畢業(yè)設(shè)計(jì)---無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)煤礦生產(chǎn)中瓦斯氣體的檢測(cè)系統(tǒng)的分析

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　近年來，國內(nèi)外很多煤礦開始了數(shù)字化的建設(shè)，很多成熟的工業(yè)監(jiān)測(cè)技術(shù)運(yùn)用到了煤礦生產(chǎn)中，對(duì)保障煤礦安全生產(chǎn)發(fā)揮了重要的作用。但現(xiàn)有的大多數(shù)監(jiān)測(cè)方法仍需人工下井采集數(shù)據(jù)，給管理帶來許多不便。煤礦缺乏通信平臺(tái)，煤礦生產(chǎn)環(huán)節(jié)聯(lián)動(dòng)性差，效率低。</p><p>　　本文針對(duì)國內(nèi)煤礦生產(chǎn)現(xiàn)狀，分析了礦井綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的

2、需求，提出了一種以ZigBee技術(shù)和紅外瓦斯監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合的礦井監(jiān)測(cè)方案，并詳細(xì)敘述了該系統(tǒng)的整體框架和體系結(jié)構(gòu)。其中傳感器部分提出了一種光譜式瓦斯紅外監(jiān)測(cè)技術(shù)。該技術(shù)采用雙波長(zhǎng)單光路傳感器結(jié)構(gòu)，選定甲烷分子在3.31μm吸收峰，采用LED為光源，實(shí)現(xiàn)氣體濃度的差分檢測(cè)，利用測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)的比值消除了由于光源不穩(wěn)定等因素引起的測(cè)量誤差，根據(jù)氣體檢測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了合理的光源調(diào)制電路和信號(hào)調(diào)理電路。在ZigBee部分則以CC2430

3、微處理器為核心，完成了A/D轉(zhuǎn)換，無線組網(wǎng)通信的設(shè)計(jì)。并對(duì)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，路由算法，Z-STACK移植，硬件驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了介紹。將瓦斯?jié)舛戎岛蛨?bào)警信息等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)濃度信息的局域網(wǎng)傳輸。整個(gè)研究對(duì)研發(fā)新型的礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與有一定的參考價(jià)值。</p><p>　　關(guān)鍵字：ZigBee；瓦斯；紅外；傳感器</p><p><b>　　Abstract&l

4、t;/b></p><p>　　In 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 mine

5、s play an important role. But most of the existing monitoring methods should be artificial downhole data acquisition, caused much inconvenience to the management. Lack of communication platform coal, coal production chai

6、n linkage, poor and inefficient.</p><p>　　In this paper, status of domestic coal production, analysis of the demand for comprehensive monitoring system of mine, a to ZigBee technology and infrared gas monito

7、ring 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

8、dual-wavelength single optical sensor structure, selected absorption peak of methane in 3.31μm, using LED as light sour</p><p>　　Keywords: ZigBee; gas; infrared; sensor</p><p><b>　　目 錄<

9、/b></p><p><b>　　引 言1</b></p><p><b>　　第一章 概述2</b></p><p>　　1.1瓦斯氣體的特點(diǎn)2</p><p>　　1.2幾種瓦斯傳感器的特點(diǎn)與原理2</p><p>　　1.3ZIGBEE無線技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)

10、用4</p><p>　　1.3.1ZigBee技術(shù)概述及特點(diǎn)4</p><p>　　1.3.2ZigBee技術(shù)在礦山安全領(lǐng)域的應(yīng)用5</p><p>　　第二章 紅外瓦斯傳感器的實(shí)現(xiàn)6</p><p>　　2.1氣體分子的紅外選擇性吸收理論6</p><p>　　2.2氣體差分監(jiān)測(cè)模型的建立6</p

11、><p>　　2.3瓦斯氣體傳感器模型的建立氣室7</p><p>　　2.4熱釋電紅外探測(cè)器8</p><p>　　2.5紅外光源電路的設(shè)計(jì)9</p><p>　　2.6放大電路的設(shè)計(jì)12</p><p>　　2.7A/D轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)12</p><p>　　2.7.1硬件原理13<

12、;/p><p>　　2.7.2軟件原理14</p><p>　　第三章 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)原理17</p><p>　　3.1ZigBee無線自組織網(wǎng)絡(luò)概述17</p><p>　　3.2ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)18</p><p>　　3.3ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由20</p><p&

13、gt;　　3.4ZigBee網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)20</p><p>　　3.5無線模塊的設(shè)計(jì)21</p><p>　　3.6CC2430外圍電路的設(shè)計(jì)22</p><p>　　3.7ZigBee無線定位硬件平臺(tái)24</p><p>　　第四章 軟件設(shè)計(jì)25</p><p>　　4.1開發(fā)環(huán)境的介紹25</p&g

14、t;<p>　　4.2Zigbee協(xié)議移植25</p><p><b>　　結(jié) 論30</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)31</b></p><p><b>　　附 錄32</b></p><p><b>　　謝 辭35</

15、b></p><p><b>　　引 言</b></p><p>　　在我國的能源工業(yè)中，煤炭占我國一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的70%左右，預(yù)計(jì)到2050年還將占50%以上。因此，煤炭在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)仍將是我國的主要能源。在煤礦開采中，瓦斯煤塵爆炸、火災(zāi)、透水、頂板冒落、煤與瓦斯突出、沖擊地壓、中毒、窒息等多種災(zāi)害事故時(shí)有發(fā)生。從每年的事故統(tǒng)計(jì)中來看，煤礦發(fā)生一次

16、死亡10人以上的特大事故中，絕大多數(shù)是由于瓦斯爆炸，約占特大事故總數(shù)的70%左右。我國目前國有重點(diǎn)煤礦大多數(shù)屬于瓦斯礦井，其中高瓦斯礦井和突出礦井占全國礦井總數(shù)的44%。因此，預(yù)防、控制瓦斯爆炸事故，是實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。瓦斯防治是煤礦安全工作的重中之重，必須采取有利措施，有效防治煤礦重特大瓦斯事故的發(fā)生，以確保煤礦的安全生產(chǎn)。</p><p>　　本課題的研究就是綜合運(yùn)用傳感器與無線傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯

17、的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制，實(shí)現(xiàn)井上，井下聯(lián)動(dòng)，并使各礦井情況局域網(wǎng)共享。最終可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)管部門直接監(jiān)管各個(gè)礦井生產(chǎn)情況。</p><p><b>　　第一章 概述</b></p><p>　　1.1瓦斯氣體的特點(diǎn)</p><p>　　煤礦瓦斯則是指的天然氣，主要成分是烷烴，其中甲烷占絕大多數(shù)，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般還含有硫化氫、二氧化碳、氮

18、和水氣，以及微量的惰性氣體，如氦和氬等。在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，甲烷至丁烷以氣體狀態(tài)存在，戊烷以上為液體。 如遇明火，即可燃燒，發(fā)生“瓦斯”爆炸，直接威脅著礦工的生命安全。由于煤礦在正常情況下是沒有瓦斯的，所以國家煤礦管理有關(guān)規(guī)定中明確指出，瓦斯?jié)舛瘸^1%就要停止生產(chǎn)，采取安全措施。</p><p>　　1.2幾種瓦斯傳感器的特點(diǎn)與原理</p><p><b>　　1.熱催化型</

