梁艷超，程永強

（太原理工大學 信息工程學院，山西 太原 030024）

依據(jù)各種狀態(tài)參數(shù)實時監(jiān)控井下狀況，保持井下信息傳遞的通暢性，對礦井的安全生產(chǎn)具有十分重要的意義。而目前礦井內(nèi)的通信以及電源的供給大多還使用有線電纜，施工難度大、成本高、安全設計復雜。因此采用電池供電和無線通信相對于有線電纜具有明顯的優(yōu)勢?；赯igbee[1－3]的礦用數(shù)據(jù)采集綜合實驗平臺可以將不同傳感器采集的數(shù)據(jù)通過Zigbee無線網(wǎng)絡發(fā)送給中繼器進行處理和保存，各部分均使用電池供電，節(jié)點可以實現(xiàn)多點采集，而且中繼具有友好的人機交互界面和觸摸屏，能對整個系統(tǒng)實現(xiàn)復雜靈活的控制。

1 系統(tǒng)結(jié)構

基于Zigbee的礦用數(shù)據(jù)采集綜合實驗平臺由節(jié)點和中繼兩部分組成，如圖1所示。節(jié)點主要位于礦井中巷道的上方，每隔30～50m設一個，它的主要作用是進行數(shù)據(jù)的采集和傳遞。每個節(jié)點由Zigbee模塊和傳感器模塊組成，傳感器模塊將待采集量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，再由Zigbee模塊將這些信息通過無線網(wǎng)絡傳給下一個節(jié)點。每個節(jié)點不僅會將本節(jié)點的信息采集并發(fā)送，還會將上一個節(jié)點的數(shù)據(jù)打包并與本節(jié)點的數(shù)據(jù)一起發(fā)送給下一個節(jié)點。這樣各個節(jié)點接力似地將信息依次傳遞下去，組成了一個線型的網(wǎng)絡系統(tǒng)。當其中的某個節(jié)點出現(xiàn)問題，系統(tǒng)會自動跳過這個節(jié)點，與下一個節(jié)點進行通信。數(shù)據(jù)最終會傳送給中繼，中繼再將數(shù)據(jù)顯示出來，并存儲于Flash中，以便以后查閱。顯示模塊是一個人機交互界面，通過它可以按節(jié)點、按時間查看數(shù)據(jù)，可以對數(shù)據(jù)進行分析處理，以折線的形式顯示出來，也可以通過觸摸操作對網(wǎng)絡進行參數(shù)設定和控制。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 節(jié)點硬件設計

節(jié)點硬件框圖如圖2所示。主控芯片采用TI的CC2530射頻芯片[4－8]，天線采用 PCB天線的方式，減小了空間。為了保障信號能在井下順利傳輸，CC2530射頻前端加增了功率放大芯片CC2591[9]，可以使最大發(fā)射功率增加到20dBm。而且多種發(fā)射功率可調(diào)，增加了設計靈活性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。若RSSI（接收的信號強度指示）值大于－80為理想值，在增加功放芯片CC2591以后即使在150m（本平臺節(jié)點間通信距離最遠為100m）處，16dBm的發(fā)射功率也能滿足要求。

節(jié)點采用無線傳輸，不能采用外接電源，也不能更換電源，因此必須采用大容量電池的同時，也要減小系統(tǒng)功耗，而且電源芯片的選擇也決定著系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本設計中電池采用的是19AH的鋰氬電池。平臺每次從睡眠中喚醒工作后的平均工作電流是50mA，每次工作時間60s，每半個小時喚醒一次，相當于一天工作48次，這樣系統(tǒng)可工作的時間T＝1／0.05×60×19／48＝475天。每個節(jié)點礦下的生命周期為1年左右，符合系統(tǒng)要求。穩(wěn)壓電源采用TI的具有超低操作電流的3.3V低紋波充電泵tps60211。當系統(tǒng)進入休眠時，芯片可以工作在snooze模式，這樣能使芯片進入2μA的極低功耗狀態(tài)；當系統(tǒng)從休眠狀態(tài)喚醒后，芯片又會進入正常的工作模式，以保證正常的電流供給。為了進一步降低功耗，基準電源、傳感器的電源均通過開關管AO3401由單片機控制，在不使用的情況下，這些器件都會處于關斷狀態(tài)。

