【正文】 者完美結(jié)合，大大減輕了分布式編程的工作量，提高了系統(tǒng)的監(jiān)控效率，因此基于多Agent的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)將會(huì)在煤礦安全監(jiān)控領(lǐng)域大有作為。本章首先簡(jiǎn)單介紹了多MAS煤礦安全監(jiān)控仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)和實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)的一些關(guān)鍵技術(shù)，然后通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)了人機(jī)界面Agent、主控Agent、管理Agent、監(jiān)測(cè)Agent以及他們之間的交互，最后對(duì)整個(gè)仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，仿真系統(tǒng)的成功運(yùn)行，說(shuō)明本多Agent系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)在煤礦安全監(jiān)控中還是有一定的實(shí)用價(jià)值的。4系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)4 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)多Agent的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中主要的是管理移動(dòng)Agent和監(jiān)測(cè)移動(dòng)Agent，下面從硬件方面對(duì)管理Agent和監(jiān)測(cè)Agent進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)完整的多移動(dòng)Agent系統(tǒng)里，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)是由管理移動(dòng)Agent負(fù)責(zé)完成的，他是整個(gè)多移動(dòng)Agent系統(tǒng)的關(guān)鍵部分；同時(shí)在整個(gè)系統(tǒng)中扮演著承上啟下的角色，不僅與下一級(jí)監(jiān)測(cè)移動(dòng)Agent通信還負(fù)責(zé)同上級(jí)主控移動(dòng)Agent進(jìn)行交互，在整個(gè)系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的作用，因此多Agent系統(tǒng)能否正常穩(wěn)定的工作與管理Agent有密不可分的關(guān)系。由于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)需要不停的對(duì)煤礦井下環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此須要系統(tǒng)具有極高的穩(wěn)定性和可靠性，這是多Agent系統(tǒng)成功應(yīng)用于煤礦的關(guān)鍵所在。管理Agent的硬件主要由微處理器模塊、電源模塊、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊、以太網(wǎng)模塊和程序存儲(chǔ)模塊組成，每個(gè)模塊都執(zhí)行自己的職責(zé)，如圖25所示。微處理器模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，控制著整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，電源模塊負(fù)責(zé)為整個(gè)系統(tǒng)供電，程序程序模塊負(fù)責(zé)存儲(chǔ)采集的煤礦井下環(huán)境信息和命令代碼，由于煤礦井下環(huán)境負(fù)責(zé)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊為井下監(jiān)測(cè)Agent和管理Agent提供通信，實(shí)現(xiàn)二者的交互，以太網(wǎng)模塊是完成井下和井下實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)的是管理Agent和主控Agent的交互，這五種模塊相互協(xié)作，共同完成煤礦井下環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控。保障煤礦正常的安全生產(chǎn)。圖25管理Agent的硬件結(jié)構(gòu)圖Fig25. the hardware structure ofmanagement Agent1. MCUMCU是整個(gè)管理Agent的大腦器件，管理Agent的性能取決于MCU的選擇和使用，綜合考慮管理Agent的性能和功能，本文選擇RVR公司的ATmega128L單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的微處理器，完成信息的采集與處理和監(jiān)測(cè)Agent、主控Agent的通信。選擇ATmega128L微處理器主要是其有以下優(yōu)點(diǎn)。(1)基于RISC內(nèi)核的低功耗8位微處理器。(2)芯片集成有程序存儲(chǔ)器，不需要外擴(kuò)存儲(chǔ)單元[4950]。(3)處理信息的速度高，一般一條指令執(zhí)行時(shí)間有一個(gè)時(shí)鐘周期，當(dāng)系統(tǒng)工作頻率是16MHZ時(shí)，性能能夠達(dá)到16MPS。