必须考虑对节点的供电进行特殊考虑。3.1主控单元主控单元采用Atmel公司的Atmega16L单片机。Atmega16L是一种高性能低功耗的AVR微处理器。它采用先进的精简指令系统(RISC)体系结构,数据吞吐率高达1MIPS/MHz,从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega16L的工作电压可以很低,范围在2.75.5V之中,同时它有6个可以通过软
9、件选择的省电模式:空闲模式、掉电模式、省电模式、ADC噪声抑制模式、Standby模式以及扩展的Standby模式。工作于空闲模式时CPU停止工作,而USART,A/D转换器等以及中断系统继续工作;掉电模式时晶体振荡器停止振荡,所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作;在省电模式下,异步定时器继续运行,允许用户保持一个时间基准,而其余功能模块处于休眠状态。AT-mega16L在1MHz,3V,25时的功耗为正常模式:1.1mA;空闲模式:0.35mA;掉电模式:1A。同时ATmega16L集成丰富的外设:16K字节的系统内可编程Flash,512字节EEPROM,1K字节SRAM,支持片内调试
10、与编程,三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器,丰富的中断,可编程串行USART,8路10位的ADC,具有片内振荡器的可编程看门狗定时器。所以使Atemga16L来作为节点的主控单元可以大大简化外围电路,提高系统的可靠性。3.2传感器单元整个节点由蓄电池供电,要求数据采集单元中的传感器体积小、低功耗、外围电路简单,最好采用不需要信号调理电路的数字式传感器。本设计中为了全面地监测环境,选用如下的传感器:(1)瓦斯传感器RH-S01A。此传感器为对甲烷高灵敏的可燃气体检测的传感器,它的检测精度高,检测范围为0.5%5%,同时外围电路也很简单,可以提高系统的可靠性,RH-SO1A的工作电压DC6V,
11、功耗小于150mW。(2)压力传感器MS5534A。集成了压阻式压力传感器和ADC接口IC,传感器提供了16位的压力参数输出,压力范围30110kPa;另外模块也包含了6个可读的参数,方便实现软件校正及高的精度,可自动断开电源,3线接口则可满足与微处理器的各种通信。(3)风速传感器ADXL202AE。采用先进的MEMS技术,在同一硅片中刻蚀了一个多晶硅编码微机械传感器,并集成了一套精密的信号处理电路。信号处理电路把表面微机械传感器产生的模拟信号转换为占空比调制(DCM)数字信号后输出。这种占空比调制信号可以直接送往单片机,使用非常方便。对其进行改装用来对风速进行检测。(4)温湿度传感器SHT7
12、5。SHT75不仅将温湿度传感器结合在一起,而且还将信号放大器、模/数转换器、校准数据存储器、标准I2C总线等电路全部集成在一个芯片内。它的湿度测量精度:1.8%RH;温度测量精度:0.3(25)。而且其低功耗,典型值为30W。3.3通信单元无线模块采用CC1000芯片。CC1000芯片系统主要设计用于ISM(工业科学及医疗方面)以及SRD(短距离通讯工作频带在315868及915MHz)。但CC1000很容易通过编程使其工作在300-1000MHz范围内。CC1000的主要工作参数能通过串行总线接口编程改变,这样使CC1000使用起来更灵活。通常典型的系统是CC1000与一个微控器以及一些外
13、围无源元件一起构成。在接收模式中,CC1000通常被配置成超外差式接收机。其RF输入信号由低噪声放大器放大后由混频器变换成中频(IF)信号。在中频级,这个被变换的信号在送入解调器之前被放大和滤波。然后经过解调器处理后,在DIO端输出解调后的数字数据。在发射模式中,压控振荡器(VCO)的输出信号将直接送入功率放大器,而RF输出则是被馈送到DIO端的数字比特流频移键控信号。CC1000内部的发/收(T/R)开关电路则很容易与天线进行接口和匹配。频率同步器产生的本振信号在接收模式时被送到混频器(MIXER),在发射模式时馈送到功率放大器。频率同步器由晶体振荡器、相位检波器、充电泵、VCO和分频器组成
14、。外接晶体必须连接到XOSC端。对于VCO来说,通常需要外接一个电感L3。另外,CC1000芯片的工作状态设置由芯片内的控制器完成,控制命令和参数设置可通过PCLK、PDATA、PALE3线数字串行接口输入。CC1000有29个8位寄存器,在使用过程中主要使用如下的内部寄存器:MAIN寄存器,FREQ_A寄存器,FREQ_B寄存器,FSEP寄存器,PLL寄存器来控制工作模式的转换以及频率的设定。CC1000计算发射和接收的频率的公式如下:Fvco=Freffreq+819216384(1)Fref=fxoscREFDIV(2)公式(2)中,fXOSC是晶振的频率,REFDIV由PLL寄存器决定
15、。公式(1)中freq的大小是由FREQ_A寄存器或FREQ_B寄存器决定的。上面等式给出了VCO的频率即Fvco接收模式下的本振频率。发射模式下的f0低于FSK频率,其频率上限由公式(3)给出:f1=f0+fsep(3)fsep=FrefFSEP16384(4)其中FSEP的大小由FSEP寄存器中的数值决定。本设计中主节点与上位机是通过RS232有线连接的,在井下不易布置分站的时候,还可以利用CC1000的频率可以通过写控制字更改的特点,让主节点和上位机利用不同频率通信,实现双频通信。可见使用CC1000的无线传感器节点是方便而且功能强大的。4结语无线传感器网络是矿井环境监测的重要手段,应用于煤矿监控的无线传感器监控网络通过对不同的数据赋予不同的等级,给与需要紧急处理的信息的优先级较高实现实时性。同时为避免网络数据路由延时,采用主从式网络结构为主,载波侦听冲突避免为辅,控制网络有效运行。为了节省网络带宽,让节点承担更多的信号处理和计算任务。基于高性价比的Atmega16L和CC1000的无线传感器网络节点,不仅使网络实现低功耗,高可靠性,而且成本能够得到有效的控制,有利于推广应用。