毕业设计（论文）无线传感器网络在煤矿瓦斯监测系统中的应用

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1、内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 （题 目：无线传感器网络在煤矿瓦斯监测系统中的应用学生姓名：学 院：信息工程学院系 别：电子系专 业：电子信息工程班 级：电子06-1指导教师： 本科毕业设计说明书学校代码： 10128学 号： 200620203003气室二 一 年 六 月摘 要近年来，国内外很多煤矿开始了数字化的建设，很多成熟的工业监测技术运用到了煤矿生产中，对保障煤矿安全生产发挥了重要的作用。但现有的大多数监测方法仍需人工下井采集数据，给管理带来许多不便。煤矿缺乏通信平台，煤矿生产环节联动性差，效率低。本文针对国内煤矿生产现状，分析了矿井综合监测系统的需求，提出了一种以ZigBee技术和

2、红外瓦斯监测技术相结合的矿井监测方案，并详细叙述了该系统的整体框架和体系结构。其中传感器部分提出了一种光谱式瓦斯红外监测技术。该技术采用双波长单光路传感器结构，选定甲烷分子在3.31m吸收峰，采用LED为光源，实现气体浓度的差分检测，利用测量信号和参考信号的比值消除了由于光源不稳定等因素引起的测量误差，根据气体检测系统的特点，设计了合理的光源调制电路和信号调理电路。在ZigBee部分则以CC2430微处理器为核心，完成了A/D转换，无线组网通信的设计。并对ZigBee无线网络的拓扑结构，路由算法，Z-STACK移植，硬件驱动进行了介绍。将瓦斯浓度值和报警信息等数据实时的传输到计算机，最终实现浓

3、度信息的局域网传输。整个研究对研发新型的矿井监测系统与有一定的参考价值。关键字：ZigBee；瓦斯；红外；传感器AbstractIn recent years, many coal mines abroad began the construction of the digital, many mature industrial monitoring techniques applied to the coal mine，on the protection of safety in coal mines play an important role. But most of the exist

4、ing monitoring methods should be artificial downhole data acquisition, caused much inconvenience to the management. Lack of communication platform coal, coal production chain linkage, poor and inefficient.In this paper, status of domestic coal production, analysis of the demand for comprehensive mon

5、itoring system of mine, a to ZigBee technology and infrared gas monitoring technology combined with the mine monitoring program, and detailed description of the system's overall framework and architecture. Sensor part of the A-type gas infrared spectral monitoring. The technology uses dual-wavel

6、ength single optical sensor structure, selected absorption peak of methane in 3.31m, using LED as light source, differential Detection of gas concentrations to achieve, measurement signal and reference signal using the ratio of light source eliminates the instability caused by factors such as measur

7、ement error. According to the characteristics of gas detection system, design a reasonable light modulation circuit and signal conditioning circuit. CC2430 ZigBee and some others in the microprocessor core, completed A / D conversion, wireless design of Networking. And ZigBee wireless network topolo

8、gy, routing algorithm, Z-STACK transplantation, hardware drivers are introduced. The gas concentration and alarm information in real-time transmission of data to the computer, concentration of information ultimately LAN transmission. The study of the development of new mine monitoring system and som

9、e reference value.Keywords: ZigBee; gas; infrared; sensor目 录引 言1第一章 概述21.1瓦斯气体的特点21.2几种瓦斯传感器的特点与原理21.3ZIGBEE无线技术的特点及应用41.3.1ZigBee技术概述及特点41.3.2ZigBee技术在矿山安全领域的应用5第二章 红外瓦斯传感器的实现62.1气体分子的红外选择性吸收理论62.2气体差分监测模型的建立62.3瓦斯气体传感器模型的建立气室72.4热释电红外探测器82.5红外光源电路的设计92.6放大电路的设计122.7A/D转换的设计122.7.1硬件原理132.7.2软件原理14

10、第三章 ZigBee无线网络的组网原理173.1ZigBee无线自组织网络概述173.2ZigBee网络拓扑结构183.3ZigBee网络的路由203.4ZigBee网络网关203.5无线模块的设计213.6CC2430外围电路的设计223.7ZigBee无线定位硬件平台24第四章 软件设计254.1开发环境的介绍254.2Zigbee协议移植25结 论30参考文献31附 录32谢 辞35引 言在我国的能源工业中，煤炭占我国一次能源生产和消费结构中的70%左右，预计到2050年还将占50%以上。因此，煤炭在相当长的时期内仍将是我国的主要能源。在煤矿开采中，瓦斯煤尘爆炸、火灾、透水、顶板冒落、煤

11、与瓦斯突出、冲击地压、中毒、窒息等多种灾害事故时有发生。从每年的事故统计中来看，煤矿发生一次死亡10人以上的特大事故中，绝大多数是由于瓦斯爆炸，约占特大事故总数的70%左右。我国目前国有重点煤矿大多数属于瓦斯矿井，其中高瓦斯矿井和突出矿井占全国矿井总数的44%。因此，预防、控制瓦斯爆炸事故，是实现煤矿安全生产的关键。瓦斯防治是煤矿安全工作的重中之重，必须采取有利措施，有效防治煤矿重特大瓦斯事故的发生，以确保煤矿的安全生产。本课题的研究就是综合运用传感器与无线传感器技术，实现煤矿瓦斯的自动监测与控制，实现井上，井下联动，并使各矿井情况局域网共享。最终可以实现监管部门直接监管各个矿井生产情况。第一

