【正文】 者完美結合，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)將會在煤礦安全監(jiān)控領域大有作為。本章首先簡單介紹了多MAS煤礦安全監(jiān)控仿真系統(tǒng)的實現(xiàn)平臺和實現(xiàn)仿真系統(tǒng)的一些關鍵技術，然后通過編程實現(xiàn)了人機界面Agent、主控Agent、管理Agent、監(jiān)測Agent以及他們之間的交互，最后對整個仿真結果進行了分析，仿真系統(tǒng)的成功運行，說明本多Agent系統(tǒng)開發(fā)平臺在煤礦安全監(jiān)控中還是有一定的實用價值的。4系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)4 系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)多Agent的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中主要的是管理移動Agent和監(jiān)測移動Agent，下面從硬件方面對管理Agent和監(jiān)測Agent進行實現(xiàn)。在一個完整的多移動Agent系統(tǒng)里，無線網(wǎng)絡的組網(wǎng)是由管理移動Agent負責完成的，他是整個多移動Agent系統(tǒng)的關鍵部分；同時在整個系統(tǒng)中扮演著承上啟下的角色，不僅與下一級監(jiān)測移動Agent通信還負責同上級主控移動Agent進行交互，在整個系統(tǒng)中起著關鍵的作用，因此多Agent系統(tǒng)能否正常穩(wěn)定的工作與管理Agent有密不可分的關系。由于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)需要不停的對煤礦井下環(huán)境進行監(jiān)測，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)成功應用于煤礦的關鍵所在。管理Agent的硬件主要由微處理器模塊、電源模塊、無線網(wǎng)絡模塊、以太網(wǎng)模塊和程序存儲模塊組成，每個模塊都執(zhí)行自己的職責，如圖25所示。微處理器模塊是整個系統(tǒng)的核心，控制著整個系統(tǒng)的正常運行，電源模塊負責為整個系統(tǒng)供電，程序程序模塊負責存儲采集的煤礦井下環(huán)境信息和命令代碼，由于煤礦井下環(huán)境負責，無線網(wǎng)絡模塊為井下監(jiān)測Agent和管理Agent提供通信，實現(xiàn)二者的交互，以太網(wǎng)模塊是完成井下和井下實時交互，實現(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)境信息的實時監(jiān)控。保障煤礦正常的安全生產(chǎn)。圖25管理Agent的硬件結構圖Fig25. the hardware structure ofmanagement Agent1. MCUMCU是整個管理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單片機作為整個系統(tǒng)的微處理器，完成信息的采集與處理和監(jiān)測Agent、主控Agent的通信。選擇ATmega128L微處理器主要是其有以下優(yōu)點。(1)基于RISC內核的低功耗8位微處理器。(2)芯片集成有程序存儲器，不需要外擴存儲單元[4950]。(3)處理信息的速度高，一般一條指令執(zhí)行時間有一個時鐘周期，當系統(tǒng)工作頻率是16MHZ時，性能能夠達到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無線網(wǎng)絡在多Agent的系統(tǒng)的應用，即減少了對煤礦井下現(xiàn)場布線的繁瑣性又增強了安裝的方便性。本文從安全性、穩(wěn)定性和價格方面等綜合考慮，以TI公司提供無線通信設計為基礎，我們提出改進的設計方案，整個模塊中以CC2530為中心主芯片，CC2530加上射頻前端，再加上天線就構成了完整的無線通信模塊[5152]，無線通信模塊的框架如下圖27所示。圖27 無線通信模塊框架圖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，其內部結構如下圖28所示，該芯片集成有射頻收發(fā)芯片、8051處理器內核，8KB RAM，5通道DMA功能及IR發(fā)生電路，21個通用I/O端口，看門狗定時器等設計結構，使得CC2530不但具有強大的功能，而且具有開發(fā)簡單的特點。圖28 CC2530內部射頻功能結構圖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糠郑瑓季哂邪l(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的功能。CC2530外接簡單的電路即可完成短距離的信息的收發(fā)。