基于ZigBee的顶板离层监测仪(1).pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 基于z i g B e e 的顶板离层监测仪㈣ 摘要 煤矿大多远离地表，其湿度、温度、空间构成等都与地表有着很大的 差异，且大多矿层还伴随有渗水、瓦斯、能源供给等特殊条件，给井下信 息的采集与传递造成了很大的困难。实时监控井下的这些状况，保持井下 信息传递的通畅性，对矿井的安全生产具有十分重要的意义。针对井下顶 板位移的采集需求，为确保矿井的安全生产，设计并实现了基于Z i g b e e 的 顶板离层监测仪。基于Z i g b e e 的顶板离层监测仪由若干数据采集节点和分 站组成。节点可以实现多点采集，中继则将采集的数据进行处理和保存。 且节点各部分均使用电池供电和无线传输，适应井下条件，避免了电缆供 电和有线传输带来的弊端，提高了安全性和可靠性。基于Z i g b e e 的顶板离 层监测仪的节点和分站分别以C C 2 5 3 0 和S T M 3 2 为核心器件，集信息的采 集、传递、处理为一体，且具有良好的可扩充性。节点不仅可以将采集的 数据通过无线网发送出去，在必要的时候还可以用有线的形式进行传送， 为了确保数据不丢失，每个节点还具有一定的存储能力。分站具有友好的 人机交互界面，可以实现方便快捷的数据读取以及系统设置。同时分站还 具有强大的数据存储能力和多种通信接口，以适应不同场合数据转存的需 要通过无线网络将相对封闭、分散、信息传递困难的井下空间环境构成了 一个有机的整体。能快速灵活地实现各种信息的采集与通信。 太原理工大学硕士研究生学位论文 关键词煤矿，Z i g B e e ，顶板离层监测仪，节点，分站。 太原理工大学硕士研究生学位论文 Z I G B E E ．B A S E DR O O FS E P A R A T I O NM O N I T O R A B S T R A C T I ti sv e r yd i f f i c u l tt oc o l l e c ta n dt h e nt r a n s f e ri n f o r m a t i o no ft h ec o a lm i n e t ot h eu n d e r g r o u n db e c a u s et h eh u m i d i t y , t e m p e r a t u r e ，s p a t i a lc o m p o s i t i o no f t h et h a ti s ，a su s u a l ，a w a yf r o mt h es u r f a c ei sv e r yd i f f e r e n tf r o mt h es u r f a c ea n d m o s to ft h ec o a l b e dh a ss p e c i a lc o n d i t i o n so ft h ew a t e rs e e p a g e ．I th a sag r e a t s i g n i f i c a n c e t or e a l t i m em o n i t o rt h e u n d e r g r o u n dc o n d i t i o n sa n dk e e pt h e t r a n s m i s s i o no fu n d e r g r o u n di n f o r m a t i o ns m o o t h ．T oe n s u r e s a f e t y m i n e p r o d u c t i o n ，r o o fs e p a r a t i o nm o n i t o rb a s e do nZ i g b e ew h i c hi sc o n s i s ti na n u m b e ro fd a t a ．．c o l l e c t i o nn o d e sa n ds u b ．．s t a t i o nw h o s ec o r ed e v i c ei sC C 2 5 3 0 a n dS T M 3 2r e s p e c t i v e l ya n di nw h i c ht h ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n ，p a s s i n ga n d p r o c e s s i n gi si n t e g r a t e da saw h o l ei sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e dd e p e n do nt h e c o l l e c t i o nn e e d sf o rm i n er o o fd i s p l a c e m e n t ．M a n yd a t ac a nb ec o l l e c t e db yt h e s a m en o t ew h i c hi sb a t t e r y p o w e r e da n dw i r e l e s s l yt r a n s m i t t e di no r d e rt oa d a p t t ot h eu n d e r g r o u n dc o n d i t i o n s ，t oa v o i dt h ed r a w b a c k so ft h ec a b l e p o w e r e da n d w i r e dt r a n s m i s s i o n ，a n dt o i m p r o v et h es e c u r i t y a n dr e l i a b i l i t y ．