【正文】 100個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)。4）時(shí)延?。横槍ρ訒r(shí)敏感的控制做了優(yōu)化，通訊延時(shí)和休眠激活的延時(shí)都非常短。設(shè)備搜索延時(shí)典型值為30ms，休眠激活時(shí)延典型值為15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入延時(shí)為15ms。5）兼容性：與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無縫集成。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Coordinator)自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)，采用CSMACA方式進(jìn)行信道存取。為了可靠傳遞，提供全面的握手協(xié)議。6）安全性：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AES128，同時(shí)各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。7）實(shí)現(xiàn)成本低：模塊的硬件成本較低。典型的產(chǎn)品和應(yīng)用為：2004年Honeywell推出的基于ZigBee協(xié)議的無線變送器XYR 5000系列；OMRON的無線鏈接Device Net現(xiàn)場總線主機(jī)WD30ME和從機(jī)WD30SE；德國schild knecht公司推出的無線ProfibusDP產(chǎn)品DE 3000系列；ABB在瑞典的Boliden加工廠利用Ember協(xié)議的無線技術(shù)進(jìn)行的無線通信評估試驗(yàn)。（2）無線局域網(wǎng)WLAN(Wireless LAN)自從1977年第一個(gè)民用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)ARCnet投入運(yùn)營以來，無線局域網(wǎng)以其廣泛的適用性和價(jià)格較低等方面的優(yōu)勢，獲得了成功并得到了快速的發(fā)展。然而，在天津大學(xué)碩士學(xué)位論文《基于無線通訊技術(shù)的管網(wǎng)疊壓裝置集散監(jiān)控系統(tǒng)》的研究現(xiàn)場，一些工業(yè)環(huán)境限制了使用電纜進(jìn)行通訊，有線局域網(wǎng)絡(luò)很難發(fā)揮作用，因此無線局域網(wǎng)技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用。隨著近年來微電子技術(shù)的不斷革新和發(fā)展，無線局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將在工業(yè)控制的網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮不可替代的作用。在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域，有成千上萬的測量元件、感應(yīng)器，檢測器，計(jì)算機(jī)，PLC，讀卡器等設(shè)備，需要相互連接在一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)上，通常這些設(shè)備提供的都是RS232或RS485通訊協(xié)議的借接口。無線局域網(wǎng)設(shè)備使用隔離型信號轉(zhuǎn)換器，將工業(yè)設(shè)備的RS232串口通訊信號與無線局域網(wǎng)及以太網(wǎng)絡(luò)信號之間進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，符合無線局域網(wǎng)IEEE ，支持標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，高效的解決了工業(yè)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)通訊問題。，也可以在普通局域網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過無線Hub、無線接入站、無線網(wǎng)橋、無線Modem及無線網(wǎng)卡等來實(shí)現(xiàn)，在這些方法中，工業(yè)現(xiàn)場以無線網(wǎng)卡使用最為普遍。有線固定網(wǎng)絡(luò)與無線局域網(wǎng)相比之下，無線局域網(wǎng)組建自動(dòng)化工業(yè)網(wǎng)絡(luò)更有優(yōu)勢：：支持RS232工業(yè)設(shè)備一對一的連接。：多個(gè)RS232工業(yè)設(shè)備可組成對等的網(wǎng)絡(luò)，互相通訊。(RS232通訊協(xié)議無法支持多對一通訊)?？