【正文】 ........................................... 23 上位機軟件設(shè)計 ......................................................................................................... 24 ...................................................................................................................................... 27 系統(tǒng)測試步驟 ...................................................................................................................... 27 系統(tǒng)測試結(jié)果 ...................................................................................................................... 27 系統(tǒng)測試結(jié)果分析 ............................................................................................................... 28 ................................................................................................................................... 29 工作總結(jié) ............................................................................................................................. 29 前景展望 ............................................................................................................................. 29 參考文獻 ......................................................................................................................................... 31 翻譯部分 ......................................................................................................................................... 32 中文譯文 .................................................................................................................................. 32 原文 ......................................................................................................................................... 37 致 謝 ............................................................................................................................................. 42 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 1 頁 論 課題的研究背景及意義 煤炭自燃產(chǎn)生的有害氣體不僅嚴重危害井下人員的健康 ,而且容易誘發(fā)瓦斯、煤塵爆炸事故，并造成嚴重的資源浪費，因此研制煤礦采空區(qū)火源點感知網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)的迫切需要，對于制定采空區(qū)防滅火措施 ,實現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展具有重大的現(xiàn)實意義。 由于簡化協(xié)議，對于控制器的要求已經(jīng)很低，以 8051 的 8位控制器測算，每塊芯片僅 需要 2 美元，而且 ZigBee 協(xié)議免專利費，免執(zhí)照頻段，進一步降低了產(chǎn)品成本。 因此，研究 基于 CC2530 的溫度監(jiān) 測系統(tǒng)是非常有意義的。 國內(nèi)外 在這一領(lǐng)域內(nèi)進行了大量的研究工作。它們各具特點，適應(yīng)不同的開采條件，也存在著各自的不足之處。主要包括采空區(qū)氣體成分分析法 和測氡法。具統(tǒng)計我國目前獲 得安標的都是該類產(chǎn)品。其基本原理是放射性元素存在衰變現(xiàn)象，在衰變過程中產(chǎn)生氡氣，而在實際的地層測量中。 電磁法。磁性探測法，利用煤層上覆巖中常含有大量菱鐵礦及黃鐵礦結(jié)核，發(fā)生自燃時，上覆巖受高溫烘烤，鐵質(zhì)成分發(fā)生變化而形成磁性物質(zhì)，且磁性隨自燃溫度的升高而增強的原理，實現(xiàn)對采空區(qū)發(fā)火點的檢測。 