A n dt h e n p r o c e s s e da n ds t o r e db yt h er e p e a t e r ．T h ec o l l e c t e dd a t ai ss e n to v e rt h ew i r e l e s s n e t w o r kb yt h en o t ei nm o s tt i m e ，b u ti ta l s oc a nb et r a n s m i tb yt h ew i r ef o r m w h e nn e c e s s a r y , a n dt h en o t ea l s oh a sac e r t a i ns t o r a g ec a p a c i t yt oe n s u r et h a t d a t ai sn o tm i s s i n g ．S u b s t a t i o nh a saf r i e n d l ym a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，w h i c hi s u s e dt oh a v et h ea c c e s st od a t af a s ta n dc o n v e n i e n t l ya n ds y s t e ms e t t i n ga n dh a s ap o w e r f u ld a t a s t o r a g ec a p a c i t ya n dm u l t i p l ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e st o a c c o m m o d a t et h en e e do fd a t ad u m p i n gi nd i f f e r e n to c c a s i o n s ．U n d e r g r o u n d s p a c ee n v i r o n m e n tc o n s t i t u t e a l l o r g a n i cw h o l ew h i c hi sr e l a t i v e l yc l o s e d ， T T T 太原理工大学硕士研究生学位论文 d e c e n t r a l i z e da n dh a sd i f f i c u l t yi ni n f o r m a t i o nd e l i v e r yb yt h ew i r e l e s sn e t w o r k t oa c h i e v ei n f o r m a t i o nc o l l e c t i o na n dc o m m u n i c a t i o nf a s ta n df l e x i b l y ． K E Y W O R D S M i n e ，Z i g B e e ，R o o fs e p a r a t i o nm o n i t o r , N o t e ，S u b - s t a t i o n ． t V 太原理工大学硕士研究生学位论文 目录 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 课题研究背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 论文的主要内容及创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 论文的组织结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 第二章论文相关技术基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 ．1Z i g B e e 通信技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 ．2 微功率单片机⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 1 3u C ／O S ．I I 操作系统与u C G U I ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 ．5 本安电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 第三章系统整体框架⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 3 ．1 设计目标及功能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 3 ．1 ．1 设计目标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 3 ．1 ．2 节点功能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 3 ．1 ．3 分站功能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 3 ．2 系统整体框架⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 3 ．