【文章內(nèi)容簡介】 L C D _D 2L C D _D 3L C D _D 4L C D _D 5L C D _D 6L C D _D 7L C D _EL C D _R SL C D _R W1KR5S1D S 2D S 1510R6510R712Y1K E Y _1K E Y _2K E Y _3K E Y _4O U T _1O U T _2O U T _3DQR X DT X D 圖 33 最小系統(tǒng)圖 瓦斯 傳感器：本部分的主要作用是用傳感器檢測 并采集 模擬環(huán)境中的 瓦斯 信 號，再把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，使 用 A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成單片機能夠進行數(shù)據(jù)處理的數(shù)字電壓信號， 以上過程都在瓦斯傳感器內(nèi)部完成 。 圖 34 傳感器 節(jié) 點硬件結(jié)構(gòu)示意圖 串口通信：串口通信的主要功能是完成單片機與 傳感器以及與蜂鳴器之間 的通信，便于進行 瓦斯超標報警系統(tǒng)設 計 ， 為將來系統(tǒng)功能的擴展做好基礎工作。 本設計采用 RS232 串行接口來完成單片機與 PC 機的數(shù)據(jù)傳輸。在 RS232C標準中，收發(fā)信號中的“ 0”為＋ 3V～＋ 15V，“ 1”為－ 3V～－ 15V，但單片機采用的是正邏輯的 TTL 電平，所以需要通過 專用芯片 MAX232C 實現(xiàn) EIA 電平與 TTL 電平轉(zhuǎn)換。 1234567891110J1C 1+1VDD2C 13C 2+4C 25V E E6T 2O U T7R 2I N8R 2O U T9T 2I N10T 1I N11R 1O U T12R 1I N13T 1O U T14GND15V C C16U1M A X 23 2C P E1uFC61uFC11uFC21uFC4V C C1uFC5R X DT X D 圖 35 串口通信硬件連接圖 傳感器 傳感器 模塊 單片機 處理器 模塊 無線通 信模塊 射頻 芯片 能量供應模塊 11 無線 模塊單元 ： 主要實現(xiàn)信號的接收和發(fā)送功能， 在發(fā)送端對信號進行編碼，接收端對信號實現(xiàn)解調(diào) 。 不同于傳統(tǒng)的接收與發(fā)送模式的是不僅僅局限于有線的傳輸，無線傳輸能夠滲透到各個角落，使得信號的傳輸更加有效， 全天候不間斷的對井下瓦斯?jié)舛冗M行監(jiān)測 ， 同時采用報警系統(tǒng)，一旦瓦斯超標，系統(tǒng)立即提醒正在井下作業(yè)的工人緊急撤離，避免人員傷亡。 電源系統(tǒng)單元：本單元的主要功能是為單片機提供適當?shù)墓ぷ麟娫?，同時也為其他模塊提供電源，在本設計當中，電源系統(tǒng)輸出 +5 V 的電源。 瓦斯傳感器 設計 瓦斯傳感器的原理： 瓦斯傳感器是為了在地下采礦區(qū)檢測瓦斯氣體的濃度而設計的，其主要工作原理是利用介于電橋橋臂之間的熱催化元件 (黑白元件 )在瓦斯氣體的作用下發(fā)生無煙燃燒，引起元件溫度升高，阻值增大，使原來平衡的電橋失衡，導致橋路輸出電壓變化，該電壓與瓦斯氣體濃度成正比，通過測量此電壓可以達到測量瓦斯氣體濃度的目的。 該 單元 以單片機 AT89C52 為核心，包含甲烷濃度采樣器、把 220V 的交流電轉(zhuǎn)換成 5V 的直流電源、紅外遙控系統(tǒng)、 存儲器的擴展、 LCD 顯示器和報警裝置等組成。該傳感器可以有效的監(jiān)測井下低濃及高濃瓦斯，試用范圍非常廣泛。監(jiān)測到的信息傳輸?shù)絾纹瑱C，經(jīng)單片機處理后發(fā)出指令，如果瓦斯超過規(guī)定值，該系統(tǒng)可以立即發(fā)出聲光報警并自動發(fā)出執(zhí)行指令以降低瓦斯?jié)舛取? 單 片 機存 儲 器數(shù) 據(jù) 顯 示紅 外 遙 控信 號 輸 出電 壓 比 較 器瓦 斯 檢 測 電 路脈 寬 控 制 電 路鋸 齒 波 發(fā) 生 器信 號 適 配 通 道穩(wěn) 幅 電 路聲 光 報 警圖 36 原理框圖 瓦斯傳感器采用的是中船重工第七一八研究所研制的 MJC4/ 載體催化元件。 MJC 系列載體催化元件是用于對空氣里可燃氣體進行檢測的，可以對瓦 斯（天然氣）、煤氣、液化石油氣等多種可燃氣體進行檢測，屬于 廣譜氣敏元件。該傳感器可以對 1100%LEL 濃度的氣體進行檢測，適用于煤礦 04%濃度的環(huán)境監(jiān)測。該傳感器可以布置于固定節(jié)點，也適用于移動節(jié)點。 表 31 MJC4/ 技術參數(shù) 工作電壓（ V） 177。 工作電流（ mA） 110177。 10 靈敏度（ mV） 1%甲烷 20~40 1%丁烷 30~50 1%氫氣 25~45 線形度（ %） ≤ 5 測量范圍（ %LEL） 0~100 響應時間（ 90%） 小于 10 秒 恢復時間（ 90%） 小于 30 秒 使用環(huán)境 40~+70℃低于 95%RH 儲存環(huán)境 20~+70 ℃低于95%RH 外形尺寸（ mm） MJC4/: 14 19 MJC4/ 載體催化元件是由一個檢測元件（黑元件）與一個補償元件（白元件） 組成。 