【文章內(nèi)容簡介】 b/s，接近IEEE802l1b標(biāo)準(zhǔn)的11Mb/s，能滿足未來的家庭寬帶通信。HomeRF最早由Proxim公司開發(fā)，已經(jīng)被美國聯(lián)邦通訊委員會接納為標(biāo)準(zhǔn)。HomeRF的不足在于在功能上過于局限家庭應(yīng)用。 ZigBeeZigBee聯(lián)盟成立于2002年8月，由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司組成，如今已經(jīng)吸引了上百家芯片公司、無線設(shè)備公司和開發(fā)商的加入。ZigBee使用24GHz波段，采用跳頻技術(shù)，它具有下述特點：傳輸速率低：10kbps250kbps；功耗低：兩節(jié)普通5號干電池可使用半年到兩年；成本低：由于ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低、協(xié)議簡單，所以大大降低了成本；網(wǎng)絡(luò)容量大：每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個設(shè)備，也即每個ZigBee設(shè)備可與另外254臺設(shè)備相連接；有效范圍?。河行Ц采w范圍為10m－75m；工作頻段靈活：使用24GHz，868MHz(歐洲)及915MHZ(美國)免執(zhí)照頻段。 RFID（射頻識別）射頻識別技術(shù)(RFID，即Radio Frequency Identification)是從20世紀(jì)80年代起走向成熟的一項自動識別技術(shù)。它利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，實現(xiàn)人們對各類物體或設(shè)備(人員、物品)在不同狀態(tài)(移動或靜止)下的識別和數(shù)據(jù)交換。與同期或早期的接觸式識別技術(shù)不同的是RFID系統(tǒng)的射頻識別卡和讀卡器之間不用接觸就可完成識別。它具有以下特點：(1)操作方便，工作距離長，可以實現(xiàn)對移動目標(biāo)的識別；(2)無硬件接觸，避免了因機械接觸而產(chǎn)生的各種故障，使用壽命長；(3)射頻識別卡無外露金屬觸點，整個卡片完全密封，具有良好的防水、防塵、防污損、防磁、防靜電性能，適合在惡劣環(huán)境條件下工作；(4)對無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都經(jīng)過隨機序列的加密，并有完善、保密的通信協(xié)議?？▋?nèi)序列號是唯一的，制造商在卡出廠前已將此序號固化，安全性高；(5)卡內(nèi)具有防碰撞機制，可同時對多個移動目標(biāo)進(jìn)行識別；(6)信號的穿透能力強(可穿透墻壁、路面、衣物、人等)，數(shù)據(jù)傳輸量小，抗干擾能力強，感應(yīng)靈敏，易于維護(hù)和操作。 WIFIWIFI全稱Wireless Fidelity，它的最大優(yōu)點就是傳輸速度較高，可以達(dá)到54Mbps，另外它的有效距離也很長，同時也與已有的多種設(shè)備兼容。其優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下方面：(1)無線電波的覆蓋范圍廣，基于藍(lán)牙技術(shù)的電波覆蓋范圍非常小，半徑大約只有50英尺左右(約合15m)，而WIFI的半徑則可達(dá)100m。(2) WIFI手機的無線通信質(zhì)量非常好，就是在嘈雜的環(huán)境下，也能有很好的過濾功能。(3) WIFI技術(shù)傳輸速度非?？欤梢赃_(dá)到11Mbps，符合個人和社會信息化的需求。(4) WIFI手機通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在網(wǎng)絡(luò)上的工作效率更高。 無線MESH網(wǎng)絡(luò)(無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò))也稱為“多跳(multhop)”網(wǎng)絡(luò)，它是一種與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)完全不同的新型無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)(WLAN)中，每個客戶端均通過一條與AP相連的無線鏈路來訪問網(wǎng)絡(luò)，用戶如果要進(jìn)行相互通信的話，必須首先訪問一個固定的接入點(AP)，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被稱為單跳網(wǎng)絡(luò)。