新型被动式煤矿井下环境安全监测系统设计说明

1、 . .PAGE87 / NUMPAGES90目录TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc358813659摘要 PAGEREF _Toc358813659 h 1HYPERLINK l _Toc358813660Abstract PAGEREF _Toc358813660 h 2HYPERLINK l _Toc358813661第1章绪论 PAGEREF _Toc358813661 h 3HYPERLINK l _Toc3588136621.1 研究背景 PAGEREF _Toc358813662 h 3HYPERLINK l _Toc3588136631.2 国外煤矿

2、安全监测系统发展现状 PAGEREF _Toc358813663 h 3HYPERLINK l _Toc3588136661.3 研究容和目的 PAGEREF _Toc358813666 h 4HYPERLINK l _Toc3588136671.4 方案总体概述 PAGEREF _Toc358813667 h 6HYPERLINK l _Toc358813668第2章系统主要应用理论概述 PAGEREF _Toc358813668 h 8HYPERLINK l _Toc3588136692.1 无线传感网络概述 PAGEREF _Toc358813669 h 8HYPERLINK l _To

3、c3588136702.2 ZigBee技术概述 PAGEREF _Toc358813670 h 9HYPERLINK l _Toc3588136712.3 ZigBee技术特点 PAGEREF _Toc358813671 h 10HYPERLINK l _Toc3588136722.4 ZigBee网络配置与拓补结构 PAGEREF _Toc358813672 h 11HYPERLINK l _Toc3588136732.5 ZigBee技术的应用 PAGEREF _Toc358813673 h 12HYPERLINK l _Toc3588136742.6 几种热门短距离无线通讯技术比较 P

4、AGEREF _Toc358813674 h 13HYPERLINK l _Toc358813675第3章系统硬件选择与设计 PAGEREF _Toc358813675 h 15HYPERLINK l _Toc3588136763.1 处理器的选型设计 PAGEREF _Toc358813676 h 15HYPERLINK l _Toc3588136793.2 温湿度传感器电路设计 PAGEREF _Toc358813679 h 17HYPERLINK l _Toc3588136803.2.1 DHT11传感器概述 PAGEREF _Toc358813680 h 17HYPERLINK l _

5、Toc3588136813.2.2 DHT11传感器引脚功能 PAGEREF _Toc358813681 h 18HYPERLINK l _Toc3588136823.2.3 传感器电气特性 PAGEREF _Toc358813682 h 18HYPERLINK l _Toc3588136833.2.4 DHT11应用电路原理与设计 PAGEREF _Toc358813683 h 19HYPERLINK l _Toc3588136843.3 瓦斯传感器的选择与应用电路设计 PAGEREF _Toc358813684 h 19HYPERLINK l _Toc3588136853.3.1 MQ-5

6、传感器概述 PAGEREF _Toc358813685 h 19HYPERLINK l _Toc3588136863.3.2 传感器规格参数 PAGEREF _Toc358813686 h 20HYPERLINK l _Toc3588136873.3.3 传感器应用电路设计 PAGEREF _Toc358813687 h 22HYPERLINK l _Toc3588136883.4 语音报警电路设计 PAGEREF _Toc358813688 h 24HYPERLINK l _Toc3588136893.4.1 语音芯片概述 PAGEREF _Toc358813689 h 24HYPERLIN

7、K l _Toc3588136903.4.2 语音芯片管脚功能 PAGEREF _Toc358813690 h 25HYPERLINK l _Toc3588136913.4.3 语音芯片应用电路设计 PAGEREF _Toc358813691 h 26HYPERLINK l _Toc3588136923.4.4 功放电路设计 PAGEREF _Toc358813692 h 26HYPERLINK l _Toc3588136933.5 节点电路设计 PAGEREF _Toc358813693 h 29HYPERLINK l _Toc3588136943.5.1 网络协调器节点电路设计 PAGER

8、EF _Toc358813694 h 29HYPERLINK l _Toc3588136953.5.2 终端设备电路原理图设计 PAGEREF _Toc358813695 h 34HYPERLINK l _Toc358813696第4章系统软件设计 PAGEREF _Toc358813696 h 38HYPERLINK l _Toc3588136974.1 系统软件开发平台 PAGEREF _Toc358813697 h 38HYPERLINK l _Toc3588136984.2 TI Z-Stack软件架构 PAGEREF _Toc358813698 h 39HYPERLINK l _To

9、c3588136994.2.1 协议栈结构 PAGEREF _Toc358813699 h 39HYPERLINK l _Toc3588137004.2.2 ZigBee网络层 PAGEREF _Toc358813700 h 40HYPERLINK l _Toc3588137014.2.3 ZigBee应用层 PAGEREF _Toc358813701 h 40HYPERLINK l _Toc3588137024.2.4 ZigBee协议栈在IAR中项目组织 PAGEREF _Toc358813702 h 41HYPERLINK l _Toc3588137034.3 人员定位系统设计思路 PA