溫度探測法。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)溫度監(jiān)測技術(shù)是近年來逐步發(fā)展起來的監(jiān)測煤自然發(fā)火的檢測方法。 他們的研究表明，煤自燃溫度場無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測法能及時預(yù)測溫度場的微弱變化 ,比 CO 的預(yù)報更早 ,對于煤炭自然發(fā)火早期預(yù)警預(yù)報有十分重要的意義 ，已經(jīng)被業(yè)界認可。山東省科學(xué)院，提出了利用光纖拉曼散射效應(yīng)（ Raman scattering）和光時域反 射測量技術(shù)（ Optical TimeDomain Reflectometry，簡稱 OTDR）來獲取空間溫度分布信息。 綜上所述，束管監(jiān)測系統(tǒng)屬于對自然發(fā)火的間接測量，發(fā)火點定位困難，且束管監(jiān)測系統(tǒng)的管線較長 ,投入大 ,維護困難 ,且經(jīng)常發(fā)生管路漏氣或堵塞現(xiàn)象。測氡法，該方法與實用還有很大距離，首先是地質(zhì)因素的影響，并不是所有礦都具有可供測量的氡 氣存在；另一方面就是氡氣濃度與火源溫度之間的關(guān)系并不是單調(diào)增減，而是在某一基軸線上的減幅波動，從而影響火源 定位準確性。 論文的主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排 本論文主要研究“基于 CC2530 的溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計”，包括節(jié)點的硬件設(shè)計 、 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建 、 對溫度監(jiān)測功能的實現(xiàn)分析。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 3 頁 協(xié)議簡介 ZigBee 協(xié)議體系結(jié)構(gòu) ZigBee協(xié)議基于 ，由 ZigBee聯(lián)盟共同制定。每一層都完成其各自特定的任務(wù)并且向上一層提供服務(wù)， 數(shù)據(jù)服務(wù)實體 主要負責(zé) 數(shù)據(jù) 傳輸服務(wù)， 管理 服務(wù) 實體 則主要負責(zé) 所有的其他管理服務(wù) 。 ZigBee 協(xié)議體系結(jié)構(gòu)如圖 ： 應(yīng)用程序框架ZigBee 設(shè)備對象（ ZDO ）應(yīng)用支持子層 （ APS ）應(yīng)用設(shè)備 240端點 240APSDE SAP應(yīng)用設(shè)備 1端點 1APSDE SAP端點 0APSDE SAPZDO公共接口APS 安全管理APS 消息中轉(zhuǎn)反射器管理安全服務(wù)供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)層 （ NWK ） NLED SAPZDO管理面板APSMESAPNLMESAPNWK 安全管理NWK 消息中轉(zhuǎn)路由管 理 網(wǎng)絡(luò)管理媒體介質(zhì)訪問層 （ MAC ） MLDE SAP MLME SAP物理層 （ PHY ）PD SAP PLME SAP2 . 4 GHz 868 / 915 MHzIEEE 802 . 15 . 4 制定 終端制造商制定 ZigBee 聯(lián)盟制定 各層接口 圖 ZigBee 協(xié)議體系結(jié)構(gòu)圖 物理層（ PHY） 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 4 頁 物理層定義了物理無線信道和 MAC 層之間的接口， 提供 三種不同的 通信 頻段 ：、 902MHz928MHz 和 2400MHz24835MHz， 以及 1個、 10 個以及 16 個不同的信道 。 通過無線信道的發(fā)送和接收以及物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ PPDU）來實現(xiàn)物理層數(shù)據(jù)服務(wù)。驅(qū)動程序為物理層提供的接口是無線射頻服務(wù)接入點（ RFSAP），從外界接收到數(shù)據(jù)包后，從物理層中提取信息并通過 PDSAP 上傳給上層協(xié)議。 物理層（ PHY ）物理層管理實體（ PLME ）物理層管理實體服務(wù)接入點（ PLME SAP ）無線射頻服務(wù)接入點（ RF SAP ）數(shù)據(jù)服務(wù)接入點（ PD SAP ）物理層信息庫（ PHY PIB ） 圖 物理層結(jié)構(gòu)及接口示意圖 物理層的 主要功能包括： 1)ZigBee 系統(tǒng)的啟動和關(guān)閉 ； 2)當前信道的能量檢測； 3)鏈路 質(zhì)量信息； 4)信道評估與 選擇； 5)傳輸和接 收 數(shù)據(jù) 。 MAC 層由 MAC 層管理實體（ MLME）提供 MAC 層管理服務(wù)和 MAC 層數(shù)據(jù)服務(wù)實體（ MCPS） 提供 MAC 層數(shù)據(jù)服務(wù) 兩部分構(gòu)成 。 MAC 層管理實體以提供 可調(diào)用 MAC 層管理功能接口為目的 ， MAC 層管理實體服 務(wù)接入點（ MLMESAP）為網(wǎng)絡(luò)層提供管理服務(wù)接口。