蛻魴C(jī)/服務(wù)器的拓?fù)洌總€(gè)RS232工業(yè)設(shè)備都可以簡單、快捷的接入無線網(wǎng)絡(luò)中，極大程度的提高了信息分析處理能力。，省去了施工造成的成本：無線局域網(wǎng)利用無線電波傳輸信號，解決了于難于布線的環(huán)境中搭建數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)性難題。：在工業(yè)控制現(xiàn)場，鋪設(shè)的線纜及其容易受到外界的接觸導(dǎo)致破損，無線網(wǎng)絡(luò)則保證了網(wǎng)絡(luò)的安全性與穩(wěn)定性。：無線局域網(wǎng)在開放空間覆蓋半徑可達(dá)達(dá)550米，室內(nèi)一般覆蓋半徑為300400米，通過室外無線設(shè)備傳輸距離可以達(dá)到幾十公里，可是同樣存在著缺點(diǎn)，那就是無限信號的穿墻能力弱。無線局域網(wǎng)現(xiàn)主要應(yīng)用在遠(yuǎn)程視頻傳輸、安防管理系統(tǒng)、生產(chǎn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化、醫(yī)療/實(shí)驗(yàn)儀器聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化、工業(yè)/流程聯(lián)網(wǎng)控管等領(lǐng)域。（3）藍(lán)牙無線技術(shù)(Bluetooth)藍(lán)牙無線通訊技術(shù)是由東芝、愛立信、IBM、Intel和諾基亞于1998年，共同提出的近距離無線數(shù)字通訊的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。從提出該技術(shù)至今，藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展極其迅速。藍(lán)牙作為一種新生的，短距離無線通訊技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，受到全世界范圍內(nèi)的越來越多的工業(yè)生產(chǎn)廠家與研究機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)關(guān)注。近幾年來，世界上一些權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)化組織，也都在考慮藍(lán)牙技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)是否有缺陷。例如，IEEE的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)，專門關(guān)注有關(guān)藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的兼容性問題和未來的發(fā)展方向等問題。IEEE TG2是探討藍(lán)牙如何與IEEE 802．11b無線局域網(wǎng)技術(shù)共存的問題；而IEEE TG3則是研究未來藍(lán)牙技術(shù)，向著更高速(如1020Mbits/s)傳輸發(fā)展的問題。國內(nèi)的一些生產(chǎn)廠家與研究部門也準(zhǔn)備開始組織藍(lán)牙技術(shù)產(chǎn)品的研發(fā)。藍(lán)牙是取代數(shù)據(jù)電纜的短距離無線通訊技術(shù)，可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)、語音、圖像等傳輸，傳輸速率可達(dá)到10Mb/s，使得在其范圍內(nèi)的各種信息化設(shè)備都能實(shí)現(xiàn)無縫資源共享。藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用極其廣泛且富有潛力。它可以應(yīng)用于無線設(shè)備、圖像處理設(shè)備、安全設(shè)備、娛樂設(shè)備、汽車產(chǎn)品設(shè)備、家用電器、醫(yī)療健身、建筑、玩具等領(lǐng)域。（4）GPRS技術(shù)GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無線通訊業(yè)務(wù)）是一個(gè)疊加在GSM上專為高速數(shù)據(jù)通訊而設(shè)計(jì)的新型網(wǎng)絡(luò)，屬于分組交換數(shù)據(jù)的承載和傳輸?shù)囊环N方式，是GSM向3G移動(dòng)通訊發(fā)展的必經(jīng)階段。它充分利用了現(xiàn)有的移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，通過在GSM網(wǎng)絡(luò)上增加一些硬件設(shè)備和軟件算法上的升級形成的一個(gè)新型的網(wǎng)絡(luò)邏輯實(shí)體，手機(jī)通話繼續(xù)使用GSM，而數(shù)據(jù)傳輸則使用GPRS。