19、b></p><p>　　熱催化原理的檢測(cè)儀器是利用催化物能使低濃度瓦斯在低溫度下持續(xù)燃燒(氧化)，因不同濃度的瓦斯在燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱量不同，用溫度的變化來測(cè)量瓦斯?jié)舛鹊囊环N檢測(cè)儀，又稱為催化氧化式或接觸燃燒式。</p><p><b>　　2.光干涉型</b></p><p>　　利用光干涉檢測(cè)原理，可以測(cè)定多種氣體濃度，在煤礦中主要測(cè)定

20、瓦斯和二氧化碳的濃度。光干涉原理的瓦斯檢測(cè)儀器是利用光波在空氣和瓦斯中的傳播速度不同，產(chǎn)生的光程差引起干涉條紋的移動(dòng)來測(cè)量瓦斯?jié)舛?。由同一光源發(fā)出的兩束光分別經(jīng)過充有空氣的參考?xì)馐液统溆写郎y(cè)氣體的采樣氣室后，再相遇時(shí)兩束光將產(chǎn)生干涉條紋。瓦斯?jié)舛炔煌?，干涉條紋的位置就不同，根據(jù)干涉條紋的位置就可以測(cè)定瓦斯的濃度。光干涉型瓦斯檢測(cè)儀器不存在高濃度瓦斯沖擊或“激活”影響及中毒問題，使用壽命長(zhǎng)，由于采用壓力法校準(zhǔn)，無需標(biāo)注氧氣，現(xiàn)場(chǎng)使用方便。

21、但它也存在一些缺點(diǎn)，特別是當(dāng)空氣中的氧氣不足和氮氧比例異常時(shí)，測(cè)量將出現(xiàn)誤差，選擇性較差進(jìn)一部變?yōu)殡娦盘?hào)還存在一些困難。</p><p><b>　　3.熱導(dǎo)型</b></p><p>　　熱導(dǎo)原理的氣體檢測(cè)儀器是利用所測(cè)氣體與空氣的熱導(dǎo)率之差來實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度檢測(cè)的。熱導(dǎo)型氣體檢測(cè)儀器是將待測(cè)氣體送入氣室，氣室中有熱敏原件，如鉑絲或鎢絲，對(duì)熱敏元件加熱到一定溫度，當(dāng)待

22、測(cè)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)較高時(shí)，熱量更容易從熱敏元件上散發(fā)，使其阻值減少，通過惠更斯電橋測(cè)量這一阻值變化可得到被測(cè)氣體濃度值。熱導(dǎo)型瓦斯檢測(cè)儀器常常與載體催化型瓦斯檢測(cè)儀器相結(jié)合，0％—5％瓦斯?jié)舛确秶鷥?nèi)用催化元件測(cè)量，5％—10％瓦斯?jié)舛确秶鷥?nèi)用熱導(dǎo)元件測(cè)量。熱導(dǎo)型檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，主要部分是一個(gè)電橋。熱敏元件工作溫度低(低于200攝氏度)，工作電壓不高，所以極易制成礦用本質(zhì)安全型，而且熱敏元件為半永久性元件，使用壽命長(zhǎng)。但用熱導(dǎo)方法得到

23、的信號(hào)較小，儀器的零點(diǎn)漂移是一個(gè)較難克服的缺點(diǎn)，它受到加工精度的影響很大。同時(shí)熱導(dǎo)型儀器對(duì)低濃度瓦斯反應(yīng)不準(zhǔn)確，易受到水蒸氣和氧氣濃度的影響。</p><p><b>　　(4)氣敏半導(dǎo)體型</b></p><p>　　氣敏半導(dǎo)體型瓦斯檢測(cè)方法是近幾年發(fā)展比較迅速的一種氣體檢測(cè)方法，它是利用某些金屬氧化物在特定溫度下，吸附不同氣體后電阻率將發(fā)生變化這一原理制成的。氣敏

24、半導(dǎo)體元件具有靈敏度較高、能耗較少、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，不存在載體催化元件中毒影響等問題。其缺點(diǎn)也比較明顯：一是選擇性較差，尤其是受水蒸氣影響嚴(yán)重，雖然通過添加某些材料或改變反應(yīng)溫度可以適當(dāng)提高其選擇性，但作用不大，二是線性測(cè)量范圍窄，測(cè)量可燃?xì)怏w濃度的精度較差。</p><p>　　(5)紅外氣體吸收型</p><p>　　紅外吸收型氣體檢測(cè)儀器是利用不同氣體對(duì)紅外輻射有著不同的吸收光譜，吸收

25、強(qiáng)度與氣體濃度有關(guān)來檢測(cè)瓦斯?jié)舛鹊?。紅外吸收型氣體檢測(cè)儀器一般由紅外輻射源(白熾燈或紅外LED)，氣室，波長(zhǎng)選擇裝置(濾光片)，紅外探測(cè)裝置(如熱電探測(cè)器，熱電池)等組成。如果氣體吸收譜線在入射光譜范圍內(nèi)，那么紅外輻射透過被測(cè)氣體后，在相應(yīng)譜線處就會(huì)發(fā)生能量的衰減，未被吸收的輻射被紅外探測(cè)器測(cè)得，通過測(cè)量該譜線處能量的衰減就可知被測(cè)氣體濃度。幾種瓦斯傳感技術(shù)的比較見表1-1。</p><p>　　表1-1 幾種瓦

26、斯傳感器件性能對(duì)比</p><p>　　從表1-1中可以發(fā)現(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)紅外型的傳感器在各個(gè)性能上都有比較突出的表現(xiàn)，實(shí)際上紅外型傳感器已經(jīng)成為了現(xiàn)在瓦斯監(jiān)測(cè)的主要應(yīng)用技術(shù)了。然而價(jià)格偏高是這個(gè)技術(shù)的一個(gè)弱點(diǎn)，設(shè)計(jì)一款性價(jià)比較高的紅外瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就成了本課題的一個(gè)研究重點(diǎn)。</p><p>　　1.3ZIGBEE無線技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用</p><p>　　1.3.1Zig

27、Bee技術(shù)概述及特點(diǎn)</p><p>　　ZigBee是一種新興的短距離，低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)方案。它此前被稱作HomeRF Lite或FireFly無線技術(shù)，主要用于近距離無線連接。它有自己的無線電標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以直接的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以它們的通信效率非常高。最后，這些數(shù)據(jù)

28、可以進(jìn)入計(jì)算機(jī)，用于分析和在局域網(wǎng)中的傳輸。ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面。</p><p>　　1.省電，兩節(jié)五號(hào)電池支持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間。</p><p>　　2.可靠，采用了碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定寬帶的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突；節(jié)點(diǎn)模塊之間具有自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的功能，信息在整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中通過自動(dòng)路由的方式進(jìn)行傳輸，從而保證了

29、信息傳輸?shù)目煽啃浴?lt;/p><p><b>　　3.延時(shí)短。</b></p><p>　　4.網(wǎng)絡(luò)容量大?？芍С诌_(dá)65000個(gè)節(jié)點(diǎn)。</p><p>　　5.安全。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用通用的AES-128。</p><p>　　1.3.2ZigBee技術(shù)在礦山安全領(lǐng)域的應(yīng)用</p

