基于无线传感器网络的煤矿报警系统节点的设计及实现

摘要： 将无线传感器网络技术融入煤矿视频监控系统中，传感器节点由传感模块、处理模块、通信模块和电源模块组成。微处理器选用ATMEL公司的ATMELGAl28L，射频芯片选用NORDIC公司的nRF24L01。采用节点定时打开与关闭的协议且打开与关闭的时间比为1:99。充分考虑节能和扩展性的需求，系统支持多种目标文件格式。
关键词： 无线传感器网络；ATMELGAl28L；nRF24L01；SHT15

Abstract:& nbsp; A coal mine video monitoring system based on wireless sensor network is established in this paper. The sensor node consists of sensor, disposal, communication and power supply module. ATMELGAl28L of ATMEL is adopted as microprocessor and nRF24L01 of NORDIC as radio chip. A time open and close protocol for the node is introduced and the time proportion of open and close is 1:99. At the same time, the system has advantage of conserve energy, expansibility and supports multifold file formats.

Keywords:& nbsp; wireless sensor network; ATMELGAl28L; nRF24L01；SHT15

1& nbsp; 引言

煤炭是我国重要的能源资源，我国的煤炭工业多数还靠人工开采，安全隐患多， 因为煤矿开采的特殊环境，容易发生事故，煤矿行业也被称为高危险的行业。利用远程视频监控系统，地面或中心监控人员可以直接对井下情况进行实时监控，不仅能直观地监视和记录井下工作现场的安全生产情况，并能通过在井下安装温湿传感器瓦、斯探测器等，及时地发现事故苗头，防患于未然。我们的研究课题是，将无线传感器网络技术[1]融入视频监控系统中，取代原来的有线网络。随着矿井延深，无线传感器网络的节点可以很方便的增加，形成新的自组网络，通过无线通信节点将数据经多跳传送到基站。

2& nbsp; 节点的硬件设计

传感器节点的硬件结构主要由传感模块、处理模块、通信模块和电源模块组成。传感器节点一般采用电池供电，节能成为设计的关键技术，一般要保证节点电池寿命在一年一上。此外，还要控制成本和体积。设计的节点硬件框图如图1所示。

2．1& nbsp; 微处理器模块

微处理器选用ATMEL公司的ATMELGAl28L。该芯片功耗低，且有多种睡眠模式；多个中

断源，53个I/O口，可以连接多个传感器扩展口；内带8路 10位A／D转换器，可以将传感器送来的模拟信号转换为数字信号；双向I2C串行总线接口；主/从SPI串行接口；可编

程串行通信接口；JTAG和SPI 在线编程方式等。该芯片的丰富资源可以满足节点数据处理和传输的要求，尤其是六种不同的睡眠模式，特别适合有能量限制的应用。

存储器存放待处理或接收的数据．选用Mierochip公司的25AAl024。该芯片的存储量为1024KB，功耗低，读写方式为SPI，占用I/O口少。节点索引号产生器选用MAXIM公司的DS2411，用来产生48位随机数，作为节点的惟一标识号。

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2．2& nbsp; 射频模块

射频芯片的选取直接影响节点的功耗，因为节点消耗能量的近2／3都用于无线收发。选用的射频芯片为NORDIC公司的nRF24L01。该芯片功耗低，在相同工作模式下，比Chipcon公司的CC2420芯片节省近l/3的能量；工作于2.4G～2.5GHz ISM频段；支持高速跳频；体积很小；外围器件少，配置简单，且使用两层PCB板，节省成本。nRF24L0l配置框图如图2所示。

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nRF24L01与微处理器相连只需6根信号线，其中4根是SPI信号线，与ATMELGAl28L的SPI口相连；其余一根为片选，另一根用于中断请求。

射频电路要取得好的RF性能，PCB设计必须合理。nRF24L01的供电电源必须经过良好的滤波，并且与数字电路分开；避免长距离走线；在射频信号输出部分，根据发送功率设置滤波网络，以实现阻抗匹配，使到达天线的信号最强。要防止高频信号泄漏，否则会对发射信号造成很大干扰。由于天线要散播电磁能量，需选用Q值较小的器件。制作PCB板时，在器件周围覆铜，以提高抗干扰性能。

