煤矿报警系统节点的设计及实现

　　1 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 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 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。

　　2．2 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。 

　　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 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 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。 

　　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 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 开发板软件设计

　　4．1 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。

　　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 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 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。