无线传感器网络技术的应用研究

摘 要：近年来煤矿事故常发生，为了提高煤矿安全系数，本文研究的主要内容是人体生理信息的采集，无线传感网络节点的设计，以及基于ZigBee协议的无线组等方面的内容。人体的生理信号有很多种，本文选择便于测量，成本低廉的DS18B20作为温度传感器进行体温测量，通过人头部的三点最终确定人体的体温。另外本文对MJC4/3.0L瓦斯传感器进行了硬件电路设计。在节点的硬件设计方面主要通过微处理器MSP430FG4618和射频芯片CC2420设计来满足系统的要求，软件方面主要是在ZigBee协议的基础上编写应用程序的软件，将此设计应用到实践将会确保煤矿人员，减少煤矿事故发生。

关键词：煤矿安全；CC2420；MSP430FG4618；ZigBee；人体体温

Abstract：In recent years, there are many accidents of coal mines. In order to increase the safety of coal mines, the author studies the acquisition of temperature signals of human bodies, wireless sensor node design, and based on ZigBee protocol wireless network and so on. There are many physiological signals in the human bodies. The author chooses the low-cost DS18B20 as the temperature sensor to measure human body's temperature by three spots on the head. The gas sensor,MJC4/3.0L,and its hardware connection mode are also depicted in the paper. In the hardware, the system demand is satisfied by the microprocessor MSP430FG4618 and the radio frequency chip CC2420.In the software the programming application procedure is done with Zig-Bee protocol as a basis. If we apply this technology into society, we will ensure the safety of person in coal mines in order to decrease the accidents.

Keywords： the safety of Coal mines, CC2420, MSP430FG4618, ZigBee, Human body temperature

1 绪论

煤矿的自然条件非常复杂，开采条件也极端多变，现有的监测系统一般都是对静态的环境进行监测，很少有针对动态特别是人员的防护和救助信息的采集能力，有线的通讯方式在动态生产的煤矿井下应用存在诸多不便，井下地形也复杂，有线布线不便，建设成本也高[1]。针对目前无线传感器网络的发展，探讨用无线通讯方式实现井下安全监测系统的信息传输，特别是重点研究人体的状态信息，以及接口

平台的设计，这样可以把各种安全监测监控系统集成起来，最终目的是保护人的安全和防止生产资料的损失。

2 系统整体方案选择

根据煤矿安全监控实际需求，设备的整体结构应包括地面监控中心、有线骨干网、无线网关节点、传感器模块。传感器模块主要用于环境监测，以及人员安全监测和定位。地面监控中心的作用包括对整个系统的监控，数据处理比较和报警，在矿难发生后可以提供用于判断人员的生理状况和大体位置信息以便营救，对整个系统的数据进行自动备份并且自动上传至当地政府煤矿安全生产监管系统主机。

图1 整体结构设计示意图

由于该系统是在矿区使用，在主干道上用电力线载波，而在分巷道里用ZigBee无线传感网络技术，煤矿的总体结构示意图如图1所示。在各个小巷道中用ZigBee

技术组成无线传感网络，传感器网络包括地面监控中心、有线骨干网、无线网关节点、传感器节点。传感器大致分为两类：一类是静态节点（环境参数的监测），这类节点一般分布在固定的位置，负责感知该位置周围的环境信息；另一类是动态节点（监测人的生理信号和环境参数），该类节点由工人随身携带，一方面在事故发生的时候能够判断人的生理状况，另一方面可以感知工作面的现场信息[2]。节点采集到的信息通过自组网的方式实时地传送到无线网关节点，网关节点负责完成数据的收发和网络状态的监控，同时它还负责数据处理、融合和存储处理后的数据通过有线骨干网发送到地面监控中心，由监控平台实时显示环境参数和人的状况。