2．3& nbsp; 传患器模块和扩展口

板上设有tp-1.1a 非加热低功耗甲烷气体传感器[2]，由于是模拟信号，需接入ATMELGAl28L的AD引脚进行AD转换后才可处理。板上还装有数字型温湿度传感芯片SHT15，可感知温度和湿度，精确度较高，且功耗低，采用I2C读写，占有I/O口很少。

为了让节点具有更广泛的应用，节点板上接有扩展口，其中有I2C口、AD口和中断口等，用来连接其他传感器。

2．4& nbsp; 电源摸块和电能消耗

节点有两种供电方式，在实验室调试和测试时通过开发板供电，在外界环境中工作时，用2个AA电池供电。为了防止2个电源之间的干扰，在板上加有一个手动开关。

因为电能的消耗决定了传感器节点的使用寿命，在节点的软、硬件设计时，必须充分考虑能源的有效性。节点在各种运行模式下，必须关闭不必要的模块以节省能量。我们采用节点定时关闭和打开的协议[3，4]且关闭与打开的时间比为1:99，使用2节1000毫安时(mAhr)的AA电池供电，节点耗能如表1所示。

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在上述工作模式下，如果用2节1000mA-hr的AA电池供电，则节点寿命为12．55个月。此值是在最大发送功率情况下计算的。当发送功率和收发速率变小时，耗能更少，传感器的寿命会更长[5]。

3& nbsp;& nbsp;& nbsp;开发板的硬件设计

为了完成节点的开发，我们设计了开发板，其硬件系统框图如图3所示。节点CPU的JTAG口接在开发板上。如果使用JTAG口下载和调试程序，则需要JTAG下载器。为

此，设计了另一种下载方式，即串行下载。CPU通过 USB口接收上位机的代码，然后通过SPI口下载到节点CPU的FLASH。CPU为中心控制模块，接收上位机的各种命令并进行相应处理。CPU芯片选用 ATMEL公司的ATMELGAl6L，该芯片带有可编程UART口和工作于主机、从机模式的SPI口。

USB转换芯片实现上位机端的USB数据与下位机端的UART数据之间的转换。选用芯片为FT232BM。由于编程板CPU、ATMELGAl28都要通过USB口与上位机通信，为了防止不同输入输出信号间的干扰，设计时用了两个带有使能控制的BUFFER来控制不同CPU串口通信的通断。

为了更方便地配置传感器节点，在板上集成了一块E2PROM。目标代码可以先存储在EZPROM中。当需要向节点下载时，通过按钮激发外部中断即可将E2PROM的代码通过SPI口写入节点CPU。操作方便简单，摆脱了上位机的限制。

节点连接器是17针的节点与开发板和扩展传感器之间的接口，除了编程口和串口，还有连接传感器的扩展口，包括I2C口、中断口和AD口等。

节点CPU SPI编程共需4根信号线，其中3根SPI通信线与开发板CPU的SPI口相连，节点CPU的RESET信号 由开发板CPU的IO口控制即可。

4& nbsp; 开发板软件设计

4．1& nbsp; 上位机程序设计

用C++ Builder 6．0编写上位机程序，制作了用户操作界面，并将不同编译系统生成的多种目标文件格式转换成上、下位机约定的文件格式，传送给下位机。

为提高向ATMELGAl28L的FLASH和E2PROM写代码的效率和便于从E2PROM向FLASH写代码，上位机传送给下位机的代码采用图4所示的格式。

图4中，地址指该段代码要写入FLASH的初始地址，包括2字节的页地址和l字节的页内地址；序列号表示该段代码是全部代码中的第几段；长度指该段代码的字节数，不包括地址和序列号。每一地址段代码都采用图4的格式。www.51kaifa.com/

上位机程序支持的目标文件格式有：TinyOS、AVRGCC和IAR生成的Intel hex文件。Intel hex是Intel公司提出的一种文件标准，是最常用的目标文件格式之一。