12、章 概述1.1瓦斯气体的特点 煤矿瓦斯则是指的天然气，主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气，以及微量的惰性气体，如氦和氩等。在标准状况下，甲烷至丁烷以气体状态存在，戊烷以上为液体。 如遇明火，即可燃烧，发生“瓦斯”爆炸，直接威胁着矿工的生命安全。由于煤矿在正常情况下是没有瓦斯的，所以国家煤矿管理有关规定中明确指出，瓦斯浓度超过1%就要停止生产，采取安全措施。 1.2几种瓦斯传感器的特点与原理1.热催化型热催化原理的检测仪器是利用催化物能使低浓度瓦斯在低温度下持续燃烧(氧化)，因不同浓度的瓦斯在燃烧时产生的热量不同，用温度的变化

13、来测量瓦斯浓度的一种检测仪，又称为催化氧化式或接触燃烧式。2.光干涉型利用光干涉检测原理，可以测定多种气体浓度，在煤矿中主要测定瓦斯和二氧化碳的浓度。光干涉原理的瓦斯检测仪器是利用光波在空气和瓦斯中的传播速度不同，产生的光程差引起干涉条纹的移动来测量瓦斯浓度。由同一光源发出的两束光分别经过充有空气的参考气室和充有待测气体的采样气室后，再相遇时两束光将产生干涉条纹。瓦斯浓度不同，干涉条纹的位置就不同，根据干涉条纹的位置就可以测定瓦斯的浓度。光干涉型瓦斯检测仪器不存在高浓度瓦斯冲击或“激活”影响及中毒问题，使用寿命长，由于采用压力法校准，无需标注氧气，现场使用方便。但它也存在一些缺点，特别是当空气

14、中的氧气不足和氮氧比例异常时，测量将出现误差，选择性较差进一部变为电信号还存在一些困难。3.热导型热导原理的气体检测仪器是利用所测气体与空气的热导率之差来实现对气体浓度检测的。热导型气体检测仪器是将待测气体送入气室，气室中有热敏原件，如铂丝或钨丝，对热敏元件加热到一定温度，当待测气体的导热系数较高时，热量更容易从热敏元件上散发，使其阻值减少，通过惠更斯电桥测量这一阻值变化可得到被测气体浓度值。热导型瓦斯检测仪器常常与载体催化型瓦斯检测仪器相结合，05瓦斯浓度范围内用催化元件测量，510瓦斯浓度范围内用热导元件测量。热导型检测装置结构比较简单，主要部分是一个电桥。热敏元件工作温度低(低于200摄

15、氏度)，工作电压不高，所以极易制成矿用本质安全型，而且热敏元件为半永久性元件，使用寿命长。但用热导方法得到的信号较小，仪器的零点漂移是一个较难克服的缺点，它受到加工精度的影响很大。同时热导型仪器对低浓度瓦斯反应不准确，易受到水蒸气和氧气浓度的影响。(4)气敏半导体型气敏半导体型瓦斯检测方法是近几年发展比较迅速的一种气体检测方法，它是利用某些金属氧化物在特定温度下，吸附不同气体后电阻率将发生变化这一原理制成的。气敏半导体元件具有灵敏度较高、能耗较少、寿命长等优点，不存在载体催化元件中毒影响等问题。其缺点也比较明显：一是选择性较差，尤其是受水蒸气影响严重，虽然通过添加某些材料或改变反应温度可以适当

16、提高其选择性，但作用不大，二是线性测量范围窄，测量可燃气体浓度的精度较差。(5)红外气体吸收型红外吸收型气体检测仪器是利用不同气体对红外辐射有着不同的吸收光谱，吸收强度与气体浓度有关来检测瓦斯浓度的。红外吸收型气体检测仪器一般由红外辐射源(白炽灯或红外LED)，气室，波长选择装置(滤光片)，红外探测装置(如热电探测器，热电池)等组成。如果气体吸收谱线在入射光谱范围内，那么红外辐射透过被测气体后，在相应谱线处就会发生能量的衰减，未被吸收的辐射被红外探测器测得，通过测量该谱线处能量的衰减就可知被测气体浓度。几种瓦斯传感技术的比较见表1-1。表1-1 几种瓦斯传感器件性能对比名称热催化型光干涉型热导

17、型气敏半导型红外型原理热效折射率不同热导效应气体吸附气体吸收精度好中中差好零飘中大大小稳定性中好好差好选择性差差中差好校正周期一周自校正寿命六个月中长价格中中中低高从表1-1中可以发现可以发现红外型的传感器在各个性能上都有比较突出的表现，实际上红外型传感器已经成为了现在瓦斯监测的主要应用技术了。然而价格偏高是这个技术的一个弱点，设计一款性价比较高的红外瓦斯监测系统就成了本课题的一个研究重点。1.3ZIGBEE无线技术的特点及应用1.3.1ZigBee技术概述及特点ZigBee是一种新兴的短距离，低速率无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案。它此前被称作HomeRF Lite