10、GEREF _Toc358813703 h 42HYPERLINK l _Toc358813707第5章本质安全型防爆 PAGEREF _Toc358813707 h 45HYPERLINK l _Toc3588137085.1 防爆的基本概念 PAGEREF _Toc358813708 h 45HYPERLINK l _Toc3588137125.2 本质安全型防爆技术 PAGEREF _Toc358813712 h 46HYPERLINK l _Toc3588137165.3 电路放电火花 PAGEREF _Toc358813716 h 48HYPERLINK l _Toc35881371

11、75.4 本系统设备本质安全性能评估 PAGEREF _Toc358813717 h 50HYPERLINK l _Toc358813718第6章系统设计成果展示 PAGEREF _Toc358813718 h 51HYPERLINK l _Toc358813719结论 PAGEREF _Toc358813719 h 58HYPERLINK l _Toc358813720参考文献 PAGEREF _Toc358813720 h 59HYPERLINK l _Toc358813721附录A PAGEREF _Toc358813721 h 60HYPERLINK l _Toc358813722附录

12、B PAGEREF _Toc358813722 h 62HYPERLINK l _Toc358813723致 PAGEREF _Toc358813723 h 74HYPERLINK l _Toc358813724外文文献 PAGEREF _Toc358813724 h 75HYPERLINK l _Toc358813725中文翻译 PAGEREF _Toc358813725 h 82新型被动式煤矿井下环境安全监测系统设计摘要：我国煤矿大多数为矿工开采,不安全因素很多,瓦斯煤尘和火灾等灾害事故频繁发生,灾害事故危害严重,伤害人员多,灾后搜救刻不容缓，因此,研究煤矿救灾新装备是一项紧迫任务,机器人

13、将被应用到煤矿救灾领域是一种趋势。但矿井搜救机器人在通讯、避障和机械可靠性等方面的技术不够完善。本文将开发一种基于仿生蜘蛛机器人与ZigBee无线网络的煤矿井下搜救探测蜘蛛机器人技术与系统研究。借用越障优势极强的蜘蛛机器人为平台，以SI4432技术为核心远程操控蜘蛛机器人进入煤矿井下搜救，在搜救过程中采用RSSI（Received Signal Strength Indication）算法计算信号强度，沿途自动播撒SI4432无线数传模块作为信号中转基站，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，建立无线通讯网络，通过机器人身上一系列的红外夜视仪、工业摄像头、瓦斯传感器，温湿

14、度传感器等，将现场的情况一一反应给外界操作人员，地面指挥人员可通过PC、智能手机等一系列的设备经行接收，确定最佳救援方案。同时还能携带有食品、 水、 药品、 救护工具等救助物资， 使受害者能够积极开展自救。通过深入了解蜘蛛机器人和无线传感器网络SI4432技术与其在煤矿井下的应用，目的在于改进现阶段国一些煤矿井下搜救设备，从而提高矿井灾后搜救水平和安全搜救效率，同时为今后进一步研究和实际应用打下良好基础。设计过程通过指导老师的耐心指导，同学之间的商讨以与借阅和搜集到的资料，使得本次设计达到了预期的结果。关键词：ZigBee技术；CC2430；煤矿；安全监测Design of a new pas

15、sive environment of underground coal mine safety monitoring systemAbstract：With the rapid growth in coal demand, coal industry in China has also been a great development, but the coal mine safety accidents occur frequently, which is a very important reason is that the current safety monitoring syste

16、m of coal mine environment is not perfect.This design will develop a new ZigBee technology based on the mobile, passive monitoring system of mine gas and temperature and humidity. Using CC2430/CC2431s TI chip as the control core, the overlap of gas sensor MQ-5 and the temperature and humidity sensor

17、 DHT11 to collect coal mine gas concentration and temperature and humidity, with 8051 microcontroller embedded in CC2430 data processing, realize the wireless communication and node localization based on Z-Stack protocol using CC2430/ CC2431 data transmission function and RSSI algorithm.Through the

18、field bus technology and well on PC communication, the gas concentration measurement and air temperature, humidity measurement are combined, the monitoring personnel can be more comprehensive, real-time understanding of the state of the environment, to a greater extent to ensure the safety of coal m

19、ine.Through in-depth understanding of wireless sensor network and ZigBee technology and its application in the coal mine, aims to improve the present domestic some underground environment of coal mine safety monitoring system, so as to improve the safety production of the coal mine safety production