30、><p>　　傳統(tǒng)的礦業(yè)安全管理方式以單純管理人為主，缺乏定量的指標(biāo)，準(zhǔn)確性差，越來越來不適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。將短距離通信新秀ZigBee應(yīng)用于礦井安全領(lǐng)域，提出了一種定性，定量的評(píng)估方式，采用ZigBee將終端傳感器收集的各種參數(shù)傳至坑道上的網(wǎng)關(guān)，再采用有線方式將網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至地面上的中央控制計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)礦井狀況做出安全狀況作出評(píng)估。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以用N個(gè)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)及PC機(jī)構(gòu)成。</p

31、><p>　　第二章 紅外瓦斯傳感器的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　2.1氣體分子的紅外選擇性吸收理論</p><p>　　氣體吸收光子后，躍遷到激發(fā)態(tài)，在激發(fā)態(tài)停留非常短的時(shí)間后，又通過直接發(fā)射回到穩(wěn)定狀態(tài)，在這個(gè)過程中，釋放出光子。由于分子的不斷運(yùn)動(dòng)，此時(shí)釋放光子的出射方向已經(jīng)不是原方向了，而是在球面立體角中任意發(fā)射，這就相當(dāng)于入射方向上的光被散射掉了。不同氣體的吸收譜

32、線因其分子結(jié)構(gòu)的不同而互相不同，監(jiān)測(cè)某種特定波長(zhǎng)光的吸收情況，可進(jìn)行氣體的定性和定量分析。當(dāng)紅外輻射通過被測(cè)氣體時(shí)，其分子吸收光能量，那么光通過氣體后，光強(qiáng)發(fā)生衰減。</p><p>　　礦井瓦斯的主要成分是甲烷，我們只要測(cè)量光強(qiáng)的衰減就可以測(cè)算出瓦斯的濃度。甲烷對(duì)波長(zhǎng)為3.31μm的紅外輻射吸收最為明顯。所以我們選擇對(duì)3.31μm的紅外輻射進(jìn)行測(cè)量。</p><p>　　2.2氣體差分監(jiān)

33、測(cè)模型的建立</p><p>　　在紅外氣體檢測(cè)系統(tǒng)中，影響檢測(cè)靈敏度的因素很多，包括光源光功率的波動(dòng)、環(huán)境因素(振動(dòng)、溫度)的影響、光探測(cè)器件的噪聲、電路中元器件的漂移等，都會(huì)不同程度地降低系統(tǒng)的檢測(cè)靈敏度。同時(shí)，這些影響具有隨機(jī)性，因此要想精確的檢測(cè)瓦斯?jié)舛?，必須采取相?yīng)措施克服這些問題。這里我們使用的是雙波長(zhǎng)單光路法。其原理如圖2-1。</p><p>　　圖2-1 雙波長(zhǎng)單光路法原

34、理框圖</p><p>　　這里的光源選用的是寬帶光源，經(jīng)過兩個(gè)不同波長(zhǎng)的濾光片進(jìn)行濾光，得到波長(zhǎng)為λ1和λ2兩個(gè)波長(zhǎng)的光輻射。其中λ1在甲烷的吸收峰上，而甲烷對(duì)λ2的吸收很弱或不吸收，同時(shí)λ2也要避開其他氣體分子的吸收。這里λ1選用3.31μm 波長(zhǎng)，λ2選用4.0μm波長(zhǎng)。而環(huán)境因素對(duì)兩路波長(zhǎng)的光的影響是相同的，所以將二者做比值可以將環(huán)境因素消除，而保留下來的就是3.31μm波長(zhǎng)上甲烷對(duì)光強(qiáng)的吸收程度，最終定

35、量的算出甲烷的濃度來。</p><p>　　2.3瓦斯氣體傳感器模型的建立氣室</p><p>　　紅外瓦斯傳感器采用雙波長(zhǎng)單光路的結(jié)構(gòu)，包括紅外光源，氣室，濾光片和紅外探測(cè)器四部分。光源采用IRL715，探測(cè)器是帶有兩個(gè)濾光片的熱釋電探測(cè)器PYS3228TC G5.2/G20。測(cè)量濾光片允許甲烷氣體吸收頻帶的紅外輻射透過，因此測(cè)量信號(hào)反映的是甲烷氣體濃度的情況。參考信號(hào)反映的是環(huán)境情況。

36、瓦斯氣體傳感器模型如圖2-2。</p><p>　　圖2-2瓦斯氣體傳感器模型</p><p>　　2.4熱釋電紅外探測(cè)器</p><p>　　熱釋電效應(yīng)就是將光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種途徑。它是一種PZT晶體結(jié)構(gòu)的表面電荷極化隨其溫度變化而變化的傳感器，熱電體是其核心器件。自發(fā)極化的熱電體平時(shí)靠捕捉大氣中的富有電荷保持平衡狀態(tài)，受到紅外線照射后，其內(nèi)部溫度將會(huì)升高，內(nèi)

37、部的極化狀態(tài)便隨之降低，表面電荷濃度也相應(yīng)降低，這就相當(dāng)于“釋放”了一部分電荷，這種現(xiàn)象稱為電解質(zhì)的“熱釋電效應(yīng)”，從外部將釋放的電荷取出，就變成傳感器的輸出電壓。這個(gè)電壓就作為后面處理器中的控制信號(hào)。熱釋電傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-3。</p><p>　　圖2-3 熱釋電傳感器結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　這里我們選用PYS3228TC G5.2/G20熱釋電探測(cè)器是在一個(gè)TO-5封裝

38、的探測(cè)室內(nèi)含有兩個(gè)獨(dú)立的熱釋電探測(cè)器，相互之間沒有干擾，符合設(shè)計(jì)要求。PYS3228TC G5.2/G20工作溫度為25攝氏度，操作電壓在2-12V。PYS 3228 TC G5.2／G20是具有參考通道和測(cè)量通道的雙路熱釋電探測(cè)器。其內(nèi)部集成了兩個(gè)將紅外輻射量轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)的熱電元件，在封裝外殼開了兩個(gè)窗口，在兩個(gè)熱電元件前分別裝配了兩個(gè)窄帶濾光片，中心波長(zhǎng)分別為3．295μm和4．00μm.探測(cè)器采用TO-5封裝，四個(gè)引腳分別為電源

39、端、公共端、參考信號(hào)A和測(cè)量信號(hào)B。其中G20為允許4.00μm波長(zhǎng)通過的濾光片，G5.2為允許3.295波長(zhǎng)通過的濾光片。</p><p>　　2.5紅外光源電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　對(duì)于熱釋電探測(cè)器來說，只有在紅外輻射不斷變化，它的內(nèi)部溫紅外輻射的絕對(duì)值沒有反映。所以要對(duì)紅外光源進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制頻率要根據(jù)PYS3228TC G5.2/G20的性能來決定。PYS3228TC G5.2