3 系统开发环境的搭建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 第四章系统硬件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 4 ．1Z i g B e e 模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 4 ．1 ．1C C 2 5 9 1 功放⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 4 ．1 ．2 时钟电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 4 ．1 ．3 外部接口⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 4 ．2 节点硬件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 4 ．2 ．1 主控及射频部分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 4 ．2 ．2 显示部分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 4 ．2 ．3 光控部分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 4 ．2 ．44 8 5 接口⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 V 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 ．2 ．5 传感器部分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 4 ．2 ．6 电源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 4 ．2 ．6 外部接口⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 4 ．3 分站硬件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 4 ．3 ．1 主控部分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 4 ．3 ．2Z i g b e e 通信部分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 4 ．3 ．3 触摸屏显示模块⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 4 - 3 ．4 闪存存储器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 4 ．3 ．5 以太网接口⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 4 ．3 ．44 8 5 接口⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 4 ．3 ．7U S B 接口⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 s 4 ．3 ．8 电源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 4 ．4 本安设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 第五章系统软件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 s 5 ．1 通信过程描述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 5 ．2 端节点软件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 5 ．2 ．1 端节点软件初始化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 5 ．2 ．2 程序主循环⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 5 ．2 ．3 无线发送函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．2 ．4 无线接收函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 ．2 ．5 数据格式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 5 ．2 ．6T 3 定时器中断处理函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 5 ．2 ．7S P I 串口中断处理函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 5 ．2 ．8 睡眠定时器中断处理函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．2 ．