而在無線MESH網(wǎng)絡(luò)中，任何無線設(shè)備節(jié)點都可以同時作為AP和路由器，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都可以發(fā)送和接收信號，每個節(jié)點都可以與一個或者多個對等節(jié)點進(jìn)行直接通信。這種結(jié)構(gòu)的最大好處在于：(1)無論固定組網(wǎng)還是移動組網(wǎng)，都能夠迅速按需形成任意拓?fù)洌?2)拓?fù)湓庥龉?jié)點高速、高頻變換時，無線網(wǎng)狀網(wǎng)能夠自動調(diào)整拓?fù)洳⒕S持連接；(3)能夠采用靈活的多跳傳輸，可隨需擴展，非常適合有線不方便或成本很高的場合；基于無線MESH網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的以上優(yōu)點和煤礦井下環(huán)境惡劣、組網(wǎng)復(fù)雜等特殊條件，無線MESH網(wǎng)絡(luò)很適合在煤礦井下應(yīng)用。 幾種無線通信方案的比較表41 無線通信方案參數(shù)比較 Camparison of parameters of several munication program無線通信方式功耗速率距離頻率容量成本藍(lán)牙大中短ISM小高HomeRF中中中ISM小低ZigBee小低中ISM大中RFID中低中低、中、高大中WIFI小高遠(yuǎn)ISM大高 無線通信方案的確定經(jīng)過上述比較，得出以下結(jié)論：1 藍(lán)牙技術(shù)功耗大，通信距離短，協(xié)議復(fù)雜，不適合井下通信。2 HomeRF技術(shù)中等，但由于是針對家庭應(yīng)用設(shè)計，因此有局限性。3 WIFI技術(shù)先進(jìn)，通信距離遠(yuǎn)，傳輸速率高，但用在定位系統(tǒng)上有點“大材小用”，且成本較高。4 ZigBee技術(shù)也具有較多優(yōu)點，適合于組建無線通信網(wǎng)絡(luò)。但考慮到井下環(huán)境復(fù)雜，若采用無線組網(wǎng)的方式配置起來較為復(fù)雜，沒有采用有線通信方式可靠。因此也不予采用。5 RFID技術(shù)各項指標(biāo)較為中等，功耗較低，通信距離較遠(yuǎn)，技術(shù)成熟，已在多種領(lǐng)域有成功的應(yīng)用。采用RFID技術(shù)對井下人員攜帶的射頻標(biāo)簽進(jìn)行識別，再通過有線方式將基站信息傳送到地面，即可完成井下人員定位的任務(wù)。由于系統(tǒng)的工作頻率與通信距離有較大關(guān)系，考慮到低頻和高頻信號的傳輸特點，采用RFID中的UHF頻段，這也是目前遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)的工作頻段，關(guān)于發(fā)射功率問題要參考有關(guān)的無線管制規(guī)定和礦井的安全操作規(guī)程。 無線通信子系統(tǒng)的硬件設(shè)計無線通信子系統(tǒng)由兩部分組成：基站（BS）和移動站（MS）。根據(jù)功能劃分部分所述，基站（BS）部分需具有無線收發(fā)功能、串行數(shù)據(jù)傳輸功能和數(shù)據(jù)存儲、處理功能。移動站（MS）部分需具有無線收發(fā)功能、數(shù)據(jù)存儲和處理功能。 基站硬件電路設(shè)計考慮到基站的功能要求將基站的硬件電路分為五個功能模塊，如圖41所示，這五個模塊是：通信模塊、時鐘模塊、無線收發(fā)模塊、主控單元和電源模塊。這些的模塊的功能如下：通信模塊：負(fù)責(zé)基站（BS）與地面的通信，完成現(xiàn)場總線與主控單元的接口功能；時鐘模塊：負(fù)責(zé)提供日期與時間數(shù)據(jù)，方便記錄井下的監(jiān)測數(shù)據(jù)，當(dāng)基站向地面?zhèn)魉投ㄎ粩?shù)據(jù)時同時傳送定位時間信息；無線收發(fā)模塊：完成基站與射頻卡的無線通信，包括無線通信協(xié)議和數(shù)據(jù)的防碰撞算法部分；主控單元：控制無線收發(fā)模塊、通信模塊和時鐘模塊的工作，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲和處理；電源模塊：從井下的供電線路中獲取電源，并變換整定出穩(wěn)定可靠的直流電壓，為基站提供不同等級的電壓，滿足供電要求。由于通信模塊與井下和地面所采取的通信方式有關(guān)，將其設(shè)計內(nèi)容放在第三個子系統(tǒng)的設(shè)計中來考慮。下面分別設(shè)計基站的其他四個模塊，為了合理的選用器件，按照無線收發(fā)模塊、主控單元、時鐘模塊、電源模塊的順序依次進(jìn)行設(shè)計。