40、/G20的響應(yīng)度與調(diào)制電路頻率之間的關(guān)系如圖2-5。</p><p>　　圖2-4 光源調(diào)制電路與PYS3228TC G5.2/G20的響應(yīng)度之間的關(guān)系</p><p>　　從圖2-4中可以看出光源調(diào)制頻率在0.1HZ和1HZ間響應(yīng)最大。根據(jù)這一點(diǎn)我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)頻率為0.5HZ的光源調(diào)制電路，低電平大于等于0V，高電平小于等于5V.光源要選擇熱光源，這里選擇IRL715。 IRL715紅外光

41、源是一種白熾燈，屬于熱輻射型光源，最大直徑3.17mm、額定工作電壓為5 V、額定電流為115mA、額定功率0.575W、輻射強(qiáng)度0.15 MSCP、反應(yīng)時(shí)間常數(shù)是290ms、波長(zhǎng)從可見光到5pm，適合碳?xì)涞葰怏w的檢測(cè)。IRL715紅外光源具有高可靠性，輸出光波穩(wěn)定，反應(yīng)時(shí)間常數(shù)較短，可進(jìn)行低頻電調(diào)制，壽命長(zhǎng)，工作在5伏電壓下，可達(dá)40000小時(shí)。這里我們采用NE555無穩(wěn)態(tài)應(yīng)用電路。其頻率和占空比靠外接R1、R2、和C來決定。周期如式

42、2-1。</p><p>　　T=(R1+R2)C×ln2 （2-1）</p><p>　　電路原理如圖2-5。NE555是一個(gè)能產(chǎn)生精度定時(shí)脈沖的高穩(wěn)度控制器。其特點(diǎn)有，只需要簡(jiǎn)單的電阻器，電容器，即可完成特定的振蕩延時(shí)作用。其延時(shí)范圍及廣，可由幾微秒至幾小時(shí)之久。它的操作電源范圍極大，可與TTL,CMOS等邏輯閘配合，其

43、輸出端供給電流大，可直接推動(dòng)自動(dòng)控制負(fù)載，它的精度高，溫度穩(wěn)定度佳，且價(jià)格便宜。供應(yīng)電壓4.5V-18V。供應(yīng)電流3mA-6mA,輸出電流225mA。</p><p>　　圖2-5 555定時(shí)器無穩(wěn)態(tài)工作方式</p><p>　　光源調(diào)制電路如圖2-6。其中用了IRF540作為光源狀態(tài)變換的控制器。IRF540是一個(gè)MOS型場(chǎng)效應(yīng)管兒，具有導(dǎo)通電阻小，開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)紅外光源狀態(tài)速

44、速轉(zhuǎn)變提供了條件。多諧振蕩器控制場(chǎng)效應(yīng)管IRF540的通斷，當(dāng)其輸出高電平時(shí)，IRF540導(dǎo)通；當(dāng)其輸出低電平時(shí)，IRF540截止，控制紅外光源狀態(tài)的切換。通過調(diào)整R3來控制紅外光源兩端的電壓，使其滿足要求。</p><p>　　圖2-6 光源調(diào)制電路</p><p>　　2.6放大電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　熱釋電探測(cè)器的原始輸出信號(hào)為幾個(gè)毫伏，為了提高測(cè)量精

45、度，需要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大和濾波。圖2-7是測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)的放大濾波電路。因?yàn)橛袦y(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)兩路信號(hào)，所以我們選用LM358雙運(yùn)算放大器。LM358包括兩個(gè)獨(dú)立的，高增益，內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式。它的使用范圍包括傳感器，直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。電源電壓范圍3-30V，低功耗電流，適合用電池供電。</p><p>

46、;　　圖2-7 信號(hào)放大濾波電路</p><p>　　其中R4,R8為下拉電阻，C7,C11為隔直電容，濾除原始信號(hào)中的直流偏置電壓，R5,R9為平衡電阻使得放大器的正負(fù)輸入端的阻抗匹配，電容C8,C12濾掉高次諧波分量，通過調(diào)整R7和R11可以改變放大器增益，放大器增益由式（3-1）(3-2)表示。</p><p>　　A1=1+R7/R6

47、 （3-1）</p><p>　　A2=1+R11/R10 (3-2)</p><p>　　2.7A/D轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)</p><p>　　前面所用電路最終輸出的是模擬信號(hào)。要實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的控制必須進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。</p><p><b>　　2.7.1硬件原理</b

48、></p><p>　　CC2430芯片本身帶有一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器，其結(jié)構(gòu)如圖2-8所示。</p><p>　　圖2-8 ADC框圖</p><p>　　CC2430的ADC轉(zhuǎn)換位數(shù)可選，從8位到14位。8個(gè)可獨(dú)立配置輸入通道。CC2430芯片如圖2-9所示：當(dāng)使用A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，P0口必須配置成ADC輸入從而作為8個(gè)ADC輸入。電壓計(jì)算公式見式（3-3）

49、。</p><p>　　電壓=ADC/精度*參考電壓 （3-3）</p><p>　　其中ADC為轉(zhuǎn)換后的值，精度為選擇位數(shù)，選擇14位轉(zhuǎn)換就為2的14次冪，這里選內(nèi)部參考電壓1.25V。完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果直接送至內(nèi)存（DMA模式），不需要CPU干涉。另：對(duì)需要的幾個(gè)管腳作簡(jiǎn)單說明。DVDD為I/O管腳提供2.0-3.6V電壓；DVDD_ADC

50、為ADC的數(shù)字電路部分提供1.8V電壓。其他管腳說明見附錄。選擇任意兩個(gè)P0管腳進(jìn)行輸入，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并得出比值。</p><p>　　圖2-9 CC2430芯片管腳圖</p><p>　　這里選擇的是8位轉(zhuǎn)換。根據(jù)式（3-3）所示，ADC最大值是2的8次冪，這里精度為2的8次冪，參考電壓選為1.25V，所以對(duì)模擬電壓的最大輸入為要求是1.25V。</p><p>

51、;<b>　　2.7.2軟件原理</b></p><p>　　這里我們使用IAR開發(fā)環(huán)境對(duì)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行硬件設(shè)置。IAR在第四章中將做介紹。下面是CC2430ADC轉(zhuǎn)換的硬件配置驅(qū)動(dòng)程序（ADC_HAL.H）庫。</p><p>　　// Reference voltage（參考電壓）:</p><p>　　#define ADC_REF_1_

52、25_V 0x00 //選擇1.25V參考電壓</p><p>　　#define ADC_REF_P0_7 0x40 // 選擇P0_7口輸入電壓為參考電壓</p><p>　　#define ADC_REF_AVDD 0x80 // AVDD_SOC為參考電壓</p><p>　　#define AD

53、C_REF_P0_6_P0_7 0xC0 //外部對(duì)AIN6 - AIN7差分基準(zhǔn)輸入</p><p>　　// Resolution (轉(zhuǎn)換精度):</p><p>　　#define ADC_8_BIT 0x00 // 選擇8位轉(zhuǎn)換</p><p>　　#define ADC_10_BIT 0x10

54、 // 選擇10位轉(zhuǎn)換</p><p>　　#define ADC_12_BIT 0x20 // 選擇12位進(jìn)行轉(zhuǎn)換</p><p>　　#define ADC_14_BIT 0x30 // 選擇14位進(jìn)行轉(zhuǎn)換</p><p>　　// Input channel（輸入通道）:</p><p