圖 37 載體催化元件電路 13 該電路是一個惠斯通電橋，在空氣中沒有可燃氣體的時候，可以通過可變電阻 R0 進行調(diào)零，將輸出電壓調(diào)為零。當該電路檢測到空氣中有可燃氣體的時候，檢測元件 D 上就會有無氧燃燒，產(chǎn)生的熱量改變檢測元件的電阻，使得電橋的輸出電壓與可燃氣體的濃度成正比。 瓦斯傳感器模塊的電路如圖 38 所示 . 圖 38 瓦斯傳感器電路圖 輸出的檢測電壓分別與 CC2430 的 P0_0 及 P0_1 引腳連接，作為差分電壓輸入。 MJC4/ 的工作條件是：工作電壓為直流 177。 ，環(huán)境溫度 0℃ ~40℃，溫度不高于 95%RH（ 25℃），氣壓 80~116kPa。適合于井下工作。 無線傳輸模塊的設計 ZigBee 是一種短距離、低速率、低功耗、低成本和低復雜度的雙向無線通信技術，它工作于無需注冊的 2． 4GHz國際免費頻段 ISM(Industrial ientificMedical Band)． ZigBee 的傳輸速率為 10kbps~250kbps，傳輸距離為 10~100m，具有電池壽命長、應用簡單、可靠性高及組網(wǎng)能力強等特點．主要適用于無線傳感器網(wǎng)、自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能 。 ZigBee 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的硬件設計框圖如圖 39 所示．為了實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的硬件基礎架構(gòu)，將硬件設計分為四部分：無線收發(fā)電路、電源電路、 JTAG 電路和串口轉(zhuǎn)換電路．在這里，設計了串口轉(zhuǎn)換電路，可以實現(xiàn) RS232 串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換．因此，可以實現(xiàn)無線模塊與 PC 機之間的串口數(shù)據(jù)通信．無線收發(fā)電路是本次硬件設計的核心，而 JTAG 電路主要實現(xiàn)對 CC2430 的編程和測試． 圖 39 硬件工作原理圖 本次設計的無線通信模塊采用射頻芯片 CL39。2430．該款芯片以強大的集成開發(fā)環(huán)境為支持，內(nèi)部線路的交互式調(diào)試遵從 IDE 的 IAR 環(huán)境．它是 Chipcon 公司推出的用來實現(xiàn)嵌入式 ZigBee 應用的片上系統(tǒng)，它支持 2． 4GHz IEEE 802． 15． 4 協(xié)議，結(jié)合一個高性能 2． 4GHz DsSS(直接序列擴頻 )射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的 8051 控制器． CL2430 芯片在單個芯片上整合了ZigBee 射頻 (RF)前端、內(nèi)存和微控制 器．它使用 1 個 8 位 MCU(8051)，具有 32／ 64／ 128KB 可編程閃存和 8KB 的 RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (～ )C)、幾個定時器 (Timer)、 AESl28 協(xié)同處理器、看門狗定時器 (Watchdog Timer)、 32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路 (Power On Reset)、掉電檢測電路 (Brown Out Detection)以及 21 個可編程 I／ O 引腳 。 本次設計的無線收發(fā)模塊電路包括 CC2430 芯片及其相關外圍電路，該芯片只需要配合少數(shù)的外圍元器件就能實現(xiàn)信號的收發(fā)功能．為了實現(xiàn) 節(jié)點模塊與計算機的通信，設計了 RS232 電平轉(zhuǎn)換電路，這里采用了電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX232 15 來實現(xiàn)串口連接．同時，選用了 AH805 升壓穩(wěn)壓器，這樣就可以將于電池提供的 3V 電壓變壓至 5V，滿足 MAX232 電路的供電．而 3V 電壓為 CC2430 模塊和JTAG 模塊提供穩(wěn)定電壓．此外，這里還設計了一個復位電路，通過復位開關可以進行手動復位，復位電路與 CC2430 的引腳 10 連接，且低電平有效 。 在設置串口收發(fā)時，設置為串口 0 位置 1，也就是設置串口 I)0． P0． P0． P0． 5 分別用做 RXD、 TXD、 CTS、 RTs， I)0． P0． 5 做接收輸入端，P0． P0． 4 為發(fā)送輸出端．整個 CQ430 模塊與計算機的串行信過程如下：計算機將 RS 一 232 串口數(shù)據(jù)通 據(jù)轉(zhuǎn)換成 1yrL 數(shù)據(jù)，再通過 R10UT 和 I 也 OUT傳送到 CC2430；同時， CC2430 通過 I)0． 3 和 I)0． 