18、或FireFly无线技术，主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以直接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，所以它们的通信效率非常高。最后，这些数据可以进入计算机，用于分析和在局域网中的传输。ZigBee技术的特点包括以下几个方面。1.省电，两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间。2.可靠，采用了碰撞避免机制，同时为需要固定宽带的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；节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的

19、可靠性。3.延时短。4.网络容量大。可支持达65000个节点。5.安全。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES-128。1.3.2ZigBee技术在矿山安全领域的应用传统的矿业安全管理方式以单纯管理人为主，缺乏定量的指标，准确性差，越来越来不适应现代化生产的需要。将短距离通信新秀ZigBee应用于矿井安全领域，提出了一种定性，定量的评估方式，采用ZigBee将终端传感器收集的各种参数传至坑道上的网关，再采用有线方式将网关数据传输至地面上的中央控制计算机，由计算机对数据进行分析，对矿井状况做出安全状况作出评估。整个网络系统可以用N个节点和网关及PC机构成。第二章 红

20、外瓦斯传感器的实现2.1气体分子的红外选择性吸收理论气体吸收光子后，跃迁到激发态，在激发态停留非常短的时间后，又通过直接发射回到稳定状态，在这个过程中，释放出光子。由于分子的不断运动，此时释放光子的出射方向已经不是原方向了，而是在球面立体角中任意发射，这就相当于入射方向上的光被散射掉了。不同气体的吸收谱线因其分子结构的不同而互相不同，监测某种特定波长光的吸收情况，可进行气体的定性和定量分析。当红外辐射通过被测气体时，其分子吸收光能量，那么光通过气体后，光强发生衰减。矿井瓦斯的主要成分是甲烷，我们只要测量光强的衰减就可以测算出瓦斯的浓度。甲烷对波长为3.31m的红外辐射吸收最为明显。所以我们选择

21、对3.31m的红外辐射进行测量。2.2气体差分监测模型的建立在红外气体检测系统中，影响检测灵敏度的因素很多，包括光源光功率的波动、环境因素(振动、温度)的影响、光探测器件的噪声、电路中元器件的漂移等，都会不同程度地降低系统的检测灵敏度。同时，这些影响具有随机性，因此要想精确的检测瓦斯浓度，必须采取相应措施克服这些问题。这里我们使用的是双波长单光路法。其原理如图2-1。光源滤光片AAA滤光片BA探测器A探测器B比值图2-1 双波长单光路法原理框图这里的光源选用的是宽带光源，经过两个不同波长的滤光片进行滤光，得到波长为1和2两个波长的光辐射。其中1在甲烷的吸收峰上，而甲烷对2的吸收很弱或不吸收，同

22、时2也要避开其他气体分子的吸收。这里1选用3.31m 波长，2选用4.0m波长。而环境因素对两路波长的光的影响是相同的，所以将二者做比值可以将环境因素消除，而保留下来的就是3.31m波长上甲烷对光强的吸收程度，最终定量的算出甲烷的浓度来。2.3瓦斯气体传感器模型的建立气室红外瓦斯传感器采用双波长单光路的结构，包括红外光源，气室，滤光片和红外探测器四部分。光源采用IRL715，探测器是带有两个滤光片的热释电探测器PYS3228TC G5.2/G20。测量滤光片允许甲烷气体吸收频带的红外辐射透过，因此测量信号反映的是甲烷气体浓度的情况。参考信号反映的是环境情况。瓦斯气体传感器模型如图2-2。 光源

23、探测器测量滤光片参考滤光片 图2-2瓦斯气体传感器模型2.4热释电红外探测器热释电效应就是将光强转换为电信号的一种途径。它是一种PZT晶体结构的表面电荷极化随其温度变化而变化的传感器，热电体是其核心器件。自发极化的热电体平时靠捕捉大气中的富有电荷保持平衡状态，受到红外线照射后，其内部温度将会升高，内部的极化状态便随之降低，表面电荷浓度也相应降低，这就相当于“释放”了一部分电荷，这种现象称为电解质的“热释电效应”，从外部将释放的电荷取出，就变成传感器的输出电压。这个电压就作为后面处理器中的控制信号。热释电传感器结构示意图如图2-3。图2-3 热释电传感器结构示意图 这里我们选用PYS3228TC

24、 G5.2/G20热释电探测器是在一个TO-5封装的探测室内含有两个独立的热释电探测器，相互之间没有干扰，符合设计要求。PYS3228TC G5.2/G20工作温度为25摄氏度，操作电压在2-12V。PYS 3228 TC G5.2G20是具有参考通道和测量通道的双路热释电探测器。其内部集成了两个将红外辐射量转化为电压信号的热电元件，在封装外壳开了两个窗口，在两个热电元件前分别装配了两个窄带滤光片，中心波长分别为3295m和400m.探测器采用TO-5封装，四个引脚分别为电源端、公共端、参考信号A和测量信号B。其中G20为允许4.00m波长通过的滤光片，G5.2为允许3.295波长通过的滤光片