它采用分組交換方式傳輸數(shù)據(jù)，理論上最高數(shù)據(jù)速率可達(dá)170Kbps，客戶可以在移動(dòng)狀態(tài)通話的同時(shí)使用各種高速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。通俗的說，GPRS是一項(xiàng)高速數(shù)據(jù)處理的科技，它是以分組交換技術(shù)作為技術(shù)基礎(chǔ)，將移動(dòng)用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間建立起來聯(lián)系，用戶通過GPRS可以在移動(dòng)狀態(tài)下使用各種高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS目前支持TCP/、GPRS空中接口加密、GPRS附加業(yè)務(wù)、增強(qiáng)型短信業(yè)務(wù)、GPRS分組數(shù)據(jù)計(jì)費(fèi)等等，其中最顯著的是TCP/，可以通過TCP/、WWW瀏覽、專用數(shù)據(jù)、LAN接入等業(yè)務(wù)。GPRS采用分組交換技術(shù)，在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載和支持上具有顯著的優(yōu)勢，每個(gè)用戶可同時(shí)占用多個(gè)無線傳輸通道，同一無線傳輸通道又可支持由多個(gè)用戶互相共享，能將無線網(wǎng)絡(luò)上的信息資源利用的更加充分，特別適合突發(fā)性、頻繁的小流量數(shù)據(jù)傳輸；支持的數(shù)據(jù)傳輸速率更高，理論最快速度可達(dá)170Kbps；按數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)的計(jì)算方式更加靈活；GPRS還支持在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)進(jìn)行語音通話。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)應(yīng)用的實(shí)際情況采用Zigbee無線通訊技術(shù)，并以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)架空人車系統(tǒng)的監(jiān)控、控制、語音通訊等功能。2 架空人車通訊監(jiān)控系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能的設(shè)計(jì)礦山井下架空人車通訊監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是地面控制室人員對架空車廂進(jìn)行實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，架空車廂內(nèi)的人員可以在意外事故發(fā)生時(shí)按下緊急按鈕，及時(shí)的通知地面控制室采取有效的安全措施，阻止事故的發(fā)生。由于架空人車在工作中不停的移動(dòng)，傳統(tǒng)的有線傳輸無法在架空人車上進(jìn)行安裝，因此本設(shè)計(jì)采用無線通訊模塊作為架空人車和地面控制室人員進(jìn)行信息交換和語音傳輸?shù)膫鬏敼ぞ?。但是井下和地面間的距離太遠(yuǎn)，而且線路不是直線，單純的只用無線模塊無法將數(shù)據(jù)完好的傳輸至地面的控制臺(tái)，由于這種現(xiàn)實(shí)情況的限制，我們在井下和地面間設(shè)立了中繼站，中繼站通過無線模塊和架空人車通訊，再通過CAN總線將數(shù)據(jù)傳輸至控制臺(tái)，進(jìn)而間接地實(shí)現(xiàn)了架空人車和控制臺(tái)的通訊。綜上所述，可將整個(gè)系統(tǒng)主要分為三個(gè)部分：架空人車的轎廂通訊機(jī)（以下簡稱轎廂機(jī)），中繼站和控制臺(tái)（地面的總控制室）。轎廂機(jī)安裝在架空人車的轎廂內(nèi)，控制臺(tái)安裝在地面的控制室內(nèi)，控制室的人員通過控制臺(tái)監(jiān)控轎廂的運(yùn)行狀況并與轎廂內(nèi)的人員通訊。中繼站安裝在轎廂運(yùn)行的巷道內(nèi)，將轎廂機(jī)的數(shù)據(jù)通過無線接收到中繼站，再將接收到的數(shù)據(jù)通過CAN總線傳輸?shù)娇刂婆_(tái)。在地面控制室安裝控制臺(tái)，地面人員通過控制臺(tái)和轎廂內(nèi)人員進(jìn)行語音通訊，并監(jiān)控各個(gè)轎廂運(yùn)行狀況。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體框圖如圖21所示。圖21 系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體框圖 All system block diagram車廂與上控制臺(tái)通過中繼站收發(fā)無線信號進(jìn)行語音通信，轎廂中的工人可以隨時(shí)向地面控制室報(bào)告車廂的運(yùn)行狀態(tài)并請求相關(guān)指令，控制臺(tái)也可以隨時(shí)詢問各個(gè)車廂的運(yùn)行狀態(tài)以便做出相應(yīng)的調(diào)整。