4 將數(shù)據(jù)傳送給 MAX232，由 MAX232 將 1vrL 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 RS 一 232 數(shù)據(jù)，再通過 T10UT 和 T20UT 將數(shù)據(jù)傳送給計算機． ZigBee 協(xié)議層機構(gòu)比較簡單，嚴格講 ZigBee 協(xié)議只包含應用層、網(wǎng)絡層及各層的安全機制。物理層、 MAc 層屬于 。但 ZigBee 聯(lián)盟定義協(xié)議時采用了 規(guī)范作其底層。物理層提供了兩種類型的服務 :即通過物理層管理實體接口 (PLME)對物理層數(shù)據(jù)和物理層管理提供服務。物理層數(shù)據(jù)服務可以通過無線物理信道發(fā)送和接收物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元 (PPDU)來實現(xiàn)。物理層的特征是啟動和關閉無線收發(fā)器，能量檢測，鏈路質(zhì)量，信道選擇，清除信道評估 (CCA)，以及通過物理媒體對數(shù)據(jù)包進行發(fā)送和接收。通信距離范圍通常為lcm，可擴大到約 300mI。 ， 4 定義了兩個物理層標準，分別是 物理層 和 868/915MHz物理層。它們都基于 DSSS(DireetSequeneeSpreadSpeetrum，直接序列擴頻 )，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術、擴頻碼片長度和傳輸速率。 915/868MHz 頻段是基于差分編碼的二進制相移鍵控(BPSK)。其中， 868MHz 是歐洲的 ISM 頻段，只有 1 個信道，傳輸速率為 20kb/s。915MHz 是美國的 ISM 頻段，共有 10 個信道，傳輸速率為 40kb/s。首先將數(shù)據(jù)按每 4 位信息比特組成一個符號數(shù)據(jù)，根據(jù)該符號數(shù)據(jù)，從 16 個幾乎正交的偽隨機序列 (PN 序列 )中，選取其中一個序列作為傳送序列，然后根據(jù)所發(fā)送連續(xù)的數(shù)據(jù)信息，將所選出的 PN 序列串接起來，并使用 OQPSK 的調(diào)制方法，將這些集合在一起的序列調(diào)制到載波上。在 頻段總共有 16 個不同的信道為全球統(tǒng)一的無需申請的 ISM 頻段，可提供 250kb/s 的傳輸速率。有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時延和更短的工作周期從而更加省電。 MAC 層也提供了 兩種類型的服務，即 MAC 層管理服務和數(shù)據(jù)服務。 MAC 層的具體特征是 ： 信標管理，信道接入，時隙管理，發(fā)送確認幀，發(fā)送連接及斷開連接請求。除此之外， MAC 層為應 用合適的安全機制提供了一些方法。 網(wǎng)絡層主要用于 ZigBee 的 WPAN 網(wǎng)的組網(wǎng)連接、數(shù)據(jù)管理以及網(wǎng)絡安全等 。應用層主要為 ZigBee 技術的實際應用提供一些應用框架模型等，以便對 ZigBee技術進行開發(fā)和應用。圖 310 所示為 ZigBee 協(xié)議的組成，簡單描述了所述四層之間的關系。 圖 310 ZigBee 協(xié)議組成 協(xié)議規(guī)定，每一個 ZigBee 網(wǎng)絡都有一個 16 位網(wǎng)絡 ID，用于標示這個網(wǎng)絡。此外每個網(wǎng)絡節(jié)點都有一個在本網(wǎng)絡中唯一的 16 位網(wǎng)絡地址，網(wǎng)絡節(jié)點之間通過網(wǎng)絡 ID 和各自的網(wǎng)絡地址通信。 ZigBee 技 術中有兩種類型的物理設備 ： 全功能設備 (FullFuionalDeviee，F(xiàn)FD)和精簡功能設備 (RedueedFuionDeviee， RFD)。 1)全功能設備 FFD 可以擔任網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者，形成網(wǎng)絡，讓其它的 FFD 或是精簡功能 RFD 連接，F(xiàn)FD 具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。附帶由標準指定的全部 IEEE802.巧 .4 功能和所有特征，更多的存儲器、計算能力可使其在空閑時起網(wǎng)絡路由器作用。同時也能用作終端設備。運行一個 FFD 需要約 30KB 系統(tǒng)資源。 2)精簡功能設備 RFD RFD 只能傳送信息 給 FFD 或從 FFD 接收信息。通過附帶有限的功能來控制 17 成本和復雜性，在網(wǎng)絡中通常用作終端設備。 RFD 省掉了內(nèi)存和一些電路，較低級的處理器和小協(xié)議棧有效地降低了 RFD 的成本，同時也降低了能量的消耗。運行一個 RFD 僅需要 4KB 左右的系統(tǒng)資源。因此，相比于 FFD 設備， RFD 設備占用更少的系統(tǒng)資源，更有利于系統(tǒng)成本的降低。 無線傳輸模塊設計包括發(fā)送與接收兩部分，本系統(tǒng)為了提高無線傳