圖41 基站原理框圖（1）無線收發(fā)模塊無線收發(fā)模塊的設(shè)計大體有兩種方案：一是利用分立器件搭建無線收發(fā)電路，另一種是直接選用具有無線收發(fā)功能的集成芯片。從設(shè)計的方便性和可靠性來考慮，應(yīng)選用集成度較高的單片射頻收發(fā)芯片。這是因為一方面可以避免用分立元件搭建無線收發(fā)電路，提高系統(tǒng)工作的可靠性；另一方面由于單片射頻收發(fā)芯片可以獨立完成無線收發(fā)任務(wù)，也可以減輕傳輸控制電路的負(fù)擔(dān)。目前有多種功能不同的單片射頻收發(fā)芯片，下面介紹其中典型的幾種。1） XE1202XE1202是將無線發(fā)射與接收功能集成在單一芯片上的射頻收發(fā)芯片，芯片內(nèi)集成了射頻發(fā)射、射頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制等電路，具有高速率、超低功耗等功能?？梢怨ぷ髟?33MHz、870MHz和915MHz ISM頻段。XE1202采用連續(xù)相位的兩級頻移鍵控（CPFSK）方式。XE1202的接收部分集成有低噪聲放大器（LNA）和下變頻器，采用直接變頻方式，具有濾波通道和接受用的解調(diào)器，微控制器接口可以直接對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并可以產(chǎn)生同步數(shù)據(jù)時鐘（CLKD）。XE1202的發(fā)射部分可以提供一個完整的通道，完成從數(shù)據(jù)到天線的傳送，該部分帶有一個可以對頻偏進(jìn)行編程的直接上變頻器，并可以對RF輸出功率進(jìn)行控制。芯片具有3線總線接口，可以通過3線總線以及外部引腳來設(shè)置傳輸狀態(tài)，僅需要極少的外部元件（天線匹配網(wǎng)絡(luò)、振蕩電路、SAW振蕩器）即可完成接收和發(fā)射的雙重功能。發(fā)射功率也可以通過總線來控制。2） nRF2401nRF2401是單片射頻收發(fā)芯片，～ ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。芯片能耗非常低，以5dBm的功率發(fā)射時，接收時工作電流只有18mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設(shè)計更方便。其DuoCeiverTM技術(shù)使nRF2401可以使用同一天線，同時接收兩個不同頻道的數(shù)據(jù)。nRF2401適用于多種無線通信的場合，如無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、無線鼠標(biāo)、遙控開鎖、遙控玩具等。nRF2401有工作模式有四種：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)機模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP 、CE、TX_EN和CS三個引腳決定。nRF2401的收發(fā)模式有ShockBurstTM收發(fā)模式和直接收發(fā)模式兩種，收發(fā)模式由器件配置字決定。nRF2401的所有配置工作都是通過CS、CLK1和DATA三個引腳完成，把其配置為ShockBurstTM收發(fā)模式需要15字節(jié)的配置字，而如把其配置為直接收發(fā)模式只需要2字節(jié)的配置字。由上文對nRF2401工作模式的介紹，我們可以知道，nRF2401一般工作于ShockBurstTM收發(fā)模式，這樣，系統(tǒng)的程序編制會更加簡單，并且穩(wěn)定性也會更高。3）nRF9E5nRF9E5是真正的系統(tǒng)級無線射頻收發(fā)芯片，內(nèi)嵌高性能8051MCU，4通道12位ADC。內(nèi)置nRF905收發(fā)器，包括所有nRF905芯片的特性，可以工作在Shockburst模式下（自動處理前綴，地址和CRC），最大程度抑制了噪聲。芯片的最大輸出功率為+10dBm。只需極少的外圍元件就能組建一個完整的射頻收發(fā)電路。芯片還具有載波檢測功能，能有效的減少數(shù)據(jù)的碰撞。應(yīng)用領(lǐng)域：無線數(shù)據(jù)通訊、報警和安全系統(tǒng)、自動測試系統(tǒng)、家庭自動化控制、遙控裝置、監(jiān)測、車輛安全系統(tǒng)、工業(yè)控制、無線通信、電信終端等。4）CC1010CC1010是基于Chipcon39。s Smart RF 技術(shù)的單片可編程UHF收發(fā)器芯片，電路工作在315/433/868/915MHz ISM頻段（300MHz1000MHz）。