3 无线传感器网络的硬件设计

3.1 无线传感器节点的硬件设计方案

无线传感器网络由大量体积小、能耗低、具有无线通信、传感和数据处理功能的传感器节点组成。无线传感器网络节点主要负责对周围信息的采集和处理，并发送自己采集的数据给相邻节点或将相邻节点发过来的数据转发给基站或更靠近基站的节点。如图2所示为无线传感器节点的方框图，它主要由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块组成，电路原理图的整体设计见附录。

LCD显示 人体生理信号前端 复位电路 无线传输模块 环境参数前端采集 电源管理模块 图2 无线传感器节点的方框图

3.2 无线传感器网络中相关模块的选择 (1)无线传输模块的选择

在无线传感器网络中，传感器节点的能量主要是耗费在通信上。CC2420是Chipcon公司开发的首款符合ZigBee标准的2.4GHz射频芯片，可快速应用到ZigBee产品中。CC2420具有完全集成的压控振荡器，只需要天线、16MHz晶振等非常少的外围电路就能在2.4GHz频段工作[3]。CC2420只提供一个SPI接口与微处理器连接，通过这个接口完成设置和收发数据工作。CC2420具有高速集成，低成本，低功耗的特点，能够进行鲁棒的无线通信；支持2.4GHz IEEE802.15.4/ZigBee协议，内置一个数字直接序列扩频调制解调模块，提供扩频增益9dB，其数据通信速率可达250Kbps。

(2) 微处理器模块的选择

微处理器模块是无线传感器节点的计算核心，微控制器的核心选择MSP430FG4618型单片机，其突出优点是低电源（1.8-3.6V）、超低功耗，该系列单

片机具有FLASH型存储器。随着煤矿无线传感器节点的应用越来越广泛，使得节点的功能更加强大，同时会更加严格的要求其稳定性、低功耗、高准确度、操作方便等方面的性能，1MSP430系列的芯片的低功耗特性非常好。 2(3)传感器模块的选择 传感器网络中对传感器的精度要求并不是很高，在环境监测中用瓦斯传感器来D监测瓦斯浓度的变化，用温度传感器来监测人体温度的变化。 31) 瓦斯浓度的采集模块 在日常的工作中对环境参数进行采集，在煤矿中经典的被测参数瓦斯的测量选择合适的传感器 MJC4/3.0L，它是载体催化元件， MJC4/3.0L采集的信息经过桥路后输出的信号是模拟量，并且一般信号是毫伏级的电压信号，因此必须经过放大电路放大后再进行A/D转换。在放大电路，采用仪表放大器INA118，使用方便，仅需一个外接电阻便能使增益达到10000。如图3是瓦斯传感器的硬件接口示意图。 +3VVDD3.0C110.1uFR110KR215K3KR32183Vin-CMJC4/3.0LA1A2B1B2V+7VO6C12C130.1uFP6.710uF4INA118V-Vin+REF5 图3 瓦斯传感器的硬件接口示意图 B2) 人体体温信号采集模块 人体的生理信号有很多种，但是对人体生理信号采集模块设计的目的是为事故发生后，现存的无线传感器节点、矿工们随身携带的无线传感器节点从新组成网络，把采集到的生理数据传输到监控中心，为人员的快速营救提供更加的方案。综合考A虑人体各种生理信息的特点，以及信息采集的难易程度和成本等问题。我们选择体温作为人体生理信号，对人体温度的采集选择数字式温度传感器DS18B20[5]。温度传感器DS18B20是 “一线总线”接口的温度传感器，现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量[4]。

图4 温度传感器接口示意图

人体体温测试电路在设计人体的体温时一方面为了员工携带方便，另一方面为了便于测量和增强可靠性。在本文的设计中是想通过矿工的安全帽里的带子来测试人体额头三点的温度值来作为人体的体温，具体的电路如图4所示。 3.3 无线传感器网络的硬件电路设计