20、 management level and efficiency, at the same time, a good foundation for further research and practical application.The design process through the guidance of the teachers patient guidance, collected between students discuss and lending and information, so that the design achieves the expected resu

21、lts.Keywords: ZigBee; CC2430; coal mine; safety monitoring第1章 绪论1.1 研究背景能源工业在国家经济发展中起着举足轻重的作用，近些年来，随着石油资源的紧、石油价格的不断飘升，煤炭行业的重要性和不可替代性也日益显现。我国矿藏十分丰富，煤炭储量位居世界第一位。从近期统计数据来看，我国可用煤炭储量仅去年就新增1320亿吨。我国煤炭资源非常丰富，煤炭是我国能源结构中的命脉所在。煤矿安全生产在我国国民经济安全生产中占有重要的地位。然而，我国煤矿与世界各主要产煤大国比较，开采安全问题较多，矿井下地质构造比较复杂，而且自然灾害也频频发生。近年来，

22、我国煤矿事故仍然较多，个别地区重、特大事故常有发生。据不完全统计，近几年来，中国煤炭产量占全球产量的50%以上，但是煤矿事故伤亡人数却占全球伤亡总人数80%。轻则造成经济损失，重则造成人员伤亡，所以煤矿生产中的最关键的问题就是安全问题。不断加强灾害预防、事故救助等措施己成为煤炭安全生产中当务之急。随着我国日益重视煤矿安全生产工作，矿井人员定位、煤矿现代化管理、煤矿安全监测系统越来越体现出其重要性，实现井下环境参数（如瓦斯、温度、湿度）的实时监测和井下人员定位在安全生产中尤为重要。国各大煤矿企业也陆续开始研究部署煤矿井下作业人员和作业环境的监管监测系统。1.2 国外煤矿安全监测系统发展现状1.2

23、.1 国外煤矿安全监控系统的现状随着网络技术和通信技术的发展, 国外新推出的矿井监测系统均采用基于开放系统互连标准模型的集散系统结构。系统由现场测控分站和控制中心主站组成。系统支持多种互连标准, 方便地组成多节点的安全监测监控网络, 实现系统间的通信和数据共享。安全监测监控可由原来单一的监测监控向综合自动化方向发展。全矿井综合监测控制系统有代表性的产品有美国MSA 公司生产的DAN6400 系统, 德国BEBRO 公司的PROMOS 系统等。1.2.2 我国煤矿安全监控系统的现状（1）通信协议不规由于现有生产厂家的监控系统的通信协议均互不兼容, 没有一个符合矿井电气防爆等特殊要求的总线标准,

24、从而造成不同厂商的设备无法兼容, 无法共享传输电缆。因此, 通信协议不规的后果是造成设备重复购置、受制于人、不能随意进行软和硬件升级改造。（2）井下信息传输设备物理接口协议不规如煤炭科学研究总院分院的KJF2000 和瑞赛长城航空测控技术的KJ2000 这两种系统, 尽管均采用FSK 技术, 以与信息传输波特率均为1 200 bps 或2 400 bps, 但其传输信息的调制频率不同和传输信息的收发电压幅值不同也造成这两种系统的分站不能兼容。（3）智能传感器性能差与系统配接的CH4和CO传感器，已成为矿井瓦斯综合治理和监测煤炭自燃发火等灾害的关键技术装备, 并越来越受到使用单位和研究人员的普遍

25、重视。据统计, 国产安全监测用CH4传感器和CO传感器, 长期以来所用敏感元件一直存在使用寿命短、工作稳定性差、零点漂移、灵敏度漂移以与制作工艺水平低、元件一致性差的缺点, 从而严重制约着矿井瓦斯、一氧化碳的正常检测, 与国外同类传感器相比较差距很大。（4）诊断功能有待加强作为管理维护监控系统的辅助手段, 部分系统只能对系统的通讯状况诊断, 不能详细地判断故障的性质和故障点, 而实际工作中要求能判断出分站、传感器或电缆故障之间或短路报警与真实超限之间区别, 为维护人员提供故障的类型和方位, 以便于迅速处理故障。（5）现有监控系统不具备煤矿事故决策支持系统的功能, 无法对煤矿事故进行预报、预警与

26、向用户提供避免事故的对策和方案。矿井终端监控设备缺乏黑匣子功能, 因而也不能对事故起因分析提供有效证据。1.3 研究容和目的针对有线网络难以动态、全方位监控煤矿的问题。采用ZigBee 技术构建基于无线传感器网络的新型煤矿监控系统。该移动终端节点直接固定在矿工的安全帽上，采用2节AA电池供电。可实现对煤矿入井人员的实时跟踪监控和定位。随时掌握井下每个作业人员的位置与活动轨迹，并对其所在位置进行温湿度和瓦斯浓度检测。对保证煤矿安全生产有着重要的现实意义。本设计题目新型被动式煤矿井下环境安全监测系统设计，是对所学的电气工程与其自动化专业知识的一次全面而又彻底的实战性检验。考察学生对所学知识熟悉的全