但是本文的應用環(huán)境的煤礦井下，由于井下環(huán)境復雜，對于發(fā)射功率會有一定的要求，一般要求傳輸較遠距離，因此增加一個射頻前端來提高發(fā)射功率。，它是負責無線通信電路中從CC2530端口到天線部分的射頻前端芯片?？梢苑糯蟀l(fā)送部分的功率并對接收部分的信號進行處理。其內部結構如圖29所示。圖29CC2591內部結構示意圖Fig29 Schematic diagram of the internal structure of CC2591CC2530和CC2591連接電路簡單，他們之間進行簡單的連接就可以改善CC2530發(fā)射功率，提高信號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，EN引腳要處于高電平，起于為低電平，此時處于高增益狀態(tài)；當HGM為高電平時也是接收信息，但是是低增益狀態(tài)；要使CC2591處于低功耗狀態(tài)時，就必須讓PANE和使能引腳EN都處于低電平狀態(tài)。圖30 無線網(wǎng)絡模塊原理圖Fig30 the principle diagram of wirelessnetworkmoduleATmega128L處理器通過SPI接口訪問CC2530內部寄存器和存儲器，如下圖31所示。SPI 接口由 CSn，SI，SO 和 SCLK 四個引腳組成。ATmega128L與CC2530通信時，ATmega128L控制SPI接口，然后SPI接口控制CC2530，SPI接口充當?shù)氖嵌叩耐ㄐ艠蛄?。當微處理器的時鐘信號和片選信號都是低電平時，可以控制CC2530的讀和寫操作，但是都是在時鐘的下降沿時接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)。圖31 CC2530與ATmega128L的連接Fig31 CC2530 to ATmega128L interfaceConnection CC2530 with ATmegal128LATmega128L 訪問CC2530的過程簡述如下：ATmega128L向SI接收發(fā)送一個字節(jié)的地址信息，當?shù)刂返淖罡呶粸?時，對RAM操作，當代地址的最高位為0時，對寄存器操作，訪問寄存器和RAM的地址信息是不同的，當?shù)刂沸畔⒌淖罡呶粸?，第6位為1時，CC2530對ATmega128L指定的地址寄存器讀數(shù)據(jù)，當?shù)刂沸畔⒌淖罡呶粸?，第6位為0時，CC2530對ATmega128L指定的地址寄存器寫數(shù)據(jù)，讀寫的數(shù)據(jù)都是16位[5354]。管理Agent的以太網(wǎng)模塊可以進行監(jiān)測Agent和主控Agent的相互聯(lián)系，并且在其監(jiān)控區(qū)域內是唯一的連接途徑。以太網(wǎng)功能的可靠性對于命令下達及信息上傳具有極其重要的影響。另外，管理Agent雖然對硬件設備沒有苛刻的性能要求，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來實現(xiàn)[5556]。圖32 以太網(wǎng)接口電路Fig32 Ethernet interface circuit本文設計的意圖是實現(xiàn)煤礦井下復雜環(huán)境信息的不停監(jiān)控，這就要求必須24小時為系統(tǒng)供電，因此電源模塊的性能好壞是整個煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)正常運行的關鍵。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本文設計的監(jiān)測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、溫濕度信息和風速信息的采集，同時將采集的瓦斯信息、CO信息的采集、溫濕度信息和風速信息上傳給管理Agent融合處理，因此監(jiān)測Agent要實現(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、風速傳感器和無線網(wǎng)絡模塊，因此硬件設計上相對管理Agent，要相對復雜一點，其硬件結構圖如下圖34所示。圖34 監(jiān)測Agent 結構圖Fig33 the structure of MonitoringAgent由圖34知，監(jiān)測Agent由電源模塊、存儲器模塊、傳感器模塊、無線模塊和JTAG接口模塊組成，各種模塊的具體硬件設計如下所示。1傳感器模塊1)瓦斯傳感器催化燃燒式氣體傳感器檢測空氣中可燃氣體含量是利用其氧化燃燒特性。此類傳感器對所有可燃氣體的響應有廣譜性，當空氣中可燃氣體濃度在爆炸濃度的下限之下時，其輸出信號是呈線性的（60%LEL以下線性度更好），且它只對可燃氣體有反應，穩(wěn)定性強，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。由于它具有結構簡單，高性能，低成本的特點，所以成為國內外各大型廠礦企業(yè)的首選產(chǎn)品。