55、>　　#define ADC_AIN0 0x00 // P0_0端口</p><p>　　#define ADC_AIN1 0x01 // P0_1端口</p><p>　　#define ADC_AIN2 0x02 // P0_2端口</p><p>　　#define

56、 ADC_AIN3 0x03 // P0_3端口</p><p>　　#define ADC_AIN4 0x04 // P0_4端口</p><p>　　#define ADC_AIN5 0x05 // P0_5端口</p><p>　　#define ADC_AIN6

57、 0x06 // P0_6端口</p><p>　　#define ADC_AIN7 0x07 // P0_7端口</p><p>　　#define ADC_GND 0x0C //接地端</p><p>　　#define ADC_TEMP_SENS 0x0E

58、// 片上溫度傳感器</p><p>　　#define ADC_VDD_3 0x0F // 3V電壓</p><p>　　ADC采樣函數(shù)：ADC_SAMPLE_SINGLE()</p><p>　　這里我們選取ADC_REF_1_25_V端口輸入電壓為參考電壓，測(cè)量信號(hào)從P0_2輸入到CC2430芯片，參考信號(hào)從P0_3輸入到CC243

59、0中，采用8位轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。得到比值，做是否超標(biāo)的判斷，如果超標(biāo),喚醒ZigBee系統(tǒng)，進(jìn)行通信，如果沒有超標(biāo)繼續(xù)循環(huán)，其軟件流程圖見圖2-10。</p><p><b>　　程序代碼如下：</b></p><p>　　ADC (void)</p><p><b>　　{ </b></p>

60、<p>　　unsigned char a,b,c;</p><p>　　while(true)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　a= ADC_SAMPLE_SINGLE(ADC_REF_1_25_V,ADC_8_BIT,ADC_AIN2);</p><p>　　b= ADC_SAM

61、PLE_SINGLE(ADC_REF_1_25_V,ADC_8_BIT,ADC_AIN3);</p><p><b>　　c=a/b;</b></p><p>　　if(c>3456)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　Break;</b>

62、;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　FASONG();</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　第三章 ZigBee無線網(wǎng)

63、絡(luò)的組網(wǎng)原理</p><p>　　3.1ZigBee無線自組織網(wǎng)絡(luò)概述</p><p>　　長(zhǎng)期以來無線網(wǎng)絡(luò)一直采用一種集中式模式，這種模式可能會(huì)造成瓶頸、延時(shí)和故障單點(diǎn)。無線自組織網(wǎng)絡(luò)正在作為一種替代無線交換功能的技術(shù)興起，它通過采用格柵狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將智能性由交換機(jī)分散到接入點(diǎn)中，使節(jié)點(diǎn)或接入點(diǎn)無須經(jīng)過中央交換機(jī)點(diǎn)就可相互通信，從而消除了集中的故障，并提供了自愈和自我組織的功能。<

64、;/p><p>　　狹義上的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是指一種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備是通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的眾多冗余鏈路互相連接起來的。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都與網(wǎng)絡(luò)中的另一個(gè)節(jié)點(diǎn)相連接，可直接連接，也可通過中間節(jié)點(diǎn)連接。無線自組織網(wǎng)絡(luò)（也稱“多跳”網(wǎng)絡(luò)）是以網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為路由路徑，數(shù)據(jù)包根據(jù)路由協(xié)議在節(jié)點(diǎn)間以無線的方式傳送的交換式無線網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上講，無線網(wǎng)狀網(wǎng)可以被看做是

65、無線版、微縮版的互聯(lián)網(wǎng)?；ヂ?lián)網(wǎng)呈現(xiàn)的是網(wǎng)狀網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而無線自組織網(wǎng)狀網(wǎng)又把互聯(lián)網(wǎng)的信形式延伸到了無線領(lǐng)域。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如同一張網(wǎng)。在傳統(tǒng)的星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，許多外圍節(jié)點(diǎn)連接到中心節(jié)點(diǎn)。不過在無線自組織網(wǎng)狀網(wǎng)中，節(jié)點(diǎn)之間彼此相連。不過無線自組織網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，節(jié)點(diǎn)之間彼此相連。如果無線自組織網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)要傳送信息，數(shù)據(jù)包就會(huì)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)跳到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，知道最終達(dá)到目的地。</p><p>　　傳輸?shù)木唧w步驟如下：&l

66、t;/p><p>　　一個(gè)新節(jié)點(diǎn)利用簡(jiǎn)單的發(fā)現(xiàn)協(xié)議向網(wǎng)絡(luò)廣播自己的存在，加入到無線網(wǎng)絡(luò)中。</p><p>　　已有的節(jié)點(diǎn)認(rèn)知這個(gè)新節(jié)點(diǎn)，并透明地重新配置和重新調(diào)整網(wǎng)絡(luò)來容納這個(gè)新節(jié)點(diǎn)。</p><p>　　在通信過程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的信號(hào)強(qiáng)度，吞吐量、錯(cuò)誤、時(shí)延，頻繁重新計(jì)算最佳路徑。</p><p>　　路由技術(shù)是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通信的基礎(chǔ)，也是

67、移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。與一般的蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)不同，移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)個(gè)節(jié)點(diǎn)間的通信節(jié)點(diǎn)間通過多跳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)交換需要專門的路由協(xié)議進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)操作。無線信道變化的不規(guī)則性、節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)、加入、退出等都會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。</p><p>　　3.2ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p>　　ZigBee是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的工作節(jié)點(diǎn)為依托，通過無線通信組成的星狀、樹狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)

68、、每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能并非相同。為了降低成本，系統(tǒng)中大部分的節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)，從網(wǎng)狀通信上，它只是其功能的一個(gè)子集，稱為半功能設(shè)備（RFD）。而還有一些節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)與所有控制的子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，匯集數(shù)據(jù)以及和發(fā)布控制，或起到通信路由的作用，稱之為全功能設(shè)備（FFD）。</p><p>　　每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都有唯一的一個(gè)協(xié)調(diào)器，它相當(dāng)于現(xiàn)在有線局域網(wǎng)中的服務(wù)器，具有對(duì)本網(wǎng)絡(luò)的管理能力。網(wǎng)絡(luò)中的全功能節(jié)點(diǎn)可作為路由器、協(xié)調(diào)器以及終端節(jié)點(diǎn)來

69、使用，而半功能節(jié)點(diǎn)只能作為終端節(jié)點(diǎn)使用。幾種ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3-1、圖3-2、圖3-3來顯示。</p><p>　　圖3-1 星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?lt;/p><p>　　星狀網(wǎng)是由一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)點(diǎn)和一個(gè)或多個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)組成的。ZigBee協(xié)調(diào)點(diǎn)必須是FFD，它位于網(wǎng)絡(luò)的中心，負(fù)責(zé)發(fā)起建立和維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，其它的節(jié)點(diǎn)(終端節(jié)點(diǎn))一般為RFD，也可以為FFD，它們分布在Zig