27、面性、深入性、专业性与应用的实践性。本设计题目的主要容涉与：1) ZigBee节点、各传感器与语音报警电路的硬件电路设计；2) 介绍ZigBee网络的组成形式，网络拓扑结构，应用场所等；3)各传感器的性能分析；4)矿井人员定位系统的设计；5)各软件控制系统的程序分析，流程设计；目的要求与主要技术指标：1)能够准确的测量矿工所处位置的实时温湿度；2)能够准确进行瓦斯浓度异常报警；3)能够准确的对矿下工人进行定位；4)所有井下安装设备必须低功耗、低温度、防爆；5)要能够实现通过有线和无线网络与井上进行实时通信，使井上监控人员能够实时全面地了解井下的情况。应完成的主要任务：1)完成设计说明书，字数在

28、1.52万字。2)完成相应的控制系统电路原理图、设备布置图和程序流程图等。3)应用zigbee技术建立无线传感网络，完成无线信息传输。4)完成硬件对应的软件程序设计。5)将检测部分、控制部分与无线传感网络有机结合形成一套完整实时监测系统。目的和意义：合理设计装置技术路线和电路，完成具有瓦斯浓度测量、温度、湿度测量，并具有通信功能的检测装置，将所有材料以文字形式体现出来，并制作出具有一定演示效果的实验室阶段作品。这是对设计者的一次全面的实践性考察，通过这次设计能够很好的提高自身分析问题和解决问题的能力，对于提高设计者综合素质和以后工作的严谨作风有十分重要的意义。1.4 方案总体概述本系统基于Zi

29、gBee技术构建，分为井上部分和井下部分。如图1.1所示。ZigBee网络的应用体现在井下部分。接入节点用于引入ZigBee网络，其主要固定在主巷道，各节点用双绞线连接，接入光纤数据传输接口，将电信号转化为光纤传输的光信号，传输至井上。路由节点固定在除主巷道的其它需要进行检测的巷道。可接收来自移动终端的数据，并路由至接入节点。通过对各固定终端的布置，在井下巷道建立了ZigBee网络。当矿工进入井下ZigBee网络时，随身携带的移动终端将自动与接入节点或路由节点连接，并随着矿工的移动随时检测当地的温湿度，瓦斯浓度和其位置，将这些信息通过固定节点上传至地面监控主机。井上部分主要用来对由井下部分的传

30、来的信息进行处理，监控。监控主机用来运行上位机管理软件，管理者通过屏幕可以实时掌握井下情况。通过集线器可以连接上服务器与数据存储数据库，供监管部门通过Internet远程监控。1终端设备 2参考节点 3以太网交换机 4路由节点图1.1 方案总体结构1.4 章节安排与其容第1章：绪论；第2章：对本设计所用到的主要技术ZigBee技术进行简单介绍，包括无线传感器网络，ZigBee技术的特点，网络组成以与应用；第3章：整个系统的硬件电路的设计，包括zigbee硬件电路、传感器电路、报警电路以与RS232通信电路等。第4章：系统软件部分设计，包含Z-Stack软件框架介绍、基于RSSI的定位算法。第5

31、章：作为井下用电子设备，一个不可避免的问题防爆。本章引用了防爆的基本概念，来介绍了本质安全防爆技术，并且分析了井下电子设备主要影响了本质安全性能的器件。最后说明了本次所设计的设备需要注意的地方。第6章：展示本设计在实验室阶段的测试成果。附录A：系统总电路图。附录B：系统部分程序代码。第2章 系统主要应用理论概述2.1 无线传感网络概述无线传感器网络（wireless sensor networks,WSN）是当前在国际上备受关注的、涉与多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器、嵌入式计算、现代网络与无线通信和分布式信息处理等技术，能够通过各类集成化的微型传感器协同完成对各

32、种环境或监测对象的信息的实时监测、感知和采集，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以与人类社会这三元世界的连通。 20世纪70年代，第一代传感器网络出现，使用具有简单信息信号获取能力的传统传感器，采用点对点传输、连接传感控制器构成传感器网络；随着相关学科的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感器控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络；第三代传感器网络出现在20世纪90年代后期和21世纪初，用具有智能获取多种信息信号的传感器，采用现场总线连接传感器控制器，构成局