25、。2.5红外光源电路的设计对于热释电探测器来说，只有在红外辐射不断变化，它的内部温红外辐射的绝对值没有反映。所以要对红外光源进行调制，调制频率要根据PYS3228TC G5.2/G20的性能来决定。PYS3228TC G5.2/G20的响应度与调制电路频率之间的关系如图2-5。图2-4 光源调制电路与PYS3228TC G5.2/G20的响应度之间的关系从图2-4中可以看出光源调制频率在0.1HZ和1HZ间响应最大。根据这一点我们设计一个频率为0.5HZ的光源调制电路，低电平大于等于0V，高电平小于等于5V.光源要选择热光源，这里选择IRL715。 IRL715红外光源是一种白炽灯，属于热辐射

26、型光源，最大直径3.17mm、额定工作电压为5 V、额定电流为115mA、额定功率0.575W、辐射强度0.15 MSCP、反应时间常数是290ms、波长从可见光到5pm，适合碳氢等气体的检测。IRL715红外光源具有高可靠性，输出光波稳定，反应时间常数较短，可进行低频电调制，寿命长，工作在5伏电压下，可达40000小时。这里我们采用NE555无稳态应用电路。其频率和占空比靠外接R1、R2、和C来决定。周期如式2-1。 T=(R1+R2)C×ln2 （2-1）电路原理如图2-5。NE555是一个能产生精度定时脉冲的高稳度控制器。其特点有，只需要简单的电阻器，电容器，即可完成特定的振荡

27、延时作用。其延时范围及广，可由几微秒至几小时之久。它的操作电源范围极大，可与TTL,CMOS等逻辑闸配合，其输出端供给电流大，可直接推动自动控制负载，它的精度高，温度稳定度佳，且价格便宜。供应电压4.5V-18V。供应电流3mA-6mA,输出电流225mA。图2-5 555定时器无稳态工作方式光源调制电路如图2-6。其中用了IRF540作为光源状态变换的控制器。IRF540是一个MOS型场效应管儿，具有导通电阻小，开关速度快的优点，为实现红外光源状态速速转变提供了条件。多谐振荡器控制场效应管IRF540的通断，当其输出高电平时，IRF540导通；当其输出低电平时，IRF540截止，控制红外光源

28、状态的切换。通过调整R3来控制红外光源两端的电压，使其满足要求。图2-6 光源调制电路2.6放大电路的设计热释电探测器的原始输出信号为几个毫伏，为了提高测量精度，需要对该信号进行放大和滤波。图2-7是测量信号和参考信号的放大滤波电路。因为有测量信号和参考信号两路信号，所以我们选用LM358双运算放大器。LM358包括两个独立的，高增益，内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式。它的使用范围包括传感器，直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。电源电压范围3-30V，低功耗电流，适合用电池供电。图2-7 信号放大滤波电路其中R4,R8为

29、下拉电阻，C7,C11为隔直电容，滤除原始信号中的直流偏置电压，R5,R9为平衡电阻使得放大器的正负输入端的阻抗匹配，电容C8,C12滤掉高次谐波分量，通过调整R7和R11可以改变放大器增益，放大器增益由式（3-1）(3-2)表示。 A1=1+R7/R6 （3-1） A2=1+R11/R10 (3-2)2.7A/D转换的设计前面所用电路最终输出的是模拟信号。要实现在计算机内的控制必须进行A/D转换。2.7.1硬件原理CC2430芯片本身带有一个14位的A/D转换器，其结构如图2-8所示。AVDDAIN6-7AIN_7INT 1.25TMP SENSORVDD/3AIN0SAIN1-7DSADA

30、AN7AIN量化滤波器时钟以及时钟控制器输入参考电压图2-8 ADC框图CC2430的ADC转换位数可选，从8位到14位。8个可独立配置输入通道。CC2430芯片如图2-9所示：当使用A/D转换时，P0口必须配置成ADC输入从而作为8个ADC输入。电压计算公式见式（3-3）。 电压=ADC/精度*参考电压 （3-3） 其中ADC为转换后的值，精度为选择位数，选择14位转换就为2的14次幂，这里选内部参考电压1.25V。完成模/数转换结果直接送至内存（DMA模式），不需要CPU干涉。另：对需要的几个管脚作简单说明。DVDD为I/O管脚提供2.0-3.6V电压；DVDD_ADC为ADC的数字电路部

31、分提供1.8V电压。其他管脚说明见附录。选择任意两个P0管脚进行输入，进行A/D转换并得出比值。图2-9 CC2430芯片管脚图这里选择的是8位转换。根据式（3-3）所示，ADC最大值是2的8次幂，这里精度为2的8次幂，参考电压选为1.25V，所以对模拟电压的最大输入为要求是1.25V。2.7.2软件原理这里我们使用IAR开发环境对A/D转换进行硬件设置。IAR在第四章中将做介绍。下面是CC2430ADC转换的硬件配置驱动程序（ADC_HAL.H）库。/ Reference voltage（参考电压）:#define ADC_REF_1_25_V 0x00 /选择1.25V参考电压#defin