9U A R T 串口中断 4 8 5 处理函数与发送⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 s 5 ．3 节点软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 5 ．3 ．1 节点软件初始化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．3 ．2 本地地址初始化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 V I 太原理工大学硕士研宄生学位论文 5 ．3 ．3 接收时问同步⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．3 ．4 等待接收数据状态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 5 ．3 ．5 其他命令⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 5 ．3 ．6F L A S H 存储⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 5 ．3 ．7 光控及L E D 显示⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 5 ．3 分站软件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 5 ．3 ．1u C ／O S ．I I 系统及其组织⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．3 ．2 主函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．3 ．3 主任务⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．3 ．4 触摸屏任务⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．3 ．54 8 5 通信任务⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 5 ．3 ．6 以太网任务⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 5 ．3 ．7U S B 任务⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 ．3 ．8 时钟任务⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 第六章总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 6 ．1 总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 7 攻读学位期间发表的学术论文目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 V I 工 太原理工大学硕士研究生学位论文 V I I 工 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．1 课题研究背景及意义 第一章绪论 能源工业在我国国民经济发展中发挥着极其重要的作用，我国是煤炭大国，煤炭消 费在能源消耗中占有很大的比重。近些年来，随着石油资源的日益减少，在可代替化石 能源的新型能源发现之前，煤炭的重要性更加日益显现出来。但我国煤炭行业的生产环 境恶劣，大多数的矿层位于地表以下几十米到一千米以上的地层中，空间闭塞，环境复 杂，很多煤矿都是高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井，大部分的煤矿的瓦斯和煤尘都具有可能 发生爆炸。而且矿井内部以及矿井与外界的通信都很困难，一旦有突发情况发生，灾难 将会是毁灭性的，不仅会产生巨大的财产损失，同时还会伴随有大量的人员伤亡。这就 需要对矿下的各种状态参数进行实时监测，如顶板离层状况、矿下瓦斯浓度、温湿度等 信息。实时监控井下的这些状况，保持井下信息传递的通畅性，对矿井的安全生产具有 十分重要的意义。虽然我国每年投入大量人力财力用于治理煤矿瓦斯，也取得了一定的 成效，但我国煤炭行业仍然频繁出现安全问题，重特大伤亡事故屡有发生，这些事故中 很大一部分与煤矿瓦斯有关。为了煤炭行业的安全生产，提高和完善井下监测设备就显 得极为重要了【1 】【2 1 。 目前，我国煤矿安全监测设备大多基于C A N 总线、L o n w o r k s 总线4 8 5 总线等有线 总线系统，用起来很不方便，而且矿井生产条件恶劣，连接线很容易损坏。而且大多采 用较低端单片机，处理及控制能力非常有限，所以传统的煤矿监测设备存在对有线传输 线的依赖程度高、可挂载的节点少、率低下、实时性差、功能单一等不足。 矿下一般具有如下特点巷道多为线型结构且信息采集点密集；矿下不便频繁更换 电池，要求设备功耗低而且简单耐用；需要采集与传输的数据量不大；Z i g b e e [ 3 ] [ 4 】【5 】【6 】【7 】 是基于I E E E 8 0 2 ．1 5 ．4 标准的个域网协议。基于I E E E 8 0 2 ．1 5 ．4 标准的技术的特点是近距 离、结构简单、耗电低、成本低。