33、域网络，成为智能化传感器；第四代传感器网络正在研究开发，用大量的具有多功能、多信息信号获取能力的传感器，采用自组织无线接入网络，与传感器网络控制器连接，构成无线传感器网络，无线传感器网络是新一代的传感器网络。作为新一代的传感器网络，目前全世界各国都十分重视无线传感器网络的发展，IEEE正在努力推进无线传感器网络的应用和发展，波士顿大学（Boston University）还创办了传感器网络协会（Sensor Network Consortium），以促进传感器联网技术开发。在“中国未来20年技术预见研究”中总共157个技术课题，其中有7项是直接论述传感网络的。2006年初发布的国家中长期科学与

34、技术发展规划纲要为信息技术确定了3个前沿方向，其中两个与无线传感器网络的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。可以预计，无线传感器网络的广泛应用将是一种必然趋势。我国无线传感器网络与其应用研究与国际同步，目前国的许多高校也掀起了无线传感器网络的研究热潮。清华大学、中国科技大学、解放军信息工程大学、大学、交通大学、华中科技大学等高校纷纷开展了有关无线传感器网络方面的基础研究工作。一些高科技企业，如中国移动、华为、中兴等大型企业，也加入了研究行列。如果说Internet构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么，无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起

35、，改变人类与自然界的交互方式。人们可以通过传感器网络直接感知客观世界，从而极扩展现有网络的功能和人类认知世界的能力。他不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域具有巨大的运用价值，在未来还将在许多新兴领域体现其优越性，如煤矿生产、家用、保健、交通等领域。我们可以大胆的预见，将来无线传感器网络将无处不在，将完全融入我们的生活。例如，微型传感器网最终可能将家用电器、个人计算机和其他日常用品同互联网相连，实现远距离跟踪控制，家庭采用无线传感器网络用作安全调控、节电等。无线传感器网络将是未来的一个无孔不入的十分庞大的网络，其应用可以涉与人类日常生活和社会生产活动的所有领域。无线传感器网络是一种全新的

36、信息获取平台，能够实时监测，恰恰符合矿井环境安全监测和实时跟踪功能，通过采集网络分布区域移动人员的环境参数和位置信息，并将这些信息发送到路由节点，以实现复杂的指定围目标环境检测与跟踪，并通过有线网络将信息快速的传递到矿井监控中心，有利于监控中心管理井下人员，当紧急情况发生，能快速撤离或营救井下人员，保证人的生命安全。2.2 ZigBee技术概述ZigBee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其PHY层和MAC层协议采用IEEE802.15.4协议标准，网络层由ZigBee技术联盟制定，应用层的开发应用根据用户自己的应用需要，对其进行开发利用，因此该技术能够为用户提供机动、灵活的组网

37、方式。其利用全球共用的公共频率2.4 GHz,在频段2.4GHz,ZigBee技术有16个速率为250kbps的信道。对于各种传感器，智能测控，智能标记和家电设备，该速率完全可以满足要求。应用于监视、控制网络时,其具有非常显著的低成本、低功耗、网络节点多、大容量网络等优势。目前被视为替代短距离有线监视和控制网络领域最有前景的技术之一。本设计利用ZigBee技术的自组网技术来实现识别矿井行进人员在不同区域的行进与停留，以与对当地的温湿度和瓦斯浓度进行检测。对于一般的煤矿具有很强的应用价值。什么是ZigBee技术所采用的自组网技术？举一个简单的例子就可以说明这个问题，当一队伞兵空降ZigBee自组

38、织网通信方式后，每人持有一个ZigBee网络模块终端，降落到地面后，只要他们彼此间在网络模块的通信围，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络。而且，由于人员的移动，彼此间的联络还会发生变化。因而，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新。这就是自组织网。2.3 ZigBee技术特点ZigBee技术的特点包括以下几方面，见下表：表2.1 ZigBee技术的主要特点序号特点概述1高可靠性采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽通信业务预留了专用时隙 避免了发送数据时的竞争和冲突，节点之间动态组网。2速率低只有10kBit/s到250kBit/s 专

39、注于低传输应用。3优良的网络拓补能力ZigBee设备具有无线网路自愈能力，具有星状、树状和网状网络结构的能力。因此通过网络拓补能简单的覆盖广阔围。4网络容量大可支持达65000个节点。5成本低ZigBee的数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。6有效围大有效覆盖围1075m之间（通过功放可在低功耗条件实现1000m以上通信距离）。7安全性高ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能 加密算法采用通用AES-128，具有高性：64位出厂编号。8功耗低在低耗电待机模式，两节普通5号干电池可使用6个月到2年。9时延短针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延非常短，通常时延都