中國船舶重工集團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測和報警[57]。圖35 LXK3傳感器信號采集電路圖 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：(1)當井下溫度在零下40到120之間均可采集到信息， 0到百分100RH范圍內都可以測到有效的濕度，(2)電路簡單，芯片的DATA和SCK倆個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，檢測的CO范圍是10～1 000ppm。在正常使用條件下，其使用壽命可達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。通過對傳感器的電壓進行測量，運算出CO濃度值，MQ7屬于半導體傳感器，在40～80℃環(huán)境內無需進行補償[59]。圖37 CO傳感器電路圖Fig37 CO sensor circuitdiagram4)風速傳感器~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對探頭輸出的電信號進行取樣，將分壓后的電信號作為取樣輸出信號[60]。圖38 差壓信號采集電路Fig38 the differential pressuresignal acquisition circuit圖39和圖40是監(jiān)測Agent的主電路的PCB圖，完成的是對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速瓦斯傳感器的監(jiān)控，和對上級管理Agent的通信電路。圖41是監(jiān)測Agent的數(shù)據(jù)采集的PCB圖，完成的是對煤礦井下瓦斯、CO、溫濕度和風速信息的采集與處理電路圖42是設計的監(jiān)測Agent的實物圖。圖39 監(jiān)測Agent 主電路頂層 Fig39 the top of main circuit of Monitoring Agent圖40 監(jiān)測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實物圖 Fig42. Agent physical map 本章小結本章主要對多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Agent硬件進行了設計，首先分析了管理Agent的框架圖，按照設計的框架圖，采用AVR公司的ATmega128L 處理器設計了管理Agent的主要電路圖，無線網(wǎng)絡模塊、對整個系統(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Agent主要是完成煤礦井下數(shù)據(jù)的采集，對于監(jiān)測Agent的硬件方面只設計了數(shù)據(jù)采集的電路圖。5系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)5 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)本章基于硬件電路進行軟件設計，本章將通過對部分硬件功能通過編程加以實現(xiàn)，主要包括管理Agent的軟件設計和監(jiān)測Agent的軟件設計倆部分.管理Agent的主流程圖如圖43所示，管理 Agent 接收監(jiān)測 Agent發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息，所屬管理Agent對數(shù)據(jù)進行融合處理，將處理后的數(shù)據(jù)進行存儲，顯示，命令相應執(zhí)行器采取報警或消防聯(lián)動措施，同時將結果發(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的軟件設計只要是實現(xiàn)與上級主控Agent和下級監(jiān)測Agent的通信，前者要實現(xiàn)以太網(wǎng)通信，后者要實現(xiàn)無線網(wǎng)絡通信。Zigbee技術具有低功率、低功耗和低成本的特性，具有0到250Kb/s的低傳輸速率，煤礦的井下無線傳感網(wǎng)絡的協(xié)議也比較的適合Zigbee技術。由于Zigbee技術的實現(xiàn)較復雜以及標準不一，而且也不完善。所以，本文結合以上因素開發(fā)了一套兼具Zigbee技術的優(yōu)點且且實運行簡單開發(fā)時間短的協(xié)議。一般來說，Zigbee協(xié)議分為四層，物理層、MAC層、網(wǎng)絡層以及應用層。其他的倆層則根據(jù)實際的應用自行設計。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，擁有的信道數(shù)目為16個。通信頻率fc 與信道數(shù)目k的關系為： ()管理Agent與監(jiān)測Agent采用無線網(wǎng)絡進行通信時，主要是進行自組網(wǎng)，將與自己需要采集的煤礦井下環(huán)境信息的任務匹配