【正文】 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 26 附錄 附錄 A 外文文獻(xiàn) A Coal Mine Environmental Monitor System with Localization STATUS As an important energy, coal plays a pivotal role in the economic development. Coal mine monitoring system, is the important guarantee for coal mine safety and high efficiency production. In order to ensure the safe operation, the installation of environment monitoring node in tunnels to realtime detection is very important. However, monly used traditional monitoring node wired connection to obtain munication with the control system, this node exist wiring difficulties, expensive and other shortings. In contrast, wireless sensor node can be easily with current mine monitoring work connection, and good patibility, facilitate constituted mine gas monitoring work, to suit various size of mine applications. Since wireless nodes are battery powered, so
。 最后我特別要將誠摯的謝意獻(xiàn)給我的家人，感謝他們多年來對我的關(guān)愛、理解和支持。本篇論文是在楊老師的悉心指導(dǎo)下完成的 ， 遇上的各種問題在他的指導(dǎo)下 也 都很好的解決了，他以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)態(tài)度、廣博的專業(yè)知識、獨(dú)到的見解給予我精心的指導(dǎo)和幫助，并時刻督促我完成這次畢業(yè)設(shè)計，所以我要 再次 衷心感謝我的指導(dǎo)老師楊明老師，在此向老師表示深深的謝意 ! 我還要感謝我的同學(xué)在四年的大學(xué)學(xué)習(xí)期間，不僅在學(xué)習(xí)上給予了我無私的幫助，在生活上也給我留下了美好的回憶 。通過該設(shè)計，使得自己在學(xué)業(yè)上受益匪淺，它不僅要求我靈活應(yīng)用以前所學(xué)的知識，也要求自己在工作中不斷學(xué)習(xí)和接受新知識，極大的鍛煉了自己獨(dú)立研發(fā)的能力，為今后的工作開創(chuàng)了新的前景。經(jīng)過反復(fù)的測試，我們研制的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信平臺已經(jīng)可以穩(wěn)定的運(yùn)行，并且有較好的可靠性和擴(kuò)展性。經(jīng)過市場調(diào)研，發(fā)現(xiàn) Zigbee 無線通信技術(shù)在在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中占有廣泛的市場，具有低功耗、數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡(luò)容量 大、兼容性強(qiáng)、安全性高、成本低等特點(diǎn)。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 23 總結(jié) Zigbee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于 Zigbee 協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，是 Zigbee 協(xié)議與傳感技術(shù)的結(jié)合，是應(yīng)用性非常強(qiáng)的技術(shù)，它具有耗資小、安裝方便、維護(hù)和更新費(fèi)用低等優(yōu)勢，非常適合于對布線困難、人員不能到達(dá)的區(qū)域和一些臨時場合的狀況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，如大型建筑的健康狀態(tài)監(jiān)控、空間探索、災(zāi)害預(yù)測等，它在當(dāng)前我國環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中有著巨大的應(yīng)用潛力的。 另外，本系統(tǒng)還有許多可改進(jìn)的地方，比如說功耗方面，可以在電源管理程序和無線發(fā)射程序方面改進(jìn)，以達(dá)到更節(jié)省能源的效果；本系統(tǒng)中使用的是串口將信息發(fā)送到管理中心，以后還可以通過無線發(fā)送到手機(jī)客戶端，以便人們無論在何處都能實(shí)時了解到環(huán)境的變化。所得到的系統(tǒng)易用、可擴(kuò)展，基本達(dá)到了設(shè)計要求。其中 Zigbee短程無線網(wǎng)技術(shù)以其數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、組網(wǎng)簡易靈活、設(shè)備成本低、電池壽命長等優(yōu)勢，在工業(yè)控制領(lǐng)域中展現(xiàn)了深厚的發(fā)展?jié)摿?[2]。調(diào)試接口如圖 61 所示。設(shè)置各個波特率，查看通訊是否正常。測試結(jié)果：程序運(yùn)行無錯誤，無死機(jī)現(xiàn)象。測試結(jié)果：無線模塊接收正常。測試結(jié)果：采樣正常，數(shù)據(jù)可靠。