管理Agent的原理圖如下26所示。圖26 管理Agent的原理圖Fig26 Schematic diagram ofmanagement Agent無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在多Agent的系統(tǒng)的應(yīng)用，即減少了對(duì)煤礦井下現(xiàn)場(chǎng)布線的繁瑣性又增強(qiáng)了安裝的方便性。本文從安全性、穩(wěn)定性和價(jià)格方面等綜合考慮，以TI公司提供無(wú)線通信設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，我們提出改進(jìn)的設(shè)計(jì)方案，整個(gè)模塊中以CC2530為中心主芯片，CC2530加上射頻前端，再加上天線就構(gòu)成了完整的無(wú)線通信模塊[5152]，無(wú)線通信模塊的框架如下圖27所示。圖27 無(wú)線通信模塊框架圖Fig27 the framework of wireless munication moduleCC2530是TI公司的推出的一款執(zhí)行的是Zigbee協(xié)議片上芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖28所示，該芯片集成有射頻收發(fā)芯片、8051處理器內(nèi)核，8KB RAM，5通道DMA功能及IR發(fā)生電路，21個(gè)通用I/O端口，看門(mén)狗定時(shí)器等設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得CC2530不但具有強(qiáng)大的功能，而且具有開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。圖28 CC2530內(nèi)部射頻功能結(jié)構(gòu)圖Fig28 diagram of the internal structure of radio frequency function CC2530CC2530射頻收發(fā)部分是信息傳輸?shù)闹匾糠?，同吋具有發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的功能。CC2530外接簡(jiǎn)單的電路即可完成短距離的信息的收發(fā)。但是本文的應(yīng)用環(huán)境的煤礦井下，由于井下環(huán)境復(fù)雜，對(duì)于發(fā)射功率會(huì)有一定的要求，一般要求傳輸較遠(yuǎn)距離，因此增加一個(gè)射頻前端來(lái)提高發(fā)射功率。，它是負(fù)責(zé)無(wú)線通信電路中從CC2530端口到天線部分的射頻前端芯片。可以放大發(fā)送部分的功率并對(duì)接收部分的信號(hào)進(jìn)行處理。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖29所示。圖29CC2591內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig29 Schematic diagram of the internal structure of CC2591CC2530和CC2591連接電路簡(jiǎn)單，他們之間進(jìn)行簡(jiǎn)單的連接就可以改善CC2530發(fā)射功率，提高信號(hào)的傳輸距離和信息的靈敏度，CC2530和CC2591連接電路如下圖30所示。CC2530上的P025和26引腳分別和CC2591上的HGM、RFP和PFN三個(gè)引腳相連，他們之間的工作方式如下所示：CC2591要接收CC2530的信息時(shí)，EN引腳要處于高電平，起于為低電平，此時(shí)處于高增益狀態(tài)；當(dāng)HGM為高電平時(shí)也是接收信息，但是是低增益狀態(tài)；要使CC2591處于低功耗狀態(tài)時(shí)，就必須讓PANE和使能引腳EN都處于低電平狀態(tài)。圖30 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊原理圖Fig30 the principle diagram of wirelessnetworkmoduleATmega128L處理器通過(guò)SPI接口訪問(wèn)CC2530內(nèi)部寄存器和存儲(chǔ)器，如下圖31所示。SPI 接口由 CSn，SI，SO 和 SCLK 四個(gè)引腳組成。ATmega128L與CC2530通信時(shí)，ATmega128L控制SPI接口，然后SPI接口控制CC2530，SPI接口充當(dāng)?shù)氖嵌叩耐ㄐ艠蛄骸．?dāng)微處理器的時(shí)鐘信號(hào)和片選信號(hào)都是低電平時(shí)，可以控制CC2530的讀和寫(xiě)操作，但是都是在時(shí)鐘的下降沿時(shí)接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)。圖31 CC2530與ATmega128L的連接Fig31 CC2530 to ATmega128L interfaceConnection CC2530 with ATmegal128LATmega128L 訪問(wèn)CC2530的過(guò)程簡(jiǎn)述如下：ATmega128L向SI接收發(fā)送一個(gè)字節(jié)的地址信息，當(dāng)?shù)刂返淖罡呶粸?時(shí)，對(duì)RAM操作，當(dāng)代地址的最高位為0時(shí)，對(duì)寄存器操作，訪問(wèn)寄存器和RAM的地址信息是不同的，當(dāng)?shù)刂沸畔⒌淖罡呶粸?，第6位為1時(shí)，CC2530對(duì)ATmega128L指定的地址寄存器讀數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)刂沸畔⒌淖罡呶粸?