32、e ADC_REF_P0_7 0x40 / 选择P0_7口输入电压为参考电压#define ADC_REF_AVDD 0x80 / AVDD_SOC为参考电压#define ADC_REF_P0_6_P0_7 0xC0 /外部对AIN6 - AIN7差分基准输入/ Resolution (转换精度):#define ADC_8_BIT 0x00 / 选择8位转换#define ADC_10_BIT 0x10 / 选择10位转换#define ADC_12_BIT 0x20 / 选择12位进行转换#define ADC_14_BIT 0x30 / 选择14位进行转换/ Input channel

33、（输入通道）:#define ADC_AIN0 0x00 / P0_0端口#define ADC_AIN1 0x01 / P0_1端口#define ADC_AIN2 0x02 / P0_2端口#define ADC_AIN3 0x03 / P0_3端口#define ADC_AIN4 0x04 / P0_4端口#define ADC_AIN5 0x05 / P0_5端口#define ADC_AIN6 0x06 / P0_6端口#define ADC_AIN7 0x07 / P0_7端口#define ADC_GND 0x0C /接地端#define ADC_TEMP_SENS 0x0E /

34、 片上温度传感器#define ADC_VDD_3 0x0F / 3V电压ADC采样函数：ADC_SAMPLE_SINGLE()这里我们选取ADC_REF_1_25_V端口输入电压为参考电压，测量信号从P0_2输入到CC2430芯片，参考信号从P0_3输入到CC2430中，采用8位转换器，进行A/D转换。得到比值，做是否超标的判断，如果超标,唤醒ZigBee系统，进行通信，如果没有超标继续循环，其软件流程图见图2-10。NY开始测量信号A/D转换参考信号A/D转换两路信号做比值是否超标唤醒ZigBee网络结束程序代码如下： ADC (void) unsigned char a,b,c; whi

35、le(true) a= ADC_SAMPLE_SINGLE(ADC_REF_1_25_V,ADC_8_BIT,ADC_AIN2); b= ADC_SAMPLE_SINGLE(ADC_REF_1_25_V,ADC_8_BIT,ADC_AIN3); c=a/b; if(c>3456) Break;elseFASONG();第三章 ZigBee无线网络的组网原理3.1ZigBee无线自组织网络概述长期以来无线网络一直采用一种集中式模式，这种模式可能会造成瓶颈、延时和故障单点。无线自组织网络正在作为一种替代无线交换功能的技术兴起，它通过采用格栅状的拓扑结构，将智能性由交换机分散到接入点中，使节点

36、或接入点无须经过中央交换机点就可相互通信，从而消除了集中的故障，并提供了自愈和自我组织的功能。狭义上的网状网络是指一种网络拓扑结构，网络中的设备是通过网络节点之间的众多冗余链路互相连接起来的。每个节点都与网络中的另一个节点相连接，可直接连接，也可通过中间节点连接。无线自组织网络（也称“多跳”网络）是以网状网络为拓扑结构，每个网络节点为路由路径，数据包根据路由协议在节点间以无线的方式传送的交换式无线网络。从网络拓扑结构上讲，无线网状网可以被看做是无线版、微缩版的互联网。互联网呈现的是网状网的拓扑结构，而无线自组织网状网又把互联网的信形式延伸到了无线领域。拓扑结构如同一张网。在传统的星状拓扑结构中

37、，许多外围节点连接到中心节点。不过在无线自组织网状网中，节点之间彼此相连。不过无线自组织网状网络当中，节点之间彼此相连。如果无线自组织网状网络中的节点要传送信息，数据包就会从一个节点跳到另一个节点，知道最终达到目的地。传输的具体步骤如下：（1） 一个新节点利用简单的发现协议向网络广播自己的存在，加入到无线网络中。（2） 已有的节点认知这个新节点，并透明地重新配置和重新调整网络来容纳这个新节点。（3） 在通信过程中，每个节点根据收到的信号强度，吞吐量、错误、时延，频繁重新计算最佳路径。路由技术是移动节点通信的基础，也是移动自组织网络的关键技术之一。与一般的蜂窝无线网络不同，移动自组织网络个节点间

38、的通信节点间通过多跳数据转发机制进行数据交换需要专门的路由协议进行分组转发操作。无线信道变化的不规则性、节点的移动、加入、退出等都会引起网络拓扑结构的动态变化。3.2ZigBee网络拓扑结构ZigBee是一个个独立的工作节点为依托，通过无线通信组成的星状、树状或网状网络、每个节点的功能并非相同。为了降低成本，系统中大部分的节点为子节点，从网状通信上，它只是其功能的一个子集，称为半功能设备（RFD）。而还有一些节点，负责与所有控制的子节点进行通信，汇集数据以及和发布控制，或起到通信路由的作用，称之为全功能设备（FFD）。每个网络都有唯一的一个协调器，它相当于现在有线局域网中的服务器，具有对本网络

39、的管理能力。网络中的全功能节点可作为路由器、协调器以及终端节点来使用，而半功能节点只能作为终端节点使用。几种ZigBee网络的拓扑结构如图3-1、图3-2、图3-3来显示。··协调器全功能节点半功能节点图3-1 星状网络拓扑星状网是由一个ZigBee协调点和一个或多个ZigBee终端节点组成的。ZigBee协调点必须是FFD，它位于网络的中心，负责发起建立和维护整个网络，其它的节点(终端节点)一般为RFD，也可以为FFD，它们分布在ZigBee协调点的覆盖范围内，直接与ZigBee协调点进行通信。星形网的控制和同步都比较简单，通常用于节点数量较少的场合。协调器全功能节点半功