在典型的應(yīng)用中，僅需少數(shù)的幾個外接元件。靈敏度為109dBm，可編程輸出功率為20dBm~10dBm，F(xiàn)SK調(diào)制，~。芯片內(nèi)嵌與8051兼容的微控制器（MCU）、32KB Flash、2048+128 Bytes SRAM、3通道10bitADC、4個定時器、2個脈沖寬度調(diào)制（PWM）輸出、2個通用異步串行收發(fā)（UART）接口、實時時鐘（RTC）、看門狗（WatchDog）、串行外設(shè)接口（SPI）、DES編碼，26個通用I/O口。適合與計算機遙測遙控、安放、家庭自動化、汽車儀表數(shù)據(jù)讀取等無線數(shù)據(jù)發(fā)射/接收系統(tǒng)中使用。上面介紹的幾種射頻收發(fā)芯片都能通過簡單的外圍電路來完成無線收發(fā)功能。其中前兩種射頻收發(fā)芯片內(nèi)部沒有集成微控制器（MCU），需要增加微控制器（MCU）來對數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收進(jìn)行控制，而且內(nèi)部硬件資源較少，但價格相對較低，適用于簡單、低成本的無線通信電路；后面兩種內(nèi)部集成有與8051兼容的微控制器（MCU），并具有多種硬件資源，功能強大，但同時價格也高。由于井下環(huán)境惡劣，通信條件較差，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃孕枰褂每煽康耐ㄐ艆f(xié)議和數(shù)據(jù)差錯控制算法，另外還要考慮到RFID通信過程中的數(shù)據(jù)防碰撞問題，而這些都需要微處理器（MCU）來完成。如果選用內(nèi)部沒有集成MCU的射頻芯片，那么這些工作都要由基站的主控MCU來完成，這會增加主控MCU的負(fù)擔(dān)，由于主控MCU還要完成其他的控制任務(wù)，為了保證系統(tǒng)的可靠工作還需要增加一片MCU專門來完成無線收發(fā)的控制任務(wù)，這樣就增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時也增加了系統(tǒng)成本。因此考慮采用內(nèi)部集成有MCU的射頻芯片。nRF9E5和CC1010都是內(nèi)部集成有兼容8051MCU的單片射頻收發(fā)芯片，都具有豐富的硬件資源，可以完成復(fù)雜的通信任務(wù)?？紤]到CC1010雖然硬件資源較為豐富，但價格較高，因此采用nRF9E5。下面具體介紹一下這款芯片。nRF9E5是挪威Nordic VLSI公司于2004年2月推出的系統(tǒng)級RF芯片。該芯片采用+3VDC供電，面積為5mm5mm，共有32個外部引腳。nRF9E5嵌入了nRF905 433/868/915MHz無線收發(fā)芯片、集成增強型MCS 8051微控制器和4個通道的10位A/D轉(zhuǎn)換器，采樣速率為80kbps，、電源管理、PWM輸出、UART異步串口、SPI通訊接口、邏輯接口電路、看門狗電路、多通道可編程喚醒，以及CRC檢驗和多點通信控制，高頻電感和濾波器等已經(jīng)全部內(nèi)置，芯片的一致性能好、穩(wěn)定且不易受干擾。采用GFSK調(diào)制，抗擾能力強，支持多點通訊。具有特有的ShockBurst信號發(fā)射模式和發(fā)射信號載波監(jiān)測功能，可有效降低功耗電流、避免數(shù)據(jù)沖突。nRF9E5沒有復(fù)雜的通訊協(xié)議，完全對用戶透明，同種產(chǎn)品之間可以自由通訊，內(nèi)置的CRC糾錯硬件電路和協(xié)議免去了軟件開發(fā)人員的軟件糾錯編程和微控制器的糾錯運算，降低了無線應(yīng)用的開發(fā)難度。外圍電路連接極為簡單，只需要一個晶體管和一個電阻，nRF9E5輸出端ANTANT2外接50單天線終端裝置，信號有效發(fā)射距離無遮擋時可達(dá)800m以上，樓道內(nèi)收發(fā)也可達(dá)到250m左右，對障礙物具有一定的穿透能力，且其最大發(fā)射功率僅為10DBm(10毫瓦)，收發(fā)狀態(tài)切換時間小于650ms。由于nRF905功耗低，工作可靠，因此很適用于井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計。nRF9E5的外部電路非常簡潔，除了天線輸入輸出匹配濾波網(wǎng)絡(luò)、電壓偏置控制電阻和時鐘振蕩晶振外，基本不需要其它元件。但由于nRF9E5中沒有提供程序存儲空間Flash，所以每次上電復(fù)位后它都需要通過其SPI接口從外部程序存儲空間中導(dǎo)入4K的程序存放在內(nèi)部4K的RAM中，為了適應(yīng)nRF9E5這一特點，我們選用Microchip公司帶SPI接口