，第6位為0時(shí)，CC2530對(duì)ATmega128L指定的地址寄存器寫(xiě)數(shù)據(jù)，讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)都是16位[5354]。管理Agent的以太網(wǎng)模塊可以進(jìn)行監(jiān)測(cè)Agent和主控Agent的相互聯(lián)系，并且在其監(jiān)控區(qū)域內(nèi)是唯一的連接途徑。以太網(wǎng)功能的可靠性對(duì)于命令下達(dá)及信息上傳具有極其重要的影響。另外，管理Agent雖然對(duì)硬件設(shè)備沒(méi)有苛刻的性能要求，但硬件資源穩(wěn)定性必須得到保障，管理Agent的以太網(wǎng)功能決定采用Realtek公司的RTL8019AS來(lái)實(shí)現(xiàn)[5556]。圖32 以太網(wǎng)接口電路Fig32 Ethernet interface circuit本文設(shè)計(jì)的意圖是實(shí)現(xiàn)煤礦井下復(fù)雜環(huán)境信息的不停監(jiān)控，這就要求必須24小時(shí)為系統(tǒng)供電，因此電源模塊的性能好壞是整個(gè)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。電源模塊的電路圖如下33所示。圖33 供電電源原理圖Fig33 The principle diagram of power supply本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)Agent的功能是信息采集與傳輸，即完成煤礦井下瓦斯信息、CO信息的采集、溫濕度信息和風(fēng)速信息的采集，同時(shí)將采集的瓦斯信息、CO信息的采集、溫濕度信息和風(fēng)速信息上傳給管理Agent融合處理，因此監(jiān)測(cè)Agent要實(shí)現(xiàn)井下多種信息的采集和與管理Agent交互必須具備瓦斯傳感器、CO傳感器、溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊，因此硬件設(shè)計(jì)上相對(duì)管理Agent，要相對(duì)復(fù)雜一點(diǎn)，其硬件結(jié)構(gòu)圖如下圖34所示。圖34 監(jiān)測(cè)Agent 結(jié)構(gòu)圖Fig33 the structure of MonitoringAgent由圖34知，監(jiān)測(cè)Agent由電源模塊、存儲(chǔ)器模塊、傳感器模塊、無(wú)線模塊和JTAG接口模塊組成，各種模塊的具體硬件設(shè)計(jì)如下所示。1傳感器模塊1)瓦斯傳感器催化燃燒式氣體傳感器檢測(cè)空氣中可燃?xì)怏w含量是利用其氧化燃燒特性。此類(lèi)傳感器對(duì)所有可燃?xì)怏w的響應(yīng)有廣譜性，當(dāng)空氣中可燃?xì)怏w濃度在爆炸濃度的下限之下時(shí)，其輸出信號(hào)是呈線性的（60%LEL以下線性度更好），且它只對(duì)可燃?xì)怏w有反應(yīng)，穩(wěn)定性強(qiáng)，不受外界環(huán)境的影響，尤其是水蒸氣，適用于惡劣的工作環(huán)境。由于它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，高性能，低成本的特點(diǎn)，所以成為國(guó)內(nèi)外各大型廠礦企業(yè)的首選產(chǎn)品。中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所生產(chǎn)研制的LXK3催化元件是一種廣譜性的氣敏元件，適用于井下瓦斯?jié)舛鹊臋z測(cè)和報(bào)警[57]。圖35 LXK3傳感器信號(hào)采集電路圖 circuit diagram of LXK3 sensor signal acquisition2)溫濕度傳感器溫濕度傳感器采用的是Sensirion 公司的SHT11，該芯片具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)當(dāng)井下溫度在零下40到120之間均可采集到信息， 0到百分100RH范圍內(nèi)都可以測(cè)到有效的濕度，(2)電路簡(jiǎn)單，芯片的DATA和SCK倆個(gè)引腳就能完成溫濕度信息的采集和上傳，DATA引腳完成通信協(xié)議的發(fā)送和接收，SCK引腳完成與微處理器的通信，電路圖如下36所示[58]。圖36 SHT11電路圖Fig36 The Circuit diagram of SHT113)CO傳感器CO氣體濃度采集采用MQ7半導(dǎo)體式CO傳感器。MQ7型CO傳感器的敏感層是由非常穩(wěn)定的二氧化錫制成的，穩(wěn)定性好，檢測(cè)的CO范圍是10～1 000ppm。在正常使用條件下，其使用壽命可達(dá)5年。MQ7型CO傳感器的高加熱電壓為(5177。)Ｖ，低加熱電壓為(177。)Ｖ。通過(guò)對(duì)傳感器的電壓進(jìn)行測(cè)量，運(yùn)算出CO濃度值，MQ7屬于半導(dǎo)體傳感器，在40～80℃環(huán)境內(nèi)無(wú)需進(jìn)行補(bǔ)償[59]。圖37 CO傳感器電路圖Fig37 CO sensor circuitdiagram4)風(fēng)速傳感器~15m/s， m/、高精度的SDP1108R型差壓芯片，其原理圖如下所示。利用電阻R1和R2對(duì)探頭輸出的電信號(hào)進(jìn)行取樣，將分壓后的電信號(hào)作為取樣輸出信號(hào)[60]。