本设计节点采用C C 2 5 3 0 射频芯片嘲组建Z i g b e e 网络， 它结合了R F 收发器和增强型8 0 5 lC P U ；系统内可编程闪存，具有8 K BR A M ；内置温 太原理工大学硕士研究生学位论文 度传感器和8 路可配置分辨率的l2 位A D C ；两个能够分别运行于异步U A R T 模式或者 同步S P I 模式串行通信接口；很宽的电源电压范围和不同的运行模式，使得它可以用在 电池供电的场合，而且适应超低功耗系统的要求。分站采用S T M 3 2 1 9 1 处理器，内置6 4 K 字节的静态S R A M ，高达1 0 2 4 K 字节闪存存储器。功耗低，I ／O 口丰富，多达9 个通信 接口，正适合本设计中的触屏、闪存、以太网、U S B 、4 8 5 接口的通信要求。而且此芯 片还具有F S M C 功能，非常适合用来驱动本设计中的T F T 液晶屏。并可内嵌u C ／O S 操 作系统，体积小，效率高。可以轻松实现复杂的功能。结合u C G U I ，实现了友好的人机 交互界面和复杂灵活的系统功能。以上这些都克服了传统检测设备的不足，使井下数据 的采集变得方便、实时而且高效。 1 ．2 论文的主要内容及创新点 论文的主要内容 本文以嵌入式技术、传感器以及Z i g B e e 技术为基础，结合爆炸性环境本质安全型 设备的具体要求，设计了基于Z i g B e e 的项板离层监测仪。本文主要工作集中在以节点 为中心的传感器网络和井下分站的硬件设计及其相应软件的设计。 l 、阐述了煤矿的安全生产对我国煤炭行业的重要性，指出了我国当前煤矿安全 监测系统的不足，提出了基于Z i g B e e 的无线传感器网络组织形式的可行性， 以及采用C C 2 5 3 0Z i g B e e 芯片和S T M 3 2 核心处理器所带来好处及优势。 2 、结合煤矿中顶板离层监测仪的具体功能和工艺要求，对设计目标及所需功能 进行了具体的分析，阐述了设计的总体思想和具体思路。对开发过程中所 用到的主要技术和需要搭建的开发环境进行了相关介绍。 3 、对Z i g B e e 模块、节点、分站的硬件各部分的设计进行了详细的阐述，包括 各部分的硬件框图、用到的主要芯片、每部分的主要功能以及设计的主要 思路等。 4 、对离层仪节点、端节点、分站各部分的软件设计进行了详细阐述，包括每部 分软件流程图，软件流程的详细介绍及部分软件代码。还介绍了设备的具 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 体安装及调试过程。 主要创新点 结合Z i g B e e 无线网络技术设计了顶板离层监测系统，实现了井下顶板离层数据监 测的实时高效；高性能分站的设计使数据的处理、存储、转存变得方便安全高效。 1 ．3 论文的组织结构 第一章介绍了课题的研究背景及意义，并对论文的主要内容及创新点做了相关介 绍。第二章介绍了论文相关的技术背景，阐述了本安设计的基本概念及要求。第三章介 绍了系统的整体方案设计，分析了设计目标、功能以及开发环境的搭建。第四章详细介 绍了系统中Z i g B e e 模块、节点、分站的硬件设计第五章详细介绍了节点及分站的软件 设计。第六章是对全文的总结与展望。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 ．1Z i g B e e 通信技术 第二章论文相关技术基础 Z i g B e e 技术是一种简单、省电、近距离、低速率、价格低廉的双向无线通讯技术。 主要用于短距离、低功耗且低速率要求的应用。 Z i g B e e 可工作在全球流行的2 ．4 G I - l z2 5 0 k b i t ／s 的传输速率、欧洲流行的8 6 8 M H z 2 0 k b i t ／s 的传输速率以及美国流行的9 1 5 M H z4 0 k b i t ／s 的传输速率。它的传输距离一般为 几十米，但根据需要可以继续增加。 1 低功耗由于Z i g B e e 的传输速率很低，只有几十K ，所发射功率很低仅为l m W 。 如果要进一步降低发射功率，可以采用多种休眠模式，从而进一步降低了功耗。即使在 使用电池供电的场合，也可以把产品的使用期限延长到一年以上。 2 网络容量大一个Z i g b e e 网络最多可以支持2 5 5 个节点，其中包括1 个主节 点和2 5 4 个从节点，一个区域内可以准许1 0 0 个网络同时存，组网形式灵活多样。 3 安全可靠有效的数据安全策略使得数据在发送的过程中不会发生冲撞。而且 每次发送完数据后都要等待确认信息。当传输过程中出现问题时，可以对数据进行重新 发送。Z i g B e e 还可以使用循环冗余校验来验证数据包的完整，并支持鉴权和认证以及加 密算法。 2 ．2 微功率单片机 从上个世纪四十年代数字计算机的诞生到七十年代微处理器的出现，计算机从体积 大、价钱高、功能单一、维护困难，发展到了体积小、价格低廉、可靠性高的微处理器， 发生了质的突变。将处理器嵌入到其他设备中以完成特定的功能与控制，从而失去了计 算机本来的形态与通用性，这样的计算机系统称作嵌入式计算机系统。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 嵌入式计算机系统与通用计算机在体积、价位、可靠性等方面有着显著的不同。他 虽然也属于计算机系统，但已经与传统计算机系统从很多方面已经有了很明显的差异。 单片机又称单片计算机，就是把整个计算机系统集成到一个小小的硅片上，它体积 小、成本低、实用性强、应用广泛。单片机经历了S C M 单片微型计算机 、M C U 微控 制器 、s o c 片上系统 - - 大阶段。随着技术的不断发展，单片机的内部结构也不断地进 步。在集成了微控制器的同时，越来越多的器件也被集成到了单片机内部。