70、Bee協(xié)調(diào)點(diǎn)的覆蓋范圍內(nèi)，直接與ZigBee協(xié)調(diào)點(diǎn)進(jìn)行通信。星形網(wǎng)的控制和同步都比較簡(jiǎn)單，通常用于節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少的場(chǎng)合。</p><p>　　圖3-2 樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?lt;/p><p>　　樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，枝干末端的葉子節(jié)點(diǎn)一般為RFD。每一個(gè)在它的覆蓋范圍中充當(dāng)協(xié)調(diào)點(diǎn)的FFD向與它相連的節(jié)點(diǎn)提供同步服務(wù)，這些協(xié)調(diào)點(diǎn)又受ZigBee協(xié)調(diào)點(diǎn)的控制，ZigBee協(xié)調(diào)點(diǎn)比網(wǎng)絡(luò)中的其它協(xié)調(diào)點(diǎn)具有更強(qiáng)的處

71、理能力和存儲(chǔ)空問。樹形網(wǎng)的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)就是它的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較大，但隨著覆蓋范圍的增大，信息的傳輸時(shí)延會(huì)增大，而且同步也會(huì)變得比較復(fù)雜。</p><p>　　圖3-3 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?lt;/p><p>　　網(wǎng)狀網(wǎng)一般是由若干個(gè)FFD連接在一起組成骨干網(wǎng)。它們之間是完全的對(duì)等通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與它的無線通信范圍內(nèi)的其它節(jié)點(diǎn)通信，但它們中也有一個(gè)會(huì)被推薦為ZigBee協(xié)調(diào)點(diǎn)，例如把第一個(gè)在信道中通

72、信的節(jié)點(diǎn)作為ZigBee協(xié)調(diào)點(diǎn)。骨干網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)還可以連接FFD或RFD組成以它為協(xié)調(diào)點(diǎn)的子網(wǎng)。具有“自恢復(fù)"能力，它可為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包提供多條路徑，一旦一條路徑出現(xiàn)故障，則存在另一條或多條路徑可供選擇，但正是由于兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在多條路徑，它也是一種“高冗余"的網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　3.3ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由</p><p>　　路由選擇是在網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備相互合作條件

73、下選擇，并建立路由的一個(gè)流程，該流程通常與特定的源地址和目的地址相對(duì)應(yīng)。路由選擇包括如下一個(gè)流程：（1）路由搜索的初始化；（2）接收路由請(qǐng)求命令幀；（3）接收路由應(yīng)答命令幀。</p><p>　　3.4ZigBee網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)</p><p>　　整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是有ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)還有以太網(wǎng)組合而成的。從ZigBee無線網(wǎng)到以太網(wǎng)通訊肯定就需要網(wǎng)關(guān)的介入了。ZigBee網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)通訊網(wǎng)關(guān)是

74、用來溝通無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，主要起兩個(gè)作用：在ZigBee采集網(wǎng)絡(luò)中做為主協(xié)調(diào)器使用，負(fù)責(zé)設(shè)備的注冊(cè)與基本的網(wǎng)絡(luò)管理功能；另外網(wǎng)關(guān)把接受到的數(shù)據(jù)經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換，以TCP／IP協(xié)議發(fā)送至服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)的互連。本設(shè)備主要由處理器、RF芯片和網(wǎng)絡(luò)處理模塊等組成，是一個(gè)專用的嵌入式系統(tǒng)。每個(gè)網(wǎng)關(guān)都</p><p>　　設(shè)置一個(gè)固定的IP地址，上層服務(wù)器通過工業(yè)以太網(wǎng)接收終端傳過來的數(shù)

75、據(jù)，從而實(shí)</p><p>　　現(xiàn)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦井生產(chǎn)的信息。網(wǎng)關(guān)工作示意圖如圖3-4所示。</p><p>　　終端設(shè)備 網(wǎng)關(guān) PC</p><p>　　圖3-4 網(wǎng)關(guān)工作示意圖</p><p>　　3.5無線模塊的設(shè)計(jì)</p><p>　　

76、無線模塊是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵部分，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)都需要該模塊的支持才能順利通訊，電路設(shè)計(jì)的好壞直接影響了通訊的距離和可靠性。選用合適的芯片也是至關(guān)重要的。選擇射頻芯片應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素：芯片所需的外圍元件數(shù)量盡量少。芯片外圍元件數(shù)量直接決定產(chǎn)品成本，因此應(yīng)選擇外圍元件少的射頻芯片。在同等條件下，為了保證有效和可靠的通信，應(yīng)該選用發(fā)射功率較高的產(chǎn)品。另外芯片的封裝盡量小和管腳數(shù)盡量少，較少的管腳以及較小的封裝，有利于減少印刷電路板(PCB

77、)的面積，適合終端的微型化設(shè)計(jì)。CC2430是Chipcon公司生產(chǎn)的第二代ZigBee芯片，具有高性能和低功耗的8051內(nèi)核，集成了符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHZ的RF無線收發(fā)機(jī)。具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性。硬件支持CSMA/CA功能，較寬的電壓范圍（2.0-3.6V）。集成了位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的ADC。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。</p><p>　　圖3-5 CC2430內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖&

78、lt;/p><p>　　3.6CC2430外圍電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　CC2430是無線SOC設(shè)計(jì)，其內(nèi)部已經(jīng)集成了大量必要的電路，因此采用較少的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)功能了。它的外圍電路包括晶振時(shí)鐘電路，射頻輸入/輸出匹配電路和微控制器接口電路，濾波電路等幾個(gè)部分。如圖3-2。</p><p>　　圖3-6 CC2430外圍電路</p>&l

79、t;p><b>　　(1)晶振時(shí)鐘電路</b></p><p>　　芯片本振信號(hào)既可由外部有源晶體提供，也可由內(nèi)部電路提供。由內(nèi)部電路提供時(shí)需外加晶體振蕩器和兩個(gè)負(fù)載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數(shù)。這里采用32MHz晶振電路，外加兩個(gè)22pF的電容，C3=220nF為去耦合電容。</p><p>　　(2)輸入/輸出匹配</p>

80、<p>　　射頻輸入/輸出匹配電路主要用來匹配芯片的輸入輸出阻抗，使其輸入輸出阻抗為50歐，同時(shí)為芯片內(nèi)部的PA及LNA提供直流偏置。當(dāng)使用單極天線等不平衡天線時(shí)，為優(yōu)化性能必須使用不平衡變壓器，不平衡變壓器可以用分立的電容和電感組成。L1、L2、L3、C4為非平衡變壓器。</p><p><b>　?。?）偏置電阻</b></p><p>　　R1=56K

81、Ω為晶振提供合適的工作電流。R2=43KΩ為偏置電阻。</p><p><b>　?。?）電壓調(diào)節(jié)器</b></p><p>　　C3=220pF為去耦電容，用來電源濾波，以提高芯片工作的穩(wěn)定性。</p><p>　　3.7ZigBee無線定位硬件平臺(tái)</p><p>　　ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)主要是由仿真器和網(wǎng)關(guān)

82、系統(tǒng)和無線模塊組成。仿真器的作用就是負(fù)責(zé)在線下載，調(diào)試和仿真等功能。網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)ZigBee協(xié)議轉(zhuǎn)換為TCP/IP協(xié)議。無線模塊負(fù)責(zé)信息的收發(fā)。建立硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-7所示。</p><p>　　圖3-7 硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　仿真器將計(jì)算器中的程序下載到網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)包括網(wǎng)關(guān)底板底板和高頻模塊。然后就可進(jìn)行通信。</p><p><