CC2530的P0口可配置為八路12位ADC，其精度滿足平臺要求。為了保證CC2530在模數(shù)轉(zhuǎn)換時的精度，在P0.7引腳使用了基準電壓源REF3030[10]，它能提供了3V、0.2%高精度的基準電壓。所以平臺提供了多達七路可自由使用的ADC，結(jié)合不同類型的傳感器可以多點采集不同的信息量。

2.2 中繼硬件設計

中繼硬件框圖如圖3所示。主控芯片采用STM32F103VET6[11]，內(nèi)嵌uc／OS操作系統(tǒng)，可以輕松實現(xiàn)復雜的功能；結(jié)合ucGUI，實現(xiàn)了友好的人機交互界面和復雜靈活的系統(tǒng)功能；Zigbee通信模塊與STM32主控芯片過SPI接口相連；顯示器采用10.9cm（4.3英寸）、分辨率為320×240像素的TFT液晶屏；控制器為SSD1963，使用CPU的FSMC功能驅(qū)動；觸摸屏為四線電阻屏，接口采用SPI接口，可顯示人機交互界面，并能通過觸摸屏對系統(tǒng)實現(xiàn)各種命令的發(fā)送和數(shù)據(jù)的讀取操作；閃存存儲器用于將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲起來，以便查閱分析，閃存芯片采用3片M25P64閃存芯片[12]。使用SPI串行接口進行讀寫操作，方便高速。存儲器按天分段，按時間分頁，如果一個系統(tǒng)有100個節(jié)點，每個節(jié)點兩路數(shù)據(jù)，每半個小時喚醒發(fā)送一次，存儲一年的數(shù)據(jù)量為402B×48×365天＝7043040B。考慮到節(jié)點數(shù)可能增加和日期可能增長等情況，設計中的3×64Mbit的容量完全可以滿足要求。中繼電池采用5節(jié)3.2V、5AH磷酸鐵鋰電池。電源芯片采用TI的tps63001。它具有1.8～5.5V的寬輸入電壓范圍，高達96%的效率，1.2A的輸出電流。符合中繼的供電要求。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 節(jié)點軟件設計

節(jié)點協(xié)議流程及其數(shù)據(jù)的流動方向如圖4、表1所示。未采用TI的Z-Stack協(xié)議棧，首先是因為系統(tǒng)的網(wǎng)絡比較特殊，節(jié)點分布在巷道中；其次，由于系統(tǒng)對功耗要求比較高，為降低功耗要求程序越簡單越好，所以采用了自定義的數(shù)據(jù)格式和通信協(xié)議。

圖4 協(xié)議流程

表1 數(shù)據(jù)流動方向

3.1.1 數(shù)據(jù)格式

數(shù)據(jù)格式如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)格式

一個數(shù)據(jù)報由4個部分構成，分別是命令字段、數(shù)據(jù)編號、數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)字段。命令字段有2個字節(jié)，用來表示本數(shù)據(jù)報的作用，即指明將要完成什么功能；數(shù)據(jù)編號字段有2個字節(jié)，表示該數(shù)據(jù)的次序編號；數(shù)據(jù)長度字段有2個字節(jié)，說明數(shù)據(jù)字段中數(shù)據(jù)的長度，數(shù)據(jù)字段為可變長度，最長為100字節(jié)，它存放了需要處理的數(shù)據(jù)。

3.1.2 通信協(xié)議描述

由于節(jié)點對次序的要求嚴格，所以，安裝的時候也要按照次序，先從近節(jié)點依次向遠節(jié)點安裝，每個節(jié)點在下井安裝前都已經(jīng)接通電源，但處于低功耗狀態(tài)，先用中繼將待安裝節(jié)點激活。節(jié)點的網(wǎng)絡地址出廠值都為0x0000，中繼的出廠地址固定為0x0001。此時中繼先發(fā)初始化命令，如果系統(tǒng)中沒有節(jié)點，中繼向0x0000地址發(fā)送，如果系統(tǒng)中已經(jīng)有節(jié)點，中繼則向最近的節(jié)點上發(fā)送；節(jié)點收到命令后，判斷為地址數(shù)據(jù)時，若本地地址為0x0000，則將地址取出，作為本地地址；如果本節(jié)點為最后一個節(jié)點，則向0x0000地址發(fā)送。如果不是最后一個節(jié)點，則向下一個節(jié)點傳遞命令；節(jié)點得到地址信息后，則向上一節(jié)點發(fā)送成功指令。依次傳遞到中繼，節(jié)點初始化過程完成。