例如定时器、 D M A 、实时时钟、串行通信接口、看门狗电路、模数转换器、数模转换器等。有的单 片机甚至还集成有以太网控制器、U S B 控制器等通信接口，能够很方便地接入以太网设 备、通过U S B 与其他设备进行通行，最先进的单片机内部甚至已经集成了D S P 功能， 使单片机的性能得到了很大提升。现在使用片上系统的设计思想，使把整个应用系统全 部集成在一起，也是得单片机的发展取得了长足的进步。 现在的单片机正常工作时的功耗越来越小，而且很多单片机都能工作在多种的电源 模式，根据不同的场合选择不同的电源模式可以大大减少单片机的功耗，在休眠模式下， 有些单片机的静态电流还不到1 微安。 2 ．3u C ／O S I I 操作系统与u C G U I u C ／O S - I I 是一种开源实时操作系统。具有执行效率高、系统资源占用小、可扩展性 强等特点。专门用于嵌入式系统的开发及应用。除了有关底层硬件的部分是用汇编语言 编写的之外，几乎所有代码是用C 语言编写的，这样就可以在较小的改动的基础上移植 到其它的处理器上。 u C ／O S I I 最多可以运行6 4 个任务，其中4 个最高优先级的任务和4 个最低优先级 的任务为系统保留，其它5 6 个任务供用户使用。而且u C ／O S - I I 还提供了各种任务管理 函数。u C ／O S ．I I 的时间管理是通过时钟节拍来实现的，时钟节拍由定时器中断产生。 u C ／O S ．I I 的内存管理是通过先将大的内存区域分区，再把分区分成整数个大小相同的 块，各个分区中块的大小可以不同。当用户需要分配内存时，系统会自动选择合适的分 区按块分配给用户使用。内存的释放也是按块释放给块所属的分区中。这样的内存算法 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 有效地解决了碎片的产生，而且程序所执行的时间也是确定的。u C ／O S ．I I 任务间的同步 和通信可以通过信号量、邮箱、消息队列和事件4 种形式完成。 u C ／O S ．I I 在任何时间运行的都是最高优先级别的任务。它的任务调度属于抢占式调 度，各个具有唯一优先级的任务根据优先级的不同分别执行，具有最高优先级的任务优 先占有C P U 资源。 u C G U I 是一种通用的图形用户界面系统，可用于任何使用L C D 显示模块的嵌入式 系统中。它既适用于单任务操作系统，也适用于多任务操作系统，高效且独立于处理器。 可以在任何处理器上运行。 2 ．5 本安电路 本质安全定义为电路在标准规定条件 包括正常工作和规定的故障条件 下产生的 任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体混合物。工作在具有爆炸性气体 混合物环境的电气设备，如煤矿下的通信、控制、监控等电子设备都需要进行本安设计， 使之符合本安要求，不能在含有爆炸性气体环境中产生电火花而引燃气体发生爆炸。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 ．1 设计目标及功能分析 3 ．1 ．1 设计目标 第三章系统整体框架 本课题的整体目标是完成对巷道顶板离层信息的采集与传递，对信息进行处理显 示，并能够拷贝出来或传递给上位机。具体目标如下 l 、 离层仪节点可以采集两路或两路以上的离层信息，精度为0 ．5 m m ，误差5 ％， 量程2 0 0 m m 。 2 、 节点每五十米设一个，采用无线的形式进行连接，需要时可采取有线的形式， 以提高系统的稳定性。 3 、 节点采取电池供电的方式，而且要保证连续工作一年以上的时间。 4 、节点本身具有一定的存储功能，当分站部分出现问题时，可以将数据恢复。 5 、节点设有显示部分，可以实时显示当前位移信息。 6 、 可以方便地对节点进行参数设置。 7 、分站设有友好的人机交互界面，可以对整个系统进行设置及显示。 8 、 分站具有存储功能，可以将整个系统的数据存储起来。 9 、 分站可以通过以太网、4 8 5 接口、U S B 的形式将数据传递出去。 l O 、 符合本安要求。 3 ．1 ．2 节点功能分析 由于节点每五十米设一个，采用无线的形式进行连接；采用电池供电，不能更换电 源，且需要传输的数据量很小。基于I E E E 8 0 2 ．1 5 ．4 标准的技术的特点是近距离、低复杂 度、低功耗、低数据速率、低成本。正符合本课题节点要求。所以节点部分采用了C C 2 5 3 0 射频芯片组建Z i g b e e 网络，它不仅作为I 心收发器，还拥有增强型8 0 5 1C P U ；2 5 6 K 系 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 统内可编程闪存，具有8 K BR A M ，可用于存储采集的数据；内置8 路可配置分辨率的 1 2 位A D C ，用于模拟量的采集，而且符合我们所需的精度。两个能够运行于同步S P I 模式串行通信接口；很宽的电源电压范围和不同的运行模式，使得它可以用在电池供电 的场合，而且适应超低功耗系统的要求。 传感器可以使用高精度电位器。 显示部分采用l 寸4 位数码管，由C C 2 5 3 0 采用动态的方式进行控制显示。 节点的现场控制采用光敏二极管，通过井下的矿灯的照射，由C C 2 5 3 0 的中断捕捉， 来设置节点的参数。 3 ．1 ．3 分站功能分析 分站主控芯片采用S T M 3 2 F 1 0 3 V G T 6 。内置6 4 K 字节的静态S R A M ，高达1 M 字节 闪存存储器。功耗低，I ／O 口丰富，多达9 个通信接口，正适合本设计中的触屏、闪存、 以太网、U S B 、4 8 5 接口的通信要求。