40、能节点图3-2 树状网络拓扑树状网络结构中，枝干末端的叶子节点一般为RFD。每一个在它的覆盖范围中充当协调点的FFD向与它相连的节点提供同步服务，这些协调点又受ZigBee协调点的控制，ZigBee协调点比网络中的其它协调点具有更强的处理能力和存储空问。树形网的一个显著优点就是它的网络覆盖范围较大，但随着覆盖范围的增大，信息的传输时延会增大，而且同步也会变得比较复杂。协调器全功能节点半功能节点图3-3 网状网络拓扑网状网一般是由若干个FFD连接在一起组成骨干网。它们之间是完全的对等通信，每个节点都可以与它的无线通信范围内的其它节点通信，但它们中也有一个会被推荐为ZigBee协调点，例如把第一个

41、在信道中通信的节点作为ZigBee协调点。骨干网中的节点还可以连接FFD或RFD组成以它为协调点的子网。具有“自恢复"能力，它可为传输的数据包提供多条路径，一旦一条路径出现故障，则存在另一条或多条路径可供选择，但正是由于两个节点之间存在多条路径，它也是一种“高冗余"的网络。3.3ZigBee网络的路由路由选择是在网络中的设备相互合作条件下选择，并建立路由的一个流程，该流程通常与特定的源地址和目的地址相对应。路由选择包括如下一个流程：（1）路由搜索的初始化；（2）接收路由请求命令帧；（3）接收路由应答命令帧。3.4ZigBee网络网关整个网络系统是有ZigBee无线网络还有以

42、太网组合而成的。从ZigBee无线网到以太网通讯肯定就需要网关的介入了。ZigBee网络与以太网通讯网关是用来沟通无线传感器网络与工业以太网的网关设备，主要起两个作用：在ZigBee采集网络中做为主协调器使用，负责设备的注册与基本的网络管理功能；另外网关把接受到的数据经过协议转换，以TCPIP协议发送至服务器，实现ZigBee网络与以太网的互连。本设备主要由处理器、RF芯片和网络处理模块等组成，是一个专用的嵌入式系统。每个网关都设置一个固定的IP地址，上层服务器通过工业以太网接收终端传过来的数据，从而实现通过网络实时监测矿井生产的信息。网关工作示意图如图3-4所示。无线收发器传感器微处理器电池

43、无线收发器以太网模块存储器微处理器监控中心 终端设备 网关 PC图3-4 网关工作示意图3.5无线模块的设计无线模块是整个网络的关键部分，数据采集节点和网关都需要该模块的支持才能顺利通讯，电路设计的好坏直接影响了通讯的距离和可靠性。选用合适的芯片也是至关重要的。选择射频芯片应考虑以下几个因素：芯片所需的外围元件数量尽量少。芯片外围元件数量直接决定产品成本，因此应选择外围元件少的射频芯片。在同等条件下，为了保证有效和可靠的通信，应该选用发射功率较高的产品。另外芯片的封装尽量小和管脚数尽量少，较少的管脚以及较小的封装，有利于减少印刷电路板(PCB)的面积，适合终端的微型化设计。CC2430是Chi

44、pcon公司生产的第二代ZigBee芯片，具有高性能和低功耗的8051内核，集成了符合IEEE802.15.4标准的2.4GHZ的RF无线收发机。具有优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。硬件支持CSMA/CA功能，较宽的电压范围（2.0-3.6V）。集成了位模/数转换器的ADC。其内部结构如图3-5所示。图3-5 CC2430内部结构图3.6CC2430外围电路的设计CC2430是无线SOC设计，其内部已经集成了大量必要的电路，因此采用较少的外围电路即可实现信号的收发功能了。它的外围电路包括晶振时钟电路，射频输入/输出匹配电路和微控制器接口电路，滤波电路等几个部分。如图3-2。图3-6 CC

45、2430外围电路(1)晶振时钟电路芯片本振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供。由内部电路提供时需外加晶体振荡器和两个负载电容，电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。这里采用32MHz晶振电路，外加两个22pF的电容，C3=220nF为去耦合电容。(2)输入/输出匹配射频输入/输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入输出阻抗，使其输入输出阻抗为50欧，同时为芯片内部的PA及LNA提供直流偏置。当使用单极天线等不平衡天线时，为优化性能必须使用不平衡变压器，不平衡变压器可以用分立的电容和电感组成。L1、L2、L3、C4为非平衡变压器。（3）偏置电阻R1=56K为晶振提供合适的工作电流。R

46、2=43K为偏置电阻。（4）电压调节器 C3=220pF为去耦电容，用来电源滤波，以提高芯片工作的稳定性。3.7ZigBee无线定位硬件平台ZigBee无线网络硬件平台主要是由仿真器和网关系统和无线模块组成。仿真器的作用就是负责在线下载，调试和仿真等功能。网关负责ZigBee协议转换为TCP/IP协议。无线模块负责信息的收发。建立硬件平台结构示意图如图3-7所示。仿真器网关底板高频模块计算机图3-7 硬件平台结构示意图仿真器将计算器中的程序下载到网关系统中，网关系统包括网关底板底板和高频模块。然后就可进行通信。第四章 软件设计4.1开发环境的介绍本系统开发调试都是在集成开发环境IAR Embe