83、;b>　　第四章 軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1開發(fā)環(huán)境的介紹</p><p>　　本系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試都是在集成開發(fā)環(huán)境IAR Embedded Workbeneh中完成的。IAR Embedded Workbench(簡(jiǎn)稱IAR EW)是瑞典IAR System公司推出的一種非常優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具，它使用戶能夠充分有效的開發(fā)并管理嵌入式應(yīng)用項(xiàng)目，其界面類

84、似于MS Visum c++，可以在Windows平臺(tái)上運(yùn)行，功能十分完善。IAR EW中包含了源程序文件編譯囂、項(xiàng)目管理器(Project)、源程序調(diào)試器(Debug)等，并且為c／c++編譯器、匯編器、鏈接定位器等提供了單一而靈活的開發(fā)環(huán)境。IAR EW的源級(jí)瀏覽器(Source Browser)功能利用符號(hào)數(shù)據(jù)庫使用戶可以快速瀏覽源文件，還可通過詳細(xì)的符號(hào)信息來優(yōu)化變量存儲(chǔ)器，文件查找功能可在指定的若干種文件中進(jìn)行全局文件收索，I

85、AR EW還提供了對(duì)第三方工具軟件的接口，允許啟動(dòng)用戶指定的應(yīng)用程序。</p><p>　　IAR EW適用于開發(fā)基于8位、16位以及32位微處理器的嵌入式系統(tǒng)，集成開發(fā)環(huán)境具有統(tǒng)一界面，為用戶提供了一個(gè)具有最大代碼繼承能力的開發(fā)平臺(tái)。以及對(duì)各種特殊目標(biāo)的支持。IAR公司提出了所謂“不同框架，唯一解決方案”的概念，用戶可以針對(duì)多種不同的目標(biāo)處理器，在相同的集成開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行基于不用CPU的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序的開發(fā)

86、，有效提高工作效率，節(jié)省工作時(shí)間。IAR EW還是一種可擴(kuò)展的模塊化環(huán)境，允許用戶采用自己喜歡的編譯器和源代碼控制系統(tǒng)，鏈接定位器可以輸出多種格式的目標(biāo)文件，使用戶可以采用第三方軟件進(jìn)行仿真調(diào)試。編譯器、匯編器和鏈接器也可在命令行上運(yùn)行，用戶可以在一個(gè)已建立好的項(xiàng)目中把它們作為外部工具使用。</p><p>　　4.2Zigbee協(xié)議移植</p><p>　　考慮到系統(tǒng)的可移植性和可擴(kuò)展性

87、，本系統(tǒng)采用TI公司的開源Z-Stack協(xié)議棧。2007年1月11日，德州儀器(TI)宣布推出業(yè)界首款符合ZigBee2006標(biāo)準(zhǔn)的平臺(tái)。其主要特點(diǎn)就是其兼容性，支持多種平臺(tái)，其中包括面向IEEE802 15 4／ZigBee的CC2430片上系統(tǒng)解決方案、基于CC2430收發(fā)器的新平臺(tái)以及TI MSP430超低功耗MCU。TI的Z-Stack可以通過IAR開發(fā)環(huán)境進(jìn)行編譯下載。該協(xié)議?？梢詫?shí)現(xiàn)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)鏈接，在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)對(duì)路由表

88、和綁定表的非易失性存儲(chǔ)，因此網(wǎng)絡(luò)具有一定的記憶功能。Z-Stack采用操作系統(tǒng)的思想來構(gòu)建，采用事件輪循機(jī)制，當(dāng)各層初始化之后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，喚醒系統(tǒng)，開始進(jìn)入中斷處理事件，結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)入低功耗模式。</p><p>　　協(xié)議棧程序文件和硬件電路接口程序聯(lián)系緊密，因此要先進(jìn)行單片機(jī)的分析較，結(jié)合所開發(fā)的無線通信程序?qū)τ布涌诔绦蜻M(jìn)行修改．在此基礎(chǔ)上逐漸增加要編譯的源文件，通過編譯器提示的錯(cuò)誤進(jìn)

89、行調(diào)試和修改，反復(fù)進(jìn)行改過程序，程序編譯成功以后結(jié)合硬件平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，然后進(jìn)行應(yīng)用層的開發(fā)。安裝好Z-Stack，在IAR軟件下打開SampleApp工程．此工程為Ti公司為用戶提供的一個(gè)簡(jiǎn)單的ZigBee應(yīng)用例程。</p><p>　　協(xié)議棧代碼框架如下：</p><p>　　（1）APP(Application Programming)：應(yīng)用層目錄，這是用戶創(chuàng)建各種不同工程的區(qū)域。

90、</p><p>　?。?）HAL(Hardware(H／W)Abstraction Layer)：硬件層目錄，包含與硬件相關(guān)的配置和驅(qū)動(dòng)及操作函數(shù)。</p><p>　　（3）MAC：MAC層目錄，包含了MAC層的參數(shù)配置文件及其MAC的LIB庫的函數(shù)接口文件。</p><p>　　（4）MT(Monitor Test)：實(shí)現(xiàn)通過串口可控各層，與各層進(jìn)行直接交互調(diào)

91、試。</p><p>　?。?）NWK(ZigBee Network Layer)：網(wǎng)絡(luò)層目錄，含網(wǎng)絡(luò)層配置參數(shù)文件及網(wǎng)絡(luò)層庫的函數(shù)接口文件，APS層的庫函數(shù)接口。</p><p>　?。?）OSAL(Operating System(OS)Abstraction Layer)：協(xié)議棧的操作系統(tǒng)。</p><p>　　（7）rofile：AF(Application

92、 Framework)層目錄，包含AF層處理函數(shù)文件。</p><p>　　HAL硬件層目錄是主要修改部分。該部分代碼涉及的都是最底層的東西。主要包括目標(biāo)板硬件的驅(qū)動(dòng)、單片機(jī)的配置、MAC層硬件配置及休眠功能的設(shè)置等信息。硬</p><p>　　件層主要文件及其作用如表4-1所示。</p><p>　　表4-1 硬件層主要文件及作用</p><p

93、>　　通過上面的移植，程序正確進(jìn)行編譯以及鏈接，生成HEX文件，再用ISP下載器將程序下載到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)中，進(jìn)行協(xié)議棧測(cè)試。完成移植Z-Stack后的數(shù)據(jù)采集終端結(jié)合協(xié)調(diào)器，就可以實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)通訊，組網(wǎng)流程如圖4-1，圖4-2所示。</p><p>　　圖4-1 協(xié)調(diào)器組網(wǎng)及允許子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)流程圖</p><p>　　圖4-2 子節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)流程圖</p><p&g

94、t;　　ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)完成。傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程圖(主程序)如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-4 主程序流程圖</p><p>　　由于本文章的研究重點(diǎn)在節(jié)點(diǎn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中瓦斯傳感節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)，所以網(wǎng)關(guān)以及網(wǎng)關(guān)以后的內(nèi)容就不贅述了。</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p&g