如果地面控制臺(tái)距離較遠(yuǎn)，可以在礦井和控制臺(tái)間增加中繼站以確語音保通訊的質(zhì)量和轎廂的信息指令準(zhǔn)確。系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成以后，控制臺(tái)可以一對一選擇不同的車廂進(jìn)行通訊，也可以以廣播的方式對各車廂播報(bào)一些信息，每個(gè)車廂中工人也可主動(dòng)要求與控制室進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)雙向通訊。系統(tǒng)的各部分功能及實(shí)現(xiàn)方案如圖22所示。圖22 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖 System function structure chart 轎廂機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)轎廂機(jī)是本系統(tǒng)被監(jiān)控的主要部分，是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心。在這部分中主要分為無線通訊模塊，語音編解碼模塊，電源模塊以及主控制器。另外，為了提供更好的人機(jī)交互界面和方便的可操作性，轎廂內(nèi)部還設(shè)有有按鍵部分。圖23為轎廂機(jī)系統(tǒng)的組成。圖23 轎廂機(jī)系統(tǒng)組成 Subsystems of cable car 中繼站系統(tǒng)設(shè)計(jì)中繼站作為控制臺(tái)和轎廂機(jī)間的紐帶，用于傳輸控制臺(tái)和轎廂機(jī)的數(shù)據(jù)，主要工作方式是通過無線模塊接收轎廂機(jī)的信號并讀出其中的數(shù)據(jù)，然后再經(jīng)CAN總線將接收的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制臺(tái)。其主要由電源模塊，無線通訊模塊，CAN總線接口以及主控制器組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖24所示。圖24 中繼站系統(tǒng)組成 Node machine subsystems 控制臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制臺(tái)主要完成與轎廂機(jī)系統(tǒng)的通訊，確保監(jiān)控功能與語音通訊的實(shí)現(xiàn)。在控制臺(tái)的工作人員可以通過按鍵來設(shè)置通訊方式，選擇是以廣播方式發(fā)布消息，還是一對一的方式和某一個(gè)車廂進(jìn)行通話這時(shí)需要通過按鍵來選擇通訊的對象，同時(shí)在顯示屏上可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前控制器所處的工作模式和通話轎廂的編號，如圖25所示為控制臺(tái)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，其中包括語音通訊與處理模塊，鍵盤控制模塊，主控制器模塊、顯示模塊以及CAN總線接口。圖25 控制臺(tái)系統(tǒng)組成 Control room system ponents上述為系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，下面主要對轎廂機(jī)，中繼站和控制臺(tái)三部分進(jìn)行介紹。3 轎廂機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 轎廂機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)轎廂機(jī)系統(tǒng)安裝在架空的乘人轎廂中，車內(nèi)的人員通過轎廂機(jī)系統(tǒng)與井上控制臺(tái)人員通訊。轎廂作為被監(jiān)控的對象，是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要組成部分。工作人員在乘轎廂下井的過程中，需要隨時(shí)和地面上的控制臺(tái)保持聯(lián)系，為了確保轎廂正常運(yùn)行和工作人員的人身安全。如圖31所示，在轎廂機(jī)系統(tǒng)中，裝有主控芯片，無線通訊模塊，語音編解碼模塊等。工人可以隨時(shí)向控制臺(tái)發(fā)出通話請求建立通訊，同時(shí)也可以在沒有通話時(shí)接收控制臺(tái)的廣播信息，方便執(zhí)行任務(wù)。圖31 轎廂機(jī)系統(tǒng)Fig. 31 cable car system ponents 轎廂機(jī)的硬件設(shè)計(jì) 轎廂機(jī)主控制器電路主控制器是整個(gè)設(shè)計(jì)的控制核心，無線通訊和語音的編解碼都由單片機(jī)的控制來完成?？