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基于ZigBee的矿井无线网络节点设计

作者:佚名 时间:2020-05-15

针对现有矿井有线网络的局限性,设计了一种基于ZigBee技术的无线网络系统。本文分析了无线网络系统的工作原理,重点介绍了CC2420模块和微控制器LPC2138的接口设计以及软件的设计。

近几年来,随着煤炭的大量开采,矿井安全越来越广泛地受到关注。目前,我国的矿井安全系统大都采用有线通信网络传送数据。由于矿井的特殊环境,有线电缆铺设受到矿井设备的制约,安装布线过程复杂,而且有线网络可扩展性较差。随着无线通信技术的发展,组建井下新型无线通信网络成为必然趋势,为此本文设计一种应用于矿井安全的ZigBee无线通信网络。

ZigBee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术,主要用于低速传输。它基于IEEE802.15.4标准,可在数千个微小的传感器之间相互协调通信。ZigBee网络简单,检测现场不需要复杂的线路连接,可靠性高,可适用于井下环境。

低功耗:在工作模式下,由于其传输速率低,传输数据量小,发射功率仅为1mW;而在非工作模式时,采用了休眠模式,因此ZigBee节点非常省电。低成本:ZigBee数据传输速率低,协议简单,并且使用免执照频段,大大降低成本。段时延;通信时延以及从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延为30ms,休眠激活的时延是15ms,活动设备通信接入的时延为15ms。高容量:一个ZigBee的网络最多可包括255个ZigBee网络节点,其中一个是主控设备,其余则是从属设备。2.系统的工作原理

根据现场实际需要,沿坑道每隔一定距离在坑道顶部设置一个ZigBee网络接收节点,这些固定节点通过无线传输将井下采集的信息上传至坑道的矿用分站,然后再通过有线通信将收集的汇总信息传输至地面的监控中心,如图1所示。

图中移动节点是每个矿工随身携带的一个ZigBee发射模块,且都有唯一的ID号作为定位目标。移动节点通过周期猝发的方式向固定节点发送数据,两个固定节点通过对信号强度的计数和现场实测校正便可以得出人员的定位信息。

微控制器采用由Philips公司推出嵌入式处理器LPC2138。它采用ARM公司的16/32位RISC结构,内核是ARM7TDMI-S,LQFP64封装,内嵌512KB的高速Flash储存器和32KB片内静态RAM;具有丰富的外围模块:2个10位8路A/D转换器,1个D/A转换器和47个通用I/O口,9个边沿或电平触发的中断,多个串行接口。LPC2138具有空闲和掉电2种低功耗模式,而且具有稳定可靠、功能强大、开发周期短等特点。

无线通信模块芯片则采用Chipcon公司的CC2420射频芯片。它能够进行鲁棒的无线通信,支持2.4GHz ZigBee协议,其数据通信速率可达到250kbps。CC2420采用3.3V电压供电,而内部使用1.8V工作电压需要芯片内部自带的电压调整器获得。引脚XOSC16_Q1和XOSC16_Q1连接16MHz的晶振是用于250 kbps数据的收发。CC242的应用电路如图2所示。

在无线通信网络中,LPC2138与CC2420之间通过SPI总线进行通信。LPC2138作SPI主机,射频收发器CC2420用作为从机;LPC2138通过4线SPI接口对CC2420的内部寄存器进行读写操作,回读状态信息;FIFO、FIFOP、CAA 和SFD四个引脚表示收发数据的状态。LPC2138与CC2420通信电路如图3。

在接收模式下,CC2420会在SFD引脚输出高电平,直到接收完该帧。如果接收帧的地址辨识失败后,SFD引脚立即转为输出低电平。FIFO和FIFOP引脚标志接收和发送FIFO缓冲区的状态。如果接收FIFO 缓冲区有数据,FIFO引脚输出高电平;否则输出低电平。

FIFOP引脚在接收FIFO 缓冲区的数据超过某个临界值时或者在CC2420接收到一个完整的帧以后输出高电平,其中临界值可以通过CC2420 的寄存器设置。CCA引脚在信道有信号时输出高电平,它只在接收状态下有效。

系统软件的设计方式采用模块化结构程序,采用C语言编写。软件模块包括:数据发送模块、数据接收模块、串口模块、SPI通信模块和终端模块。实现ZigBee节点的无线通信就是要实现数据的发送和接收,使节点的数据进行交换。在通信前要对CC2420进行初始化,即由LPC2138通过SPI向CC2420的一些寄存器赋值。发送和接收程序流程分别如图4和图5所示。

在实验板上设置一个LED指示灯来表示信息发送或接受是否成功,通过串行接口与计算机进行通信。实验表明:发送端和接收端都能够正确地数据传输,通信距离在空旷地带可以传输50多米。

本文介绍以LPC2138和CC2420为核心的无线网络节点,采用了ZigBee无线通信技术,改进有线网络的不足,实现了对井下环境准确的采集,在矿井发生紧急情况下,及时采取应急措施,保障矿井人员的安全。

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