上位机程序将不同编译系统生成的不同格式的目标文件转换成图4所示的格式，再发给下位机。上位机操作界面提供了各种命令按钮，用户点击命令按钮后，上位机即按制定的该命令模式处理协议发送命令和数据。在传送文件时，为确保数据传送不出差错，采用了停止-等待传输协议[6]。上位机发送约定长度的数据后停止发送，等接收到下位机发来的确认标志后再开始发送。

4．2& nbsp; 下位机程序设计

下位机接收上位机的命令，完成读写FLASH、E2PROM、锁定位、熔丝位和USB口使用权的切换等功能。由于实现的功能较多，采用了模块化、自下向上的结构化设计方法。首先按照ATMELCAl28L数据手册提供的SPI编程算法，用C语言实现了读写FLASH、锁定位和熔丝位等模块。

程序设计的一个难点是将接收的上位机发送的文件写入FLASH或E2PROM，因为涉及到接收数据和写FLASH或EZPROM的交互。解决方法是采用停止——等待传输协议进行数据传送[7]。下位机开辟约定数量的缓冲区，利用中断接收上位机数据至缓冲区满，处理完缓冲区数据后发送确认标志，上位机收到确认后再开始下一次发送。

写EZPROM与写FLASH类似，只是要将接收的地址、序列号、长度也写入E2PROM。代码在E2PROM中存放时仍保持表2所示的格式，即段初始地址、序列号、该段长度、数据的格式，以便将E2PROM中存储的代码写入FLASH。

编写下位机程序时，依据各模块分别用子函数实现、模块间接口清晰、主程序简单的原则，实现了读写FLASH和E2PROM、读写锁定位、从 E2PROM写FLASH等几大模块，主函数接收到命令调用相应模块即可。当按下中断按钮时，中断程序先检测FLASH连接，如果检测成功，则调用从 E2PROM写FLASH模块；否则红灯闪烁指示操作失败。

5& nbsp;& nbsp;& nbsp;& nbsp;结论

本文提出了将无线传感器网络技术融入煤矿视频监控系统中，给出了无线传感器网络节点的组成和设计环境。研究了延长无线传感器网络节点生命周期的方法。在目前电池安时数还很有限的情况下采用节点定时开关协议，在满足煤矿安全要求的情况下，确定开关时间比为1:99，从而使节点电池的更换周期在一年以上。无线传感器网络其节点扩展的方便性，满足了煤矿生产中矿井不断延深的实际要求。本文创新点有三：1.将无线传感器网络技术引入煤矿视频监控系统中；2. 给出无线传感器网络节点实现的技术要点；3. 推出了节点最短寿命。

注：将无线传感器网络技术融入煤矿视频监控系统，此技术目前我们还处于研究试制阶段，未形成实用产品，欢迎相关企业与我们合作开发。

参考文献：

[1]& nbsp; ILYAS M, MAHGOUB I. Handbook of& nbsp; Sensor& nbsp; Networks : Compack& nbsp; Wireless& nbsp; and& nbsp; Wired& nbsp; Sensing& nbsp; Systems& nbsp; [M]. USA:CRC& nbsp; Press, 2005.

[2]& nbsp; 吕玉祥，赵根爱. 基于光谱吸收法的甲烷气体传感器的研究[J]. 光学与光电技术，2006，4（5）：95-97.

[3]& nbsp; EstrinD ,Govindan R ,Heidemann J .Embedding the internet:introduction [J] . Communications of ACM, 2000,43(5):38-41.

[4]& nbsp; Ye W, Heidemann J,and Estrin D. An Energy-Efficient Mac Protocol for Wireless Sensor Networks[C]//Proc. IEEE INFOCOM,New York,NY,June 2002 pp.1567-1576.

[5]& nbsp; 赵保华，张炜，李婧，屈玉贵，张英堂. 传感器网络中的节能参与度模型[J]. 电子学报，2006，34（11）：1994-1997.

[6]& nbsp; Enz C, EL-Hoiydi A, Decotignie J-D, et al. WiseNET: An Ultra Low Power Wireless Sensor Network Solution[J].Computer,2004,37(8):62-71.

[7]& nbsp; 史红，刘微，王宇飞，张刚．无线局域网的嵌入式硬件实现方案[J]．微计算机信息，2007，10-2：35-37.