95、t;　　本文針對(duì)煤礦生產(chǎn)中瓦斯氣體的檢測(cè)系統(tǒng)的分析，提出了以ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和光譜吸收式紅外瓦斯監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合的無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。并設(shè)計(jì)了傳感器部分的原理電路。介紹了氣體吸收原理，光源部分，采用脈沖調(diào)制電路。并運(yùn)用了熱釋電傳感技術(shù)，采集光輻射信號(hào)。由于采用的是測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)兩路信號(hào)，所以放大電路采用了雙運(yùn)算放大。AD轉(zhuǎn)換部分采用的是CC2430，CC2330內(nèi)有14位AD轉(zhuǎn)換器，而且也是ZigBee無線網(wǎng)采用的處理芯片。&l

96、t;/p><p>　　ZigBee無線部分，介紹了ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的工作特點(diǎn)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，路由。并對(duì)組網(wǎng)硬件電路進(jìn)行了介紹，對(duì)協(xié)議的移植和組網(wǎng)軟件準(zhǔn)備進(jìn)行了介紹。最后對(duì)兩種技術(shù)的結(jié)合，構(gòu)成無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)做了簡(jiǎn)要說明。</p><p>　　本文在參考了相關(guān)資料后設(shè)計(jì)了傳感器部分的原理電路，由于時(shí)間有限，條件有限，沒有對(duì)電路中的電路元件參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和實(shí)驗(yàn)。由于學(xué)識(shí)有限，難免有一些漏洞，與實(shí)際應(yīng)用還

97、有很大距離，希望各位老師指出錯(cuò)誤，我將虛心地接受并加以改進(jìn)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 李文仲,段朝玉.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門實(shí)踐.北京.北航出版社 2007</p><p>　　[2] 尹盼. 基于ZigBee技術(shù)的礦井綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)開發(fā).中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 .2009<

98、;/p><p>　　[3] 呂光杰. 光譜吸收式煤礦瓦斯紅外檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用研究.西安科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 2009</p><p>　　[4] 覃磊,張杰.基于ZigBee技術(shù)的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng).計(jì)量與測(cè)試技術(shù).2007</p><p>　　[5] 王秀梅,劉乃安. 利用2.4GHz射頻芯片CC2420實(shí)現(xiàn)ZigBee無線通信設(shè)計(jì). 國外電子元器件.2005</p

99、><p>　　[6] 翁哲. 基于CC2430的Zigbee無線通信模塊設(shè)計(jì). 黑龍江科技信息.2005</p><p>　　[7] Qiangfeng Jiang，D．Manivannan．Routing Protocols for Sensor Networks，Consumer Communications and Networking Conference，2004．CCNC 2004

100、．</p><p>　　[8] ZigBee Alliance，ZigBee Specification，ZigBee Document Version 1．0．</p><p>　　December 1 4th，2004</p><p>　　[9] You Ke , Chang Min Hui. Gas conductive sensor technology a

101、nd application. Proceedings of the 2009 International Symposium on Web Information Systems and Applications (WISA’09) .2009</p><p><b>　　附 錄</b></p><p>　　1.I/O 端口線引腳功能。</p><

102、;p>　　1～6 腳（P1_2～ P1_7）： 具有 4 mA 輸出驅(qū)動(dòng)能力。 </p><p>　　8，9 腳（P1_0，P1_1）： 具有 20 mA 的驅(qū)動(dòng)能力。 </p><p>　　11～18 腳（P0_0 ～P0_7）： 具有 4 mA 輸出驅(qū)動(dòng)能力。 </p><p>　　43，44，45，46，48 腳（P2_4，P2_3，P2_2，P2_1，

103、P2_0）：具有4 mA 輸出驅(qū)動(dòng)能力。 </p><p>　　2.電源線引腳功能。</p><p>　　7 腳（DVDD）： 為 I/O 提供2.0～3.6 V 工作電壓。 </p><p>　　20 腳（AVDD_SOC）： 為模擬電路連接2.0～3.6 V 的電壓。 </p><p>　　23 腳（AVDD_RREG）： 為模擬電路連接

104、2.0～3.6 V 的電壓。 </p><p>　　24 腳（RREG_OUT）： 為 25，27～31，35～40 引腳端口提供1.8 V 的穩(wěn)定電壓。 </p><p>　　25 腳 (AVDD_IF1 )： 為接收器波段濾波器、模擬測(cè)試模塊和VGA 的第一部分電</p><p>　　源提供電1.8V 電壓。 </p><p>　　27

105、腳（AVDD_CHP）： 為環(huán)狀濾波器的第一部分電路和充電泵提供1.8 V 電壓。 </p><p>　　28 腳（VCO_GUARD）： VCO 屏蔽電路的報(bào)警連接端口。 </p><p>　　29 腳（AVDD_VCO）: 為VCO 和PLL 環(huán)濾波器最后部分電路提供1.8 V 電壓。 </p><p>　　30 腳（AVDD_PRE）: 為預(yù)定標(biāo)器、Div 2

106、 和LO 緩沖器提供1.8 V 的電壓。 </p><p>　　31 腳（AVDD_RF1）: 為L(zhǎng)NA、前置偏置電路和PA 提供1.8 V 的電壓。 </p><p>　　33 腳（TXRX_SWITCH）: 為PA 提供調(diào)整電壓。 </p><p>　　35 腳（AVDD_SW）: 為L(zhǎng)NA/PA 交換電路提供1.8 V 電壓。 </p><

107、p>　　36 腳（AVDD_RF2）: 為接收和發(fā)射混頻器提供1.8 V 電壓。 </p><p>　　37 腳（AVDD_IF2）: 為低通濾波器和VGA 的最后部分電路提供1.8 V 電壓。 </p><p>　　38 腳（AVDD_ADC）: 為ADC 和DAC 的模擬電路部分提供1.8 V 電壓。 </p><p>　　39 腳（DVDD_ADC）:

108、為ADC 的數(shù)字電路部分提供1.8 V 電壓。 </p><p>　　40 腳（AVDD_DGUARD）: 為隔離數(shù)字噪聲電路連接電壓。 </p><p>　　41 腳（AVDD_DREG）: 向電壓調(diào)節(jié)器核心提供2.0～3.6 V 電壓。 </p><p>　　42 腳（DCOUPL）: 提供1.8 V 的去耦電壓，此電壓不為外電路所使用。 </p>

109、<p>　　47 腳（DVDD）: 為I/O 端口提供2.0～3.6 V 的電壓。 </p><p>　　3.控制線引腳功能。</p><p>　　10 腳（RESET_N）: 復(fù)位引腳，低電平有效。 </p><p>　　19 腳（XOSC_Q2）: 32 MHz 的晶振引腳2。 </p><p>　　21 腳（XOSC_Q1）

110、: 32 MHz 的晶振引腳1，或外部時(shí)鐘輸入引腳。 </p><p>　　22 腳（RBIAS1）: 為參考電流提供精確的偏置電阻。 </p><p>　　26 腳（RBIAS2）: 提供精確電阻，43 kΩ，±1%。 </p><p>　　32 腳（RF_P）: 在RX 期間向LNA 輸入正向射頻信號(hào)；在TX 期間接收來自PA 的輸入正向射頻信號(hào)。 &