經(jīng)測試系統(tǒng)各接口運(yùn)行正常 [13]。 (2)硬件安全性：檢查各類接口，保證電路不出現(xiàn)短路等問題。 (1)穩(wěn)定性測試：長時間運(yùn)行系統(tǒng)檢查電源電壓，液晶顯示 ，傳感器，無線模塊等。其主程序流程圖 如 52 所示。 因?yàn)?MQ2 型煙霧傳感器在不通電存放一段時間后，再次通電時，傳感器需要一段時間預(yù)熱。 圖 51 Zigbee 無線通訊協(xié)議程序流程 N 有待處理事件？ 有節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)？ 初始化硬件 初始化軟件配置 建立網(wǎng)絡(luò) 給節(jié)點(diǎn)分配地址 處理事件 Y Y N 開始 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 20 溫濕度傳感器程序 溫濕度傳感器的詳細(xì)測量方法已在 已經(jīng)介紹了，在這里給出溫濕度傳感器采集信號的程序見附錄。 (4)與無線模塊通訊：單片機(jī)將要發(fā)送的數(shù)據(jù)以特定的波特率通過串口送到無線模塊發(fā)送 [12]。每個不同類型的傳感器構(gòu)成一個單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)，液晶顯示當(dāng)前環(huán)境下溫度 (℃ )、濕度 (％ RH)和煙霧強(qiáng)弱。 表 41 液晶屏的各引腳說明表 管腳號 管腳名稱 電平 管腳功能描述 1 GND 0V 電源地 2 VCC +5V 電源正 3 V0 對比度 (亮度 )調(diào)整 4 D/I H/L D/I =“H”,表示 DB7DB0 為顯示數(shù)據(jù) D/I =“L”,表示 DB7DB0 為顯示指令數(shù)據(jù) 5 R/W H/L R/W=“H”,E=“H”,數(shù)據(jù)被讀到 DB7DB0 R/W=“L”,E=“H/L”, DB7DB0 的數(shù)據(jù)被寫 6 E H/L 使能信號 714 D0D7 H/L 三態(tài)數(shù)據(jù)線 15 PSB H/L H： 8 位或 4 位并口方式， L：串口方式 16 NC 空腳 17 RET H/L 復(fù)位端， 低電平有效 18 NC LCD 驅(qū)動電壓輸出端 19 LED1 VDD 背光源正端 (+5V) 20 LED2 VSS 背光源負(fù)端 圖 410 液晶顯示接線圖 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 19 第 5 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 Zigbee 無線通訊協(xié)議 終端節(jié)點(diǎn)的軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能： (1)數(shù)據(jù)采集功能：采集各個傳感器的輸出信號并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析存儲。液晶屏的各引腳說明如下表 41 所示。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 18 LCD 液晶顯示模塊 帶中文字庫的 128*64 是一種具有 4 位 /8 位并行、 2 或 3 線串行多 種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864， 可以顯示 84 行 16x16 點(diǎn)陣的漢字 ， 也可完成圖形顯示 ， 低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。雖然點(diǎn)對點(diǎn)之間的通信只有 1075m的范圍。無線設(shè)備還包括一個 數(shù)據(jù)包過濾 和地址識別模塊 。 RF 內(nèi)核控制模擬 無線模塊 ， 強(qiáng)大地址識別和數(shù)據(jù)包處理引擎， 能夠很好的匹配 RF 前端，封裝更小，支持 Zigbee 2021/PRO 和 Zigbee RF4CE。當(dāng)檢測到煙霧控制器輸出報警，蜂鳴器報警電路如圖 46 所示。為更好利用傳感器的性能，需要調(diào)節(jié)可調(diào)電阻 Rp 恰當(dāng)?shù)?RL 值。這種傳感器具有輕微的極性， VC 需用直流電源。其中 VH 用于為傳感器提供特定的工作溫度。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 17 轉(zhuǎn)換 為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號 [11]。 MQ2 氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫 (SnO2)。連接方便，數(shù)字溫濕度傳感器電路圖 44 如下所示 。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個 NTC 測溫元件，并與一個高性能 8 位單片機(jī)相連接 [11]。 家居環(huán)境參數(shù)采集模塊 數(shù)字溫濕度傳感器 DHT11 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。 CC2530最小系統(tǒng)的設(shè)計包括的外 圍模塊有：復(fù)位電路，振蕩電路 [10]。 CC2530 具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。 CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的 RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型 8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存， 8KB RAM 和許多其它強(qiáng)大的功能。 