基于ZigBee的矿井无线收集节点设计_节点_模块

近几年来，随着煤炭的大量开采，矿井安全越来越广泛的受到关注。
目前，我国的矿井安全系统大都采取有线通信网络传送数据。
由于矿井的分外环境，有线电缆铺设受到矿井设备的制约，安装布线过程繁芜，而且有线网络可扩展性较差。
随着无线通信技能的发展，组建井下新型无线通信网络成为一定趋势，为此本文设计一种运用于矿井安全的ZigBee无线通信网络。

ZigBee技能是一种具有统一技能标准的短间隔无线通信技能，紧张用于低速传输。
它基于IEEE802.15.4标准，可在数千个眇小的传感器之间相互折衷通信。
ZigBee网络大略，检测现场不须要繁芜的线路连接，可靠性高，可适用于井下环境。

与其他同类技能比较，ZigBee具有以下优点：

根据现场实际须要，沿坑道每隔一定间隔在坑道顶部设置一个ZigBee网络吸收节点，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网络的汇总信息传输至地面的监控中央，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办法向固定节点发送数据，两个固定节点通过对旗子暗记强度的计数和现场实测校正便可以得出职员的定位信息。

图1.ZigBee系统框架图

3.1硬件设计

无线网络的硬件节点紧张由微掌握器、无线通信模块、电源模块和数据采集模块等组成。

微掌握器采取由Philips公司推出嵌入式处理器LPC2138。
它采取ARM公司的16/32位RISC构造，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、开拓周期短等特点。

无线通信模块芯片则采取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采取3.3V电压供电，而内部利用1.8V事情电压须要芯片内部自带的电压调度器得到。
引脚XOSC16_Q1和XOSC16_Q1连接16MHz的晶振是用于250 kbps数据的收发。
CC242的运用电路如图2所示。

图2. CC242的运用电路

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。

图3 LPC2138与CC2420通信电路

在吸收模式下，CC2420会在SFD引脚输出高电平，直到吸收完该帧。
如果吸收帧的地址辨识失落败后，SFD引脚立即转为输出低电平。
FIFO和FIFOP引脚标识吸收和发送FIFO缓冲区的状态。
如果吸收FIFO 缓冲区有数据，FIFO引脚输出高电平；否则输出低电平。

FIFOP引脚在吸收FIFO 缓冲区的数据超过某个临界值时或者在CC2420吸收到一个完全的帧往后输出高电平，个中临界值可以通过CC2420 的寄存器设置。
CCA引脚在信道有旗子暗记时输出高电平，它只在吸收状态下有效。

3.2软件设计

系统软件的设计办法采取模块化构造程序，采取C措辞编写。
软件模块包括：数据发送模块、数据吸收模块、串口模块、SPI通信模块和中断模块。
实现ZigBee节点的无线通信便是要实现数据的发送和吸收，使节点的数据进行交流。
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。
发送和接管程序流程分别如图4和图5所示。

图4、5 发送程序流程与吸收程序流程

3.3实验结果

在实验板上设置一个LED指示灯来表示信息发送或接管是否成功，通过串行接口与打算机进行通信。
实验表明：发送端和吸收端都能够精确地数据传输，通信间隔在空空地带可以传输50多米。

本文先容以LPC2138和CC2420为核心的无线网络节点，采取了ZigBee无线通信技能，改进有限网络的不敷，实现了对井下环境准确的采集，在矿井发生紧急情形下，及时采纳应急方法，保障矿井职员的安全。