圖38 差壓信號(hào)采集電路Fig38 the differential pressuresignal acquisition circuit圖39和圖40是監(jiān)測(cè)Agent的主電路的PCB圖，完成的是對(duì)煤礦井下瓦斯傳感器、CO瓦斯傳感器、溫濕度瓦斯傳感器和風(fēng)速瓦斯傳感器的監(jiān)控，和對(duì)上級(jí)管理Agent的通信電路。圖41是監(jiān)測(cè)Agent的數(shù)據(jù)采集的PCB圖，完成的是對(duì)煤礦井下瓦斯、CO、溫濕度和風(fēng)速信息的采集與處理電路圖42是設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)Agent的實(shí)物圖。圖39 監(jiān)測(cè)Agent 主電路頂層 Fig39 the top of main circuit of Monitoring Agent圖40 監(jiān)測(cè)Agent 主電路底層 Fig40 the bottom of main circuit of Monitoring Agent圖41傳感器數(shù)據(jù)采集板Fig41 the sensor data acquisition boards圖42 Agent實(shí)物圖 Fig42. Agent physical map 本章小結(jié)本章主要對(duì)多Agent的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的最主要的管理Agent和監(jiān)測(cè)Agent硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，首先分析了管理Agent的框架圖，按照設(shè)計(jì)的框架圖，采用AVR公司的ATmega128L 處理器設(shè)計(jì)了管理Agent的主要電路圖，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊、對(duì)整個(gè)系統(tǒng)供電的電源模塊和主控Agent通信的以太網(wǎng)電路，由于監(jiān)測(cè)Agent主要是完成煤礦井下數(shù)據(jù)的采集，對(duì)于監(jiān)測(cè)Agent的硬件方面只設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集的電路圖。5系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)5 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)本章基于硬件電路進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，本章將通過(guò)對(duì)部分硬件功能通過(guò)編程加以實(shí)現(xiàn)，主要包括管理Agent的軟件設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)Agent的軟件設(shè)計(jì)倆部分.管理Agent的主流程圖如圖43所示，管理 Agent 接收監(jiān)測(cè) Agent發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)信息，所屬管理Agent對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，顯示，命令相應(yīng)執(zhí)行器采取報(bào)警或消防聯(lián)動(dòng)措施，同時(shí)將結(jié)果發(fā)送給主控Agent。圖43 管理Agent主程序流程圖Fig43. The main program flow chart of management Agent管理Agent的軟件設(shè)計(jì)只要是實(shí)現(xiàn)與上級(jí)主控Agent和下級(jí)監(jiān)測(cè)Agent的通信，前者要實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信，后者要實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信。Zigbee技術(shù)具有低功率、低功耗和低成本的特性，具有0到250Kb/s的低傳輸速率，煤礦的井下無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議也比較的適合Zigbee技術(shù)。由于Zigbee技術(shù)的實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜以及標(biāo)準(zhǔn)不一，而且也不完善。所以，本文結(jié)合以上因素開(kāi)發(fā)了一套兼具Zigbee技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)且且實(shí)運(yùn)行簡(jiǎn)單開(kāi)發(fā)時(shí)間短的協(xié)議。一般來(lái)說(shuō)，Zigbee協(xié)議分為四層，物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層。其他的倆層則根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用自行設(shè)計(jì)。由于不同地域所使用的頻段且成本不同，所以，本文采用傳輸速率250kb/，本頻段完全免費(fèi)，擁有的信道數(shù)目為16個(gè)。通信頻率fc 與信道數(shù)目k的關(guān)系為： ()管理Agent與監(jiān)測(cè)Agent采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信時(shí)，主要是進(jìn)行自組網(wǎng)，將與自己需要采集的煤礦井下環(huán)境信息的任務(wù)匹配