紤]到整個(gè)系統(tǒng)對單片機(jī)的運(yùn)算速度和資源的要求，本設(shè)計(jì)中采用的主控制器芯片是MK60DN512ZVLQ10（簡稱 K60）。MK60DN512ZVLQ10單片機(jī)是Freescale半導(dǎo)體公司自主設(shè)計(jì)并制造的32位高性能通用嵌入式微處理器。MK60DN512ZVLQ10是CortexM4系列的ARM，內(nèi)部的數(shù)據(jù)是32位的，寄存器是32位的，存儲(chǔ)器接口也是32位的。MK60DN512ZVLQ10采用哈佛結(jié)構(gòu)，擁有獨(dú)立的指令總線和數(shù)據(jù)總線，可以讓取指與數(shù)據(jù)訪問并行進(jìn)行，大大提高運(yùn)算速度。K60芯片使用多組電源引腳分別為內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器、I/O引腳驅(qū)動(dòng)、A/D轉(zhuǎn)換電路等電路供電，內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器位內(nèi)核和振蕩器等供電。K60控制器技術(shù)成熟，可靠性強(qiáng)，抗干擾與電磁兼容性非常強(qiáng)，內(nèi)部資源非常多，接口模塊包括SPI、SCI、I2C、UART、CAN、A/D、PWM、Flash等等。主頻晶振為50MHz，可以通過鎖相環(huán)電路，將單片機(jī)的工作頻率倍頻到200MHz，且穩(wěn)定工作，大大提升單片機(jī)的運(yùn)算速度。它不僅在汽車電子、工業(yè)控制、中高檔機(jī)電產(chǎn)品等應(yīng)用領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用，而且在Flash存儲(chǔ)控制及加密方面也有很強(qiáng)的功能，片內(nèi)具有512kb的Flash模塊，可以存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，無需外加EEPROM芯片。主控芯片電路圖如圖32所示。圖32 主控芯片MK60DN512ZVLQ10 Master chip MK60DN512ZVLQ10雖然MK60DN512ZVLQ10將CPU、ROM、RAM以及IO統(tǒng)統(tǒng)集成在一個(gè)集成電路芯片中，但仍然需要一些匹配的外部電路。主控制器模塊外圍電路如圖33所示。包括電源供電指示燈電路，晶振時(shí)鐘電路，復(fù)位電路以及JTAG程序下載電路。JTAG程序下載端口結(jié)合機(jī)載軟件IAR可實(shí)現(xiàn)程序的單步或同步調(diào)試功能，可以在線仿真同步看變量動(dòng)態(tài)數(shù)值等人性化的功能。復(fù)位電路的作用是當(dāng)系統(tǒng)處于不穩(wěn)定工作時(shí)或跑飛時(shí)，可按下復(fù)位鍵使程序從頭重新運(yùn)行。晶振時(shí)鐘電路主要給主控芯片提供工作時(shí)鐘，它決定著系統(tǒng)工作速率的快慢，輸出端分別接K60的EXTAL和XTAL引腳，MK60DN512ZVLQ10有內(nèi)置的RTC時(shí)鐘芯片，來實(shí)現(xiàn)時(shí)間計(jì)時(shí)功能，功耗低，計(jì)時(shí)準(zhǔn)，可以當(dāng)萬年歷使用。電源指示LED燈用來顯示是否正常供電，LED燈亮表示K60正常供電，開始工作，LED燈功耗小，是穩(wěn)定的冷光源，不易故障，穩(wěn)定時(shí)間可達(dá)10年之久。 圖33 K60外圍電路 K60 peripheral circuits 轎廂機(jī)無線通訊模塊設(shè)計(jì)無線模塊作為轎廂機(jī)和中繼站間的通訊工具，其通訊質(zhì)量的好壞直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的通訊質(zhì)量。本設(shè)計(jì)無線通訊模塊采用nRF24L01+模塊。nRF24L01++是單片射頻收發(fā)芯片，～ ISM頻段，芯片內(nèi)置了頻率合成器部分、功率放大器部分、晶體振蕩器部分和調(diào)制器部分等功能模塊，輸出功率和通訊通道可通過程序進(jìn)行配置。芯片能耗非常低，以5dBm的功率發(fā)射時(shí)，接收時(shí)工作電流只有18mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。其DuoCeiverTM技術(shù)使nRF24L01++可以使用同一天線，同時(shí)接收兩個(gè)不同通道的數(shù)據(jù)。nRF24L01++適用于多種無線通訊的場合，例如無線數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、遙控開鎖等。圖34 無線通訊模塊電路 Wireless munication module circuit無線通訊模塊nRF24L01+主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：◆寬電壓工作范圍，~◆工作溫度范圍，40℃～+80℃◆工作頻率范圍，～◆數(shù)