節(jié)點初始化完成后，就進入接收同步時間狀態(tài)。如果收到的是同步時間命令，則首先把命令發(fā)送給下一個節(jié)點，然后將數(shù)據(jù)字段中的時間取出，其中一部分為時間的基準，其作用是避免長時間工作引起的累積時間誤差；另一部分為睡眠時間，其作用是決定下次喚醒的時間。時間設定完成后，節(jié)點進入接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，如果此時收到的是數(shù)據(jù)命令，則說明此節(jié)點狀態(tài)錯誤，節(jié)點立即進入發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)并處理數(shù)據(jù)，若本節(jié)點為最后一個節(jié)點，則同樣進入發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)。當數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，睡眠開始。

當喚醒時間到，節(jié)點將自動進入接收時間狀態(tài)。如果在除等待初始化地址狀態(tài)以外的任何狀態(tài)等待超過2min，則認為通信失敗，節(jié)點自動進入休眠狀態(tài)。當超過3次通信失敗，節(jié)點將不再進入睡眠狀態(tài)，直到通信成功。

在任何發(fā)送狀態(tài)時，如果在發(fā)送完成后30ms內(nèi)沒有接收到目地節(jié)點發(fā)回來的應答，則再次發(fā)送；如此反復20次，20次后也未收到應答消息，則認為發(fā)送失敗。接收端收到數(shù)據(jù)后，為確保發(fā)送端能接收到應答信號，接收端將每隔5ms無條件發(fā)送5次應答，然后進入下一狀態(tài)。

本系統(tǒng)還有其他命令，與上述過程相似，不再贅述。

3.2 中繼軟件設計

中繼的顯示界面使用ucGUI設計，使用觸摸屏進行操作。主要功能包括：節(jié)點初始化、時間設置、日期設置、時間同步、數(shù)據(jù)按節(jié)點查詢、按時間查詢、繪制折線、數(shù)據(jù)清除等。

系統(tǒng)主要建立了2個任務：主任務（用戶界面任務）和觸摸屏任務（SPI串口任務）。主任務還負責通過SPI接口向Zigbee模塊發(fā)送命令，再由Zigbee模塊將命發(fā)送出去；而當Zigbee模塊接收到數(shù)據(jù)時，也通過SPI接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給主任務進行處理。中繼上的Zigbee通信模塊定時時間與節(jié)點相同，當多次未與節(jié)點通信成功，Zigbee通信模塊將一直向節(jié)點發(fā)送命令，直到通信成功為止。

4 防爆措施

礦井中的設備必須進行防爆設計，平臺的設計嚴格按照GB3836.4—2010和GB3836.2—2010，電路符合本安要求，外殼也符合隔爆要求。

在電源部分，除了電源芯片外，輸入端還增加了限流電阻和整流二極管，當電源芯片出現(xiàn)問題或某個整流二極管損壞時，電路仍然可以正常工作，不會因為電壓的不正常而燒毀。平臺的工作電壓為3.3 V，電路之間的爬電距離、電容電感的選擇都符合本安要求。

5 結(jié)束語

基于Zigbee的礦用數(shù)據(jù)采集綜合實驗平臺實現(xiàn)了井下數(shù)據(jù)的多點采集與無線傳輸。靈活簡單穩(wěn)定的通信協(xié)議，可以形成通用開放的Zigbee網(wǎng)絡，以便其他基于Zigbee的數(shù)據(jù)通過本網(wǎng)絡進行傳輸，實現(xiàn)一網(wǎng)多用。也可以在此基礎上開發(fā)頂板離層儀、多點位移計、錨桿應力計等煤礦產(chǎn)品。

（References）

[1]李小珉，趙志宏，郭志.Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)實驗[J].電子測量技術，2007，30（4）：147-149，195.

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[3]趙迎新，徐平平，夏桂斌，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡的教學實驗平臺設計[J].電氣電子教學學報，2008，30（5）：48-50.

[4]Texas Instruments.CC2530datasheet[EB／OL].[2013-01-05].http：／／www.ti.com.cn／product／cn／cc2530.

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