5V電源 CC2530 LCD 128*64 上位機(jī) 溫度傳感器 DHT11 煙霧傳感器 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 15 圖 42 5V 電源電路 圖 Zigbee 芯片 CC2530 CC2530 是用于 IEEE 、 Zigbee 和 RF4CE 應(yīng)用的一個真正的 片上系統(tǒng) (SoC)解決方案。在設(shè)計過程中，不僅要考慮電壓和電流大小等基本參數(shù)而且要考慮電源使用效率、降低噪聲、復(fù)雜程度和干擾等方面優(yōu)化 [6]。電源模塊相當(dāng)于房屋的基石，所以高性能的電源管理模塊對于整個控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行實(shí)至關(guān)重要的。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 41 所示。微處理器和無線通信模塊采用支持 Zigbee 協(xié)議，大大簡化了射頻電路的設(shè)計。 (1)傳感器信號的采集和處理； (2)無線數(shù)據(jù)的發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)； (3)液晶顯示和鍵盤輸入； (4)通訊功能。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 14 第 4 章 家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計 在 Zigbee 傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的終端和路由器雙重功能，在采集、接 收、處理及發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)的同時，還要對其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、管理和融合等處理，并與其他節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成一些特定任務(wù)。 (4)可擴(kuò)展：能根據(jù)用戶的不同需求，隨時增加或減少節(jié)點(diǎn)設(shè)置 [5]。如：未發(fā)生一氧化碳泄露即報警等。 (1)低功耗：由于是無線傳感網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)很多，故只能由電池供電，故要求低功耗以延長使用，減少電池更換次數(shù)。 系統(tǒng)設(shè)計要求 本系統(tǒng)是在家庭環(huán)境中實(shí)現(xiàn)各種功能，根據(jù)此特點(diǎn)，可以總結(jié)出以下幾種要求。故對一氧化碳?xì)怏w濃度監(jiān)測也 是必不可少的一部分。而在本系統(tǒng)中，通過濕度傳感器對濕度信息的采集，再經(jīng)由 PC 的處理后，對加濕器進(jìn)行控制，即可達(dá)到科學(xué)明了地控制室內(nèi)的濕度。 (2)濕度 人類對濕度雖然不是特別敏感，但其時時刻刻亦影響著人們的健康，尤其是老年與兒童。溫度傳感器可以在用戶設(shè)定的頻率下采集區(qū)域的溫度信息，并將其發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，再由協(xié)調(diào)器將處理結(jié)果數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到 PC，此時， PC 可按之前用戶設(shè)置好的參數(shù)和程序?qū)照{(diào)系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)溫度的控制，當(dāng)然這些是后續(xù)控制，不在本文討論范圍內(nèi)。下面對各種參數(shù)進(jìn)行如下介紹。在本設(shè)計的實(shí)踐環(huán)節(jié)，本人只象征性的做了一個傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)演示。當(dāng)然在實(shí)踐過程中可以根據(jù)家庭居住環(huán)境的大小和所需監(jiān)測的內(nèi)容，來增加或減少傳感器節(jié)點(diǎn)，而只需做小許改動即可 [4]。本文設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 31 所示。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 本論文是基于 Zigbee 技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，故根據(jù) Zigbee 技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和特點(diǎn)設(shè)計了由多傳感器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和 PC 組成的該系統(tǒng)。 Zigbee 設(shè)備對象的主要功能如下： (1)初始化網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用支持子層和安全服務(wù)層； 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 10 (2)發(fā)起或響應(yīng)綁定請求； (3)在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部發(fā)現(xiàn)設(shè)備，并且確定為此發(fā)現(xiàn)的設(shè)備提供的應(yīng)用服務(wù)種類； (4)定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的各種角色，如，終端設(shè)備、路由器或協(xié)調(diào)器； (5)從終端的應(yīng)用來收集各個配置信息來確定和