40、在1530ms之间。10工作频率灵活使用的频段分别为2.4GHz、868MHz(欧洲)与915MHz(美国) 均为免执照频段ZigBee技术和RFID技术在2004年就被列为当今世界发展最快、市场前景最广阔的十大最新技术中的两个。今后若干年，都将是ZigBee技术飞速发展的时期。2.4 ZigBee网络配置与拓补结构ZigBee网络的器件类型从功能上分简化功能设备RFD(Reduced Function Device)和全功能设备FFD(Full Function Device)。表2.2 ZigBee器件的功能分类设备类型拓扑类型功能描述全功能设备（FFD）星型网状树状可为个人域网协调器(P

41、ersonal Area Network Coordinator，PAN Coordinator)、协调器(Coordinator)和终端设备(Device)，可以与任何设备通信。精简功能设备（RFD）星型可以用最低端的MCU实现，在网络里一般作为不需要发送大量数据的终端设备，其只能和全功能设备通信。仅需消耗很少的资源和存储开销。从逻辑上划分：ZigBee网络由三种设备组成，分别为协调器（Coordinator）、路由器（Router）和终端设备（End Device）。IEEE 802.15.4协议中规定的三种设备中最复杂的一种是ZigBee协调器。在这3种设备中，协调器的计算能力最强、存储

42、容量最大，因此被称为FFD全功能设备。ZigBee协调器负责建立网络和ZigBee网络的初始化，分配网络工作的信道、标识个人域网和分配64位地址等功能。与IEEE 802.15.4定义的协调器类似，ZigBee路由器也是全功能设备，有64位路由地址，允许在无线通信围的终端节点离开或者加入网络，具有存储、路由和转发数据等功能。ZigBee终端设备由全功能设备或简化功能设备构成，与父节点进行通信，并从其父节点获得短地址、网络标识符等信息。ZigBee网络的拓扑结构：ZigBee网络支持的网络拓扑结构有三种，分别是树状型、星型、网状，如图2.1所示。图2.1 网络层拓朴结构图如果要组建一个无线网络，

43、每个子网络可以最多255个节点，不同的网络之间能够互连，从而对网络进行扩充。每个子网由一个协调器节点责任，ZigBee终端设备担当叶子节点。一种可靠的ZigBee无线网络，与CDMA和GSM比较类似。类似于移动网络基站的ZigBee数传模块。无线通信距离从标准的75m进行扩展，几百米、甚至几公里，可以无限扩展。ZigBee网络中无线数据传输模块可多达65000个，组成的一个无线网络平台，在这个ZigBee无线网络围，每一个数据传输模块之间可以相互通信。与移动通信的GSM网或CDMA网相比，ZigBee无线网络和他们存在一些不同的之处，ZigBee网络主要用于工业现场自动化控制数据传输，具有使用

44、方便、工作可靠等特点。建立移动通信网，每个基站都会花费在百万元人民币以上，而ZigBee模块却花费不到500元人民币。ZigBee网络中节点本身可以自动中转其他的网络节点传过来的数据信息，而且可以作为监控对象。在ZigBee网络中每一个FFD（全功能器件）节点在自己信号覆盖的围，与多个没有信息中转任务的孤立的子节点RFD（简化功能器件）进行无线连接。2.5 ZigBee技术的应用ZigBee是一种低成本、低功耗、低速率、短距离无线网络技术，凡是具有上述特征或要求的场合都可以应用。ZigBee技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用，而不是技术本身。随

45、着正式版本的协议的公布，更多的注意力和研发力量将转到应用的设计和实现、互联互通测试和市场推广等方面。我们有理由相信在不远的将来，将有越来越多的置ZigBee功能的设备进入工业、生活，并将极改善我们的生活方式和生活水平。ZigBee技术可应用场合：（1）数字家庭领域。可以应用于家庭的照明、温度、安全、控制等。ZigBee模块可安装在电视、灯泡、遥控器、儿童玩具、游戏机、门禁系统、空调系统和其他家电产品等。（2）工业领域。通过ZigBee网络自动收集各种信息，并将信息回馈到系统进行数据处理与分析，以利于工厂对整体信息的掌握，例如火警的感测和通知、照明系统之感测、生产机台的流程控制等。（3）智能交通

46、。如果沿着街道、高速公路与其他地方分布式地装有大量ZigBee终端设备，你就不再担心会迷路。安装在汽车里的器件将告诉你当前所处位置、正向何处去。（4）医疗领域。将各种传感器与ZigBee设备结合在一起，可以与时、准确、方便、实时地对患者的血压、脉搏、体温等生命特征进行监测，从而使医护人员作出有效、快速反应，准确诊断病情，与时挽救危重病人。（5）环境监测。在气象、环保领域，可以将ZigBee网络与其他的通信技术（如GSM/GPRS）结合起来，采集某特定区域中的温度、气压、降雨、噪声、大气成分等有效数据。这里众多的ZigBee设备负责各点的数据采集，由ZigBee协调器进行集中，然后再使用GSM等