CC2420的电路原理图如图5所示，在实际的电路使用中射频芯片CC2420的原理图，从图上我们可以看出只需要天线、16MHz晶振等非常少的外围电路就能在2.4GHz频段工作。CC2420的SPI接口由CSn、SI、SO和SCLK引脚组成。处理器通过SPI接口访问CC2420内部寄存器和存储器。在访问过程中，CC2420是SPI接口的从设备，接收来自处理器的时钟信号和片选信号，并在处理器的控制下执行输入/输出操作。SPI接口接收或者发送数据时，都与时钟下降沿对齐。CC2420与MSP430是通过SPI连接的，其中MSP430处于主模式，CC2420处于从模式。MSP430

还有4个I/O与CC2420相连，主要起查询CC2420状态的作用。 3.3.1 CC2420与MSP430的硬件接口电路设计

图5 CC2420的电路原理图

图6为CC2420和MSP430FG461x的I/O口连接示意图。CC2420的数据输入引脚SI应与处理器的输出引脚SIMO相连；CC2420的数据输出引脚SO应与处理器的输入引脚SOMI相连，由处理器的UCLK引脚提供时钟频率，与CC2420的时钟引脚SCLK相连；处理器的控制引脚STE与CC2420片选引脚CSn相连，控制数据收发的同步性，在接收和发送时，都要保证CSn为低电平。SPI接口的使用步骤如下：使片选信号有效，即使CSn变低，告知CC2420新的SPI通信周期开始了；驱动SCLK时钟信号。SCLK不需要用固定频率驱动且可以有一个可变的服务周期。在SCLK信号上升沿，CC2420对SI、SO上的数据进行取样。在SCLK信号下降沿，

D如果SO的操作模式是输出，CC2420将改变SO上的数据；当此通信周期完成时，停止SCLK的驱动，使片选信号无效。 FIFO FIFOP CCA SFD CC2420 CSn SI SO SCLK P1.6CA0 P1.7CA1 P1.2TA0 P1.1TA1 MSP430 P4.2STE P4. 3SIMO1 P4.4SOMI1 4P4.5UCLK1 C35图6 CC2420和 MSP430FG4618I/O口连接示意图 12312VSwithB5V0.1uFC110uF3LM7805GNDVoutC2Vin1Dvcc1C40.1uFLM1117VinGND1C50.1uF10uFC62C310uFVoutC733VC810uF0.1uF电源供电电路2 图7 电源供电电路 vcc3.3VAR7330LEDSPI报警电路R83.3K90131P3.52 图8 报警电路 TitleSizeBDate:File:Number25-May-2011C:\\Documents and Settings3.3.2 电源模块的设计

由于每个矿工均随身携带为探照灯供电的蓄电池，因此在系统中人体信号节点的电源由矿工自己带的蓄电池来供电[6]。蓄电池的输出一般为12V，单片机和温度传感器的所需要的分别为1.8-3.3V和5V，控制电路的接入电压为12V，为了得到5V，3.3V电压需要采用电源稳压芯片来实现，先是由LM7805实现把12V电压转变到5V电压，再由LM1117DT-3.3实现把5V电压转变到3.3V电压，具体电路连接如图7所示。

3.3.3 声光报警模块的电路设计

根据系统的实际需要，这里采用闪光报警和语音报警的结合体声光报警。声光报警可发出特定的鸣音同时伴随着发光二极管发光，作用于人的听觉器官和视觉器官，更易于引起和加强警觉，对于某些紧急状态如参数越限，可以通过主控中心发送数据来报警，以便使矿工们及时采取措施。图8为报警电路。

4 基于ZigBee协议的软件设计

在基于ZigBee协议的软件设计这一部分有以下两部分组成：温度采集模块的软件设计和矿井下ZigBee协议的通信技术的软件设计。具体设计如下： 4.1 温度采集模块的软件设计

图9是人体的体温采集的软件子程序流程图，在该体温采集的装置中，通过采集人体头部三点的温度来确定人体的体温，硬件设计采用三个DS18B20数字温度计串联在一起采集人体头部的三点温度的方案。DS18B20工作过程为：主机发出一