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 5 頁 MAC 層數(shù)據(jù)實體（ MCPS ）MAC 層管理實體（ MLME ）MAC 層數(shù)據(jù)實體服務(wù)接入點（ MCPS SAP ）MAC 層管理實體服務(wù)接入點（ MLME SAP ）PD SAP PLME SAPMAC 層信息庫（ MAC PIB ） 圖 MAC 層結(jié)構(gòu)和接口圖 MAC 層主要功能 包括 ： 1） 信標的產(chǎn)生與同步 ； 2） 信道接入； 3）保證系統(tǒng)的安全性； 4）管理 時隙 (GTS)機制； 5）提供可靠的通信鏈路。網(wǎng)絡(luò)層 由網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)實體（ NLDE）和網(wǎng)絡(luò)層管理實體（ NLME） 兩部分 共同組成 ，不僅 為 MAC 層提供函數(shù)而且為應(yīng)用層提供 服務(wù)接口 。網(wǎng)絡(luò)層管理實體主要負責(zé)網(wǎng)絡(luò)中的管理服務(wù)， 通過網(wǎng)絡(luò)層管理實體接入點（ NLMESAP）實現(xiàn)。 網(wǎng)絡(luò)層 主要 功能 包括 ： 1)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)、 形成 和維護 ； 2)路由器初始化； 3)提供網(wǎng)絡(luò)節(jié)點地址分配 ； 4)允許 設(shè)備 直接或間接 同網(wǎng)絡(luò)連接； 5)斷開網(wǎng)絡(luò)連接； 6)復(fù)位配置 ； 7)信息庫管理 。 ZigBee應(yīng)用層除了提供必要的函數(shù)以及 服務(wù)接口外，另 一個重要的功能是 讓用戶在應(yīng)用 層 里編輯 自己的應(yīng)用對象。它由 主要負責(zé)為設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸提供相應(yīng)服務(wù) 的應(yīng)用支持 子層數(shù)據(jù)服務(wù)實體（ APSDE）和主要負責(zé)根據(jù)命令提供相應(yīng)管理和服務(wù) 的 應(yīng)用支 持子層管理實體（ APSME）共同組成。 應(yīng)用支持子層結(jié)構(gòu)與接口圖如圖 所示。 設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色（例如是 ZigBee 協(xié)調(diào)器或是 ZigBee 終端設(shè)備或是 ZigBee 路由器）是由 ZigBee 設(shè)備對象（ ZDO）定義的，同時 ZigBee 設(shè)備對象還負責(zé)對綁定請求的響應(yīng)和初始化，在設(shè)備間建立可靠的聯(lián)系。 設(shè)備類型 ZigBee 系統(tǒng)中的設(shè)備可能包含協(xié)調(diào)器（ Coordinator）、路由器（ Router）和終端節(jié) 點（ End Device） 3 種邏輯類型中的兩種或三種，一個完整的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)由至少一個協(xié)調(diào)器、一個或多個路由器和一個或多個終端節(jié)點組成。協(xié)調(diào)器負責(zé)選擇網(wǎng)絡(luò)的信道、啟動并建立整個網(wǎng)絡(luò)。 但是 協(xié)調(diào)器的角色 只涉及網(wǎng)絡(luò)的啟動和配置，之后整個網(wǎng)絡(luò)的運行 就不再依賴 于 協(xié)調(diào)器是否存在。路由器節(jié)點的功能是允許其他節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，協(xié)助各個節(jié)點之間的通信。終端設(shè)備一般由電池供電，對存儲空間要求比較小。如圖 所示。精簡功能設(shè)備（ RFD）只支持星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不能成為任何一種協(xié)商者使用，但是可以和網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者相互通信。 ② 樹形拓撲結(jié)構(gòu) 樹形拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以理解為由一個協(xié)調(diào)器和一個或多個星型結(jié)構(gòu)連接而成，直接通信只能在父子節(jié)點之間進行，而非父子節(jié)點之間的通信只能通 過樹狀路由器間接完成。 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 8 頁 信標與非信標模式 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)可以分為信標（ Beacon）和非信標 (Nonbeacon)兩種工作模式。 在信標模式下，協(xié)調(diào)器向網(wǎng)絡(luò)廣播 16 個相同時間槽間隔的信標幀一般以 15ms4min之間的時間為間隔。 在非信標模式下，采用終端節(jié)點向父節(jié)點提取數(shù)據(jù)，父節(jié)點為子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)的機制，使終端設(shè)備可以周期性進入休眠模式以達到低功耗。 ZigBee 術(shù)語 節(jié)點射頻發(fā)射器設(shè)備 設(shè)備端點端點輸出群集端點輸入群集輸出群集屬性屬性屬性屬性屬性端點輸出群集屬性端點輸入群集屬性輸出群集屬性屬性 圖 ZigBee 術(shù)語結(jié)構(gòu)圖 ① 屬性 反映物理數(shù)量或狀態(tài)的數(shù)據(jù)值稱為屬性，如開關(guān)值（ On/Off） ,溫度值、百分比等。 ③ 設(shè)備描述 設(shè)備描述包含一個或多個集群，指定集群