47、将采集的数据传送到监测中心。（6）安全保障。在机场、地铁、火车站、大型商场等公共场所，加装能够感知各种气味的ZigBee传感器网络系统，就可以时刻监测汽油、爆炸物等危险物品是否被非法携带，并且根据网络定位技术与时准确的定位物品所在位置，保障人员安全。同时也可以将ZigBee节点安放在某些重要设备部，可以起到防止设备失窃，或在失窃条件下与时对设备进行跟踪，保障财产安全。2.6 几种热门短距离无线通讯技术比较目前，短距离无线通信技术除ZigBee技术外还有Bluetooth（蓝牙）、IEEE802.1lb、IEEE802.1la、IEEE802.1lg、RFID、HomeRF、DECT、红外等。下

48、面表格就以上列出几种技术进行比较。表2.3 几种短距离无线通信技术的比较规工作频段最大功耗设备数支持组织主要用途ZigBee868/915MHz 2.4GHz13mWZigBee联盟家庭网络、控制网络、传感器网络红外820nm数mW2IrDA透明可见围的数据传输，近距离遥控DECT1.881.9GHz几十mW12欧洲家庭话音与数据无线连接HoneRF2.4GHz100mW127HomeRF家庭无线局域网蓝牙2.4GHz1100mW7BluetoothSIG个人局域网802.11b2.4GHz100mW255IEEE802.11b无线局域网802.11a2.4GHz100mW255IEEE802

49、.11a无线局域网802.11g2.4GHz100mW255IEEE802.11g无线局域网RFID2.4GHz不需要供电2澳大利亚零售组织等超市、物流管理第3章 系统硬件选择与设计3.1 处理器的选型设计3.1.1 CC2430/31芯片资料图3.1 CC2430芯片管脚图CC2430/CC2431是全球领先的半导体巨头仪器（TI）公司收购领先的短距低功率无线射频（RF）收发器设备的设计公司Chipcon后推出的全球首个真正意义上的系统与芯片ZigBee解决方案，是一款真正符合IEEE802.15.4和ZigBee标准的SoC（System on Chip，片上系统）产品。CC2430和业领

50、先的ZigBee协议栈Z-Stack一起提供了市场上最具竞争力的ZigBee解决方案。CC2430除了包括RF收发器外，还集成了增强型8051MUC、32/64/128KB的Flash存储器、8KB的RAM、AES-128安全协处理器以与ADC、DMA、看门狗定时器等。CC2430工作在2.4GHz频段，采用低电压（2.03.6V）供电且功耗很低，接收信号灵敏度高达-92dBm、最大发射功率+dBm、最大传输速率为250kbps。CC2430硬件支持CSMA/CA和RSSI/LQI功能，为开发检测、跟踪定位系统提供了技术保证。CC2430芯片的主要特点如下：（1）高性能和低功耗的8051微控制

51、器。（2）集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线接收器。（3）优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。（4）在休眠模式时仅0.9A的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统；在待机模式时少于0.6A的流耗，外部的中断能唤醒系统。（5）硬件支持CSMA/CA功能。（6）较宽的工作电压围（2.03.6V）。（7）数字化的RSSI/LQI（Link Quality Indication）支持和强大的DMA功能。（8）集成了14位数模转换的ADC。（9）具有电池监测和温度感测功能。3.1.2 CC2430最小系统应用电路CC2430 芯片需要很少的外围部件配合就能实现信号的收发功能。图3

52、.2为CC2430 芯片的最小系统电路。图3.2 CC2430最小系统电路电路使用一个非平衡天线,连接非平衡变压器可使天线性能更好。电路中的非平衡变压器由电容C22和电感L1、L2、L3以与一个PCB 微波传输线组成，整个结构满足RF 输入/输出匹配电阻(50 )的要求。部T/R 交换电路完成LNA 和PA 之间的交换。R1和R2为偏置电阻，电阻R2主要用来为32 MHz 的晶振提供一个合适的工作电流。用1 个32 MHz 的石英谐振器（XTAL1）和2 个电容（C26和C27）构成一个32 MHz 的晶振电路。用1 个32.768 kHz 的石英谐振器（XTAL2）和2 个电容（C15和C1

53、6）构成一个32.768 kHz 的晶振电路。电压调节器为所有要求1.8 V 电压的引脚和部电源供电，C19和C21 电容是去耦合电容,用来电源滤波,以提高芯片工作的稳定性。3.2 温湿度传感器电路设计温湿度传感器采用单总线输出的高精度DHT11数字温湿度传感器，其几乎不需要外围电路即可直接和控制芯片串行相连，进行数据的采集传输。3.2.1 DHT11传感器概述图3.3 DHT11传感器实物照片DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NT