47、dded Workbeneh中完成的。IAR Embedded Workbench(简称IAR EW)是瑞典IAR System公司推出的一种非常优秀的嵌入式系统开发工具，它使用户能够充分有效的开发并管理嵌入式应用项目，其界面类似于MS Visum c+，可以在Windows平台上运行，功能十分完善。IAR EW中包含了源程序文件编译嚣、项目管理器(Project)、源程序调试器(Debug)等，并且为cc+编译器、汇编器、链接定位器等提供了单一而灵活的开发环境。IAR EW的源级浏览器(Source Browser)功能利用符号数据库使用户可以快速浏览源文件，还可通过详细的符号信息来优化变量

48、存储器，文件查找功能可在指定的若干种文件中进行全局文件收索，IAR EW还提供了对第三方工具软件的接口，允许启动用户指定的应用程序。IAR EW适用于开发基于8位、16位以及32位微处理器的嵌入式系统，集成开发环境具有统一界面，为用户提供了一个具有最大代码继承能力的开发平台。以及对各种特殊目标的支持。IAR公司提出了所谓“不同框架，唯一解决方案”的概念，用户可以针对多种不同的目标处理器，在相同的集成开发环境中进行基于不用CPU的嵌入式系统应用程序的开发，有效提高工作效率，节省工作时间。IAR EW还是一种可扩展的模块化环境，允许用户采用自己喜欢的编译器和源代码控制系统，链接定位器可以输出多种格

49、式的目标文件，使用户可以采用第三方软件进行仿真调试。编译器、汇编器和链接器也可在命令行上运行，用户可以在一个已建立好的项目中把它们作为外部工具使用。4.2Zigbee协议移植考虑到系统的可移植性和可扩展性，本系统采用TI公司的开源Z-Stack协议栈。2007年1月11日，德州仪器(TI)宣布推出业界首款符合ZigBee2006标准的平台。其主要特点就是其兼容性，支持多种平台，其中包括面向IEEE802 15 4ZigBee的CC2430片上系统解决方案、基于CC2430收发器的新平台以及TI MSP430超低功耗MCU。TI的Z-Stack可以通过IAR开发环境进行编译下载。该协议栈可以实现

50、复杂的网络链接，在协调器节点中实现对路由表和绑定表的非易失性存储，因此网络具有一定的记忆功能。Z-Stack采用操作系统的思想来构建，采用事件轮循机制，当各层初始化之后，系统进入低功耗模式，当事件发生时，唤醒系统，开始进入中断处理事件，结束后继续进入低功耗模式。协议栈程序文件和硬件电路接口程序联系紧密，因此要先进行单片机的分析较，结合所开发的无线通信程序对硬件接口程序进行修改在此基础上逐渐增加要编译的源文件，通过编译器提示的错误进行调试和修改，反复进行改过程序，程序编译成功以后结合硬件平台进行系统联调，然后进行应用层的开发。安装好Z-Stack，在IAR软件下打开SampleApp工程此工程为

51、Ti公司为用户提供的一个简单的ZigBee应用例程。协议栈代码框架如下：（1）APP(Application Programming)：应用层目录，这是用户创建各种不同工程的区域。（2）HAL(Hardware(HW)Abstraction Layer)：硬件层目录，包含与硬件相关的配置和驱动及操作函数。（3）MAC：MAC层目录，包含了MAC层的参数配置文件及其MAC的LIB库的函数接口文件。（4）MT(Monitor Test)：实现通过串口可控各层，与各层进行直接交互调试。（5）NWK(ZigBee Network Layer)：网络层目录，含网络层配置参数文件及网络层库的函数接口文件，

52、APS层的库函数接口。（6）OSAL(Operating System(OS)Abstraction Layer)：协议栈的操作系统。（7）rofile：AF(Application Framework)层目录，包含AF层处理函数文件。HAL硬件层目录是主要修改部分。该部分代码涉及的都是最底层的东西。主要包括目标板硬件的驱动、单片机的配置、MAC层硬件配置及休眠功能的设置等信息。硬件层主要文件及其作用如表4-1所示。表4-1 硬件层主要文件及作用Hal_adc.cADC驱动haL_key.c按键驱动hal_lcd.cLCD驱动hal_led.cLED驱动hal_timer.c定时器驱动hal_

53、uart.c 串口驱动hal_mcu.c目标板MCU初始化hal_mac_cfg.cMAC层硬件配置hal_sleep.h休眠功能设定hal_typesh关键字定义通过上面的移植，程序正确进行编译以及链接，生成HEX文件，再用ISP下载器将程序下载到相应节点中，进行协议栈测试。完成移植Z-Stack后的数据采集终端结合协调器，就可以实现组网通讯，组网流程如图4-1，图4-2所示。NY开始无线监测建立网络接收加入网络的请求网络是否已满分配网络地址发布入网命令结束加入失败，等待下一次图4-1 协调器组网及允许子节点加入网络流程图NYNNYY开始扫描信道收到信标帧存入邻居表是否有父节点？选择最小网络