而且此芯片还具有F S M C 功能，非常适合用来驱 本设计中的T F T 液晶屏。并可内嵌u C ／O S 操作系统，体积小，效率高。可以轻松实现 复杂的功能。结合u C G U I ，实现了友好的人机交互界面和复杂灵活的系统功能。 3 ．2 系统整体框架 图3 - 1 系统整体框图 F i g ．3 1B l o c kd i a g r a mo f t h es y s t e m 基于Z i i g b e e 的顶板离层监测仪包含节点和分站两部分组，如图3 1 所示。节点主要 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 位于矿井中的巷道上方，每隔三十到五十米设一个，它的主要作用是进行数据的采集和 传递。每个节点由C C 2 5 3 0 模块和传感器模块组成，传感器模块将顶板位移等信息转化 为数字量，再由C C 2 5 3 0 模块将这些信息通过无线网络传给下一个节点。每个节点不仅 会将本节点的信息采集总发送，还会将上一个节点的数据打包并发送给下一个节点。这 样各个节点接力似的将信息依次传递下去，组成了一个线型的网络系统。当其中的某个 节点出现问题，系统会自动跳过这个节点，与下下一个节点进行通信；每个节点还设有 L E D 显示部分，使得节点可以脱离网络单独工作；而且当矿下某些地方不适合无线传输， 例如遇到风门等情况，会对信号的传输产生很大影响，这时只能进行有线传输，节点上 设有4 8 5 有线接口，可以将被阻隔的两个相邻节点连接起来。这样就大大增加了系统的 稳定性和可靠性。分站由S T M 3 2 核心模块、显示模块、C C 2 5 3 0 通信模块、接口模块组 成。通信模块接收节点数据，把数据通过S P I 接口传送给S T M 3 2 核心模块，S T M 3 2 核 心模块通过显示模块将数据显示出来，并存储于F L A S H 中，以便以后查阅。显示模块 是一个人机交互界面，通过它可以按节点、按时间查看节点发过来的数据，可以对数据 进行分析处理，以折线的形式显示出来。可以通过触摸操作对网络进行参数设定和控制。 接口模块包括U S B 接口、以太网口、M A X 4 8 5 接口，它的作用是将数据导出，以便通 过上位机对数据进一步分析处理。 3 ．3 系统开发环境的搭建 C C 2 5 3 0 的软件环境采用的是I A RE W 8 0 5l 编译器。I A RE W 8 0 51 编译器是一套使 用方便的嵌入式开发工具。其中包含了C ／C 编译器、文本编辑器、汇编器、连接器、 工程管理器、库管理器等工具。该集成开发环境可以针对不同的处理器进行代码优化， 生成的代码高效可靠。仿真器采用的是飞比科技的T IC C 系列仿真器C CD E B U G G E R 。 支持除C C l 0 1 0 和C C 4 3 0 外的所有T I 的C C 系列芯片。可以使用I A R 或者S m a r t R F P r o g r a m m e r 通过此仿真器进行在线程序调试与下载。也可与S m a r t R FS t u d i o 软件，P a c k e t S n i f f e r 软件配合使用。 S T M 3 2 的软件环境采用的是K e i lM D K 。M D K 是由A R M 公司开发，针对各种嵌入 太原理工大学硕士研究生学位论文 式处理器的嵌入式软件软件开发工具。包括I ．t V i s i o n 3 集成开发环境与R e a l V i e w 编译器。 M D K 集成了F l a s h 烧写模块，并且能够自动配置启动代码，具有强大的S i m u l a t i o n 设备 模拟、性能分析等功能。能够支持A R M 7 、A R M 9 处理器，以及最新的C o r t e x ．M 3 核处 理器。性能的改善可超过2 0 ％。仿真器采用的是奋斗的J - L I N K V 8 仿真器。J - L i n k 是 S E G G E R 公司为支持仿真A R M 内核芯片推出的J T A G 仿真器。配合I A RE W A R M ，M D K 等集成开发环境，可以支持几乎所有的A R M 7 、A R M 9 、C o r t e x ．M 3 核处理器的仿真。 J T A G 速度可达1 2M H z ，下载速度快。而且操作都很简单方便。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 ．1Z i g B e e 模块 第四章系统硬件 Z i g B e e 模块是一个独立的模块，框图如图4 一l ，实物图如图4 - 2 。是节点的核心部 分，也是分站的R F 发射部分。它以C C 2 5 3 0 C C 2 5 9 l 【1 0 】[ 1 1 1 为核心，在整个系统中负责 Z i g B e e 网络的组建。在节点中同时作为节点的主控芯片，负责完成节点的各项功能。 4 ．I ．1C C 2 5 9 1 功放 图4 1Z i g B e e 模块硬件框因 F i g ．4 1B l o c kd i a g r a mo f t h eZ i g B e em o d u l eh a r d w a r e 线 每个节点之间的距离为5 0 m ，为了保证系统能够稳定地工作，当其中的一个节点出 现问题而无法通信时，系统就会跨过此节点进行传输。这样就要求每个节点之间至少要 在1 0 0 以上也能够很好地通信；当节点位于井下时，由于环境闭塞，空间局促，信号强 度会受很大的影响。为保证有效通信，在C C 2 5 3 0 前端增加了C C 2 5 9 1 功率放大芯片【1 2 1 。 这样可以使最大发射功率增加到2 0 d B m 。 1 3 太原理工大学硕