54、C测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP存中，传感器部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为 4 针单排引脚封装。3.2.2 DHT11传感器引脚功能 1 2 3 4表3.1 DHT11引脚说明引脚名称注释1VDD供电 35.5VDC2DATA串行数据，单总线3NC空脚，请悬空4GND接地

55、，电源负极3.2.3 传感器电气特性表3.2 DHT11电气特性说明参数条件mintypmax单位供电DC355.5V供电电流测量0.52.5mA平均0.21mA待机100150uA采样周期秒1次注:采样周期间隔不得低于1秒钟。3.2.4 DHT11应用电路原理与设计图3.4 DHT11典型应用电路说明：在DATA（2 Pin）连接线长度短于20米时用5K上拉电阻,大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻。图3.5 本设计应用DHT11电路电路板实际连线，VCC引脚连接2节5号电池输出的电源线正极上，DATA引脚连接CC2430的P0.0引脚，NC引脚悬空，GND引脚连接电池负极上。数据通过

56、DATA引脚串行输出到CC2430芯片就行处理，发送。3.3 瓦斯传感器的选择与应用电路设计3.3.1 MQ-5传感器概述瓦斯传感器采用以金属氧化物二氧化锡为主体材料的N型半导体气敏元件MQ-5，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。图3.6 MQ-5外形尺寸图MQ-5传感器对甲烷、丙烷、丁烷的灵敏度高，对甲烷和丙烷可较好的兼顾。这种传感器可检测多种可燃气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。图3.7 MQ-5结构图如图3.7所示(结构A 或 B), 由微型Al2O3瓷管、SnO2 敏感层,测量电极和加热

57、器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有只针状管脚，其中个用于信号取出，个用于提供加热电流。3.3.2 传感器规格参数表3.3 标准工作条件符号参数名称技术提交备注Vc回路电压24VDCVH加热电压5.0V0.AC或DCRL负载电阻可调RH加热电阻313室温PH加热功耗900mW表3.4 环境条件符号参数名称技术条件备注Tao使用温度-1050Tas储存温度-2070RH相对湿度小于 95% RH氧气浓度21%(标准条件)氧气浓度会影响灵敏度特性最小值大于2%表3.5 灵敏度特性符号参数名称技术条件备注Rs敏感体表面电阻2K-20K

58、（2000ppm）使用围300-10000ppm甲烷、丙烷、丁烷、氢气（/)浓度斜率标准工作条件预热时间温 度： 202Vc:5.0V0.1V相对湿度： 65%5%VH: 5.0V0.1V不少于48小时敏感体公式功耗(Ps)值计算公式： (3.3.1)传感器电阻(Rs)值计算公式： (3.3.2)3.3.3 传感器应用电路设计图3.8 MQ-5测试电路图图3.8是传感器的基本测试电路。该传感器需要施加2个电压：加热器电压（VH）和测试电压（VC）。其中 VH用于为传感器提供特定的工作温度。VC 则是用于测定与传感器串联的负载电阻（RL）上的电压（VRL）。这种传感器具有轻微的极性，VC需用直流

59、电源。在满足传感器电性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一个电源电路。为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的RL值。本设计根据此传感器的技术参数与性能说明设计出如下电路：图3.9 MQ-5电路原理设计电路图说明：H两端是加热电源5V，因为CC2430移动终端电路板供电电压为3.3V，所以参考电压为3.3V，VCC3.3V当做测试电压接在A端，B端根据实际瓦斯气体浓度输出相对应的模拟量电流值。通过DATA_MQ_5输出至射频单片机CC2430的P1.4口，通过芯片部AD转换，将模拟量转换为数字量，通过CC2430的通信功能将数值传送至协调器进行处理。后半部分电路功能是根据机械调节比较值，设置瓦

60、斯浓度报警值。通过调节RP2设置比较器参考电压，通过电压比较器LM393芯片，将瓦斯浓度电压值与报警参考值进行比较，正常情况下LM393的1引脚输出高电平，一旦瓦斯浓度超过报警值，即MQ-5传感器的B口输出电流在RP1上产生的压降超过RP2的参考电压，LM393的1引脚输出低电平。产生报警信号，传给控制芯片进行相应的处理。下两图（图3.10和图3.11）为瓦斯传感器电路改进前和改进后电路板对比。图3.10 瓦斯传感器改进前电路图3.11 瓦斯传感器改进后电路3.4 语音报警电路设计语音报警电路通过ZigBee路由节点控制，一旦工人所处位置瓦斯浓度超标，移动终端节点就会发信息给路由节点，通过路由