54、深度的父节点发送入网请求收到请求响应得到地址成功允许子节点加入网络结束入网失败，等待下一次图4-2 子节点申请加入网络流程图ZigBee无线网络中的节点网络设计完成。传感器节点程序流程图(主程序)如图4-3所示。NY开始A/D转换浓度是否超过1%唤醒网络此节点加入到网络中发送信号到PC机进入互联网结束图4-4 主程序流程图由于本文章的研究重点在节点ZigBee网络中瓦斯传感节点的实现，所以网关以及网关以后的内容就不赘述了。结 论本文针对煤矿生产中瓦斯气体的检测系统的分析，提出了以ZigBee无线网络技术和光谱吸收式红外瓦斯监测技术相结合的无线监测系统。并设计了传感器部分的原理电路。介绍了气体吸

55、收原理，光源部分，采用脉冲调制电路。并运用了热释电传感技术，采集光辐射信号。由于采用的是测量信号和参考信号两路信号，所以放大电路采用了双运算放大。AD转换部分采用的是CC2430，CC2330内有14位AD转换器，而且也是ZigBee无线网采用的处理芯片。ZigBee无线部分，介绍了ZigBee无线网络的工作特点，拓扑结构，路由。并对组网硬件电路进行了介绍，对协议的移植和组网软件准备进行了介绍。最后对两种技术的结合，构成无线监测系统做了简要说明。本文在参考了相关资料后设计了传感器部分的原理电路，由于时间有限，条件有限，没有对电路中的电路元件参数进行计算和实验。由于学识有限，难免有一些漏洞，与实

56、际应用还有很大距离，希望各位老师指出错误，我将虚心地接受并加以改进。参考文献1 李文仲,段朝玉.ZigBee无线网络技术入门实践.北京.北航出版社 20072 尹盼. 基于ZigBee技术的矿井综合监测系统设计与网络节点开发.中南大学硕士学位论文 .20093 吕光杰. 光谱吸收式煤矿瓦斯红外检测技术的应用研究.西安科技大学硕士学位论文 20094 覃磊,张杰.基于ZigBee技术的煤矿瓦斯监测系统.计量与测试技术.20075 王秀梅,刘乃安. 利用2.4GHz射频芯片CC2420实现ZigBee无线通信设计. 国外电子元器件.20056 翁哲. 基于CC2430的Zigbee无线通信模块设计

57、. 黑龙江科技信息.20057 Qiangfeng Jiang，DManivannanRouting Protocols for Sensor Networks，Consumer Communications and Networking Conference，2004CCNC 20048 ZigBee Alliance，ZigBee Specification，ZigBee Document Version 10December 1 4th，20049 You Ke , Chang Min Hui. Gas conductive sensor technology and applicati

58、on. Proceedings of the 2009 International Symposium on Web Information Systems and Applications (WISA09) .2009附 录1.I/O 端口线引脚功能。16 脚（P1_2 P1_7）： 具有 4 mA 输出驱动能力。 8，9 脚（P1_0，P1_1）： 具有 20 mA 的驱动能力。 1118 脚（P0_0 P0_7）： 具有 4 mA 输出驱动能力。 43，44，45，46，48 脚（P2_4，P2_3，P2_2，P2_1，P2_0）：具有4 mA 输出驱动能力。 2.电源线引脚功能。7 脚

59、（DVDD）： 为 I/O 提供2.03.6 V 工作电压。 20 脚（AVDD_SOC）： 为模拟电路连接2.03.6 V 的电压。 23 脚（AVDD_RREG）： 为模拟电路连接2.03.6 V 的电压。 24 脚（RREG_OUT）： 为 25，2731，3540 引脚端口提供1.8 V 的稳定电压。 25 脚 (AVDD_IF1 )： 为接收器波段滤波器、模拟测试模块和VGA 的第一部分电源提供电1.8V 电压。 27 脚（AVDD_CHP）： 为环状滤波器的第一部分电路和充电泵提供1.8 V 电压。 28 脚（VCO_GUARD）： VCO 屏蔽电路的报警连接端口。 29 脚（AV

60、DD_VCO）: 为VCO 和PLL 环滤波器最后部分电路提供1.8 V 电压。 30 脚（AVDD_PRE）: 为预定标器、Div 2 和LO 缓冲器提供1.8 V 的电压。 31 脚（AVDD_RF1）: 为LNA、前置偏置电路和PA 提供1.8 V 的电压。 33 脚（TXRX_SWITCH）: 为PA 提供调整电压。 35 脚（AVDD_SW）: 为LNA/PA 交换电路提供1.8 V 电压。 36 脚（AVDD_RF2）: 为接收和发射混频器提供1.8 V 电压。 37 脚（AVDD_IF2）: 为低通滤波器和VGA 的最后部分电路提供1.8 V 电压。 38 脚（AVDD_ADC）: 为ADC 和DAC 的模拟电路部分提供1.8 V 电压。 39 脚（DVDD_ADC）: 为ADC 的数字电路部分提供1.8 V 电压。 40 脚（AV