摘要： 將無線傳感器網絡技術融入煤礦視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點由傳感模塊、處理模塊、通信模塊和電源模塊組成。微處理器選用ATMEL公司的ATMELGAl28L，射頻芯片選用NORDIC公司的nRF24L01。采用節(jié)點定時打開與關閉的協議且打開與關閉的時間比為1:99。充分考慮節(jié)能和擴展性的需求，系統(tǒng)支持多種目標文件格式。

1  引言
    煤炭是我國重要的能源資源，我國的煤炭工業(yè)多數還靠人工開采，安全隱患多， 因為煤礦開采的特殊環(huán)境，容易發(fā)生事故，煤礦行業(yè)也被稱為高危險的行業(yè)。利用遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，地面或中心監(jiān)控人員可以直接對井下情況進行實時監(jiān)控，不僅能直觀地監(jiān)視和記錄井下工作現場的安全生產情況，并能通過在井下安裝溫濕傳感器瓦、斯探測器等，及時地發(fā)現事故苗頭，防患于未然。我們的研究課題是， 將無線傳感器網絡技術[1]融入視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，取代原來的有線網絡。隨著礦井延深，無線傳感器網絡的節(jié)點可以很方便的增加，形成新的自組網絡，通過無線通信節(jié)點將數據經多跳傳送到基站。

2  節(jié)點的硬件設計
    傳感器節(jié)點的硬件結構主要由傳感模塊、處理模塊、通信模塊和電源模塊組成。傳感器節(jié)點一般采用電池供電，節(jié)能成為設計的關鍵技術，一般要保證節(jié)點電池壽命在一年一上。此外，還要控制成本和體積。設計的節(jié)點硬件框圖如圖1所示。

2．1  微處理器模塊
    微處理器選用ATMEL公司的ATMELGAl28L。該芯片功耗低，且有多種睡眠模式；多個中
斷源，53個I/O口，可以連接多個傳感器擴展口；內帶8路 10位A／D轉換器，可以將傳感器送來的模擬信號轉換為數字信號；雙向I2C串行總線接口；主/從SPI串行接口；可編程串行通信接口；JTAG和SPI 在線編程方式等。該芯片的豐富資源可以滿足節(jié)點數據處理和傳輸的要求，尤其是六種不同的睡眠模式，特別適合有能量限制的應用。

    存儲器存放待處理或接收的數據．選用Mierochip公司的25AAl024。該芯片的存儲量為1024KB，功耗低，讀寫方式為SPI，占用I/O口少。節(jié)點索引號產生器選用MAXIM公司的DS2411，用來產生48位隨機數，作為節(jié)點的惟一標識號。

2．2  射頻模塊
    射頻芯片的選取直接影響節(jié)點的功耗，因為節(jié)點消耗能量的近2／3都用于無線收發(fā)。選用的射頻芯片為NORDIC公司的nRF24L01。該芯片功耗低，在相同工作模式下，比Chipcon公司的CC2420芯片節(jié)省近l/3的能量；工作于2.4G～2.5GHz ISM頻段；支持高速跳頻；體積很??；外圍器件少，配置簡單，且使用兩層PCB板，節(jié)省成本。nRF24L0l配置框圖如圖2所示。[nextpage]

    nRF24L01與微處理器相連只需6根信號線，其中4根是SPI信號線，與ATMELGAl28L的SPI口相連；其余一根為片選，另一根用于中斷請求。

    射頻電路要取得好的RF性能，PCB設計必須合理。nRF24L01的供電電源必須經過良好的濾波，并且與數字電路分開；避免長距離走線；在射頻信號輸出部分，根據發(fā)送功率設置濾波網絡，以實現阻抗匹配，使到達天線的信號最強。要防止高頻信號泄漏，否則會對發(fā)射信號造成很大干擾。由于天線要散播電磁能量，需選用Q值較小的器件。制作PCB板時，在器件周圍覆銅，以提高抗干擾性能。

2．3  傳患器模塊和擴展口
    板上設有tp-1.1a 非加熱低功耗甲烷氣體傳感器[2]，由于是模擬信號，需接入ATMELGAl28L的AD引腳進行AD轉換后才可處理。板上還裝有數字型溫濕度傳感芯片SHT15，可感知溫度和濕度，精確度較高，且功耗低，采用I2C讀寫，占有I/O口很少。

    為了讓節(jié)點具有更廣泛的應用，節(jié)點板上接有擴展口，其中有I2C口、AD口和中斷口等，用來連接其他傳感器。

2．4  電源摸塊和電能消耗
    節(jié)點有兩種供電方式，在實驗室調試和測試時通過開發(fā)板供電，在外界環(huán)境中工作時，用2個AA電池供電。為了防止2個電源之間的干擾，在板上加有一個手動開關。

    因為電能的消耗決定了傳感器節(jié)點的使用壽命，在節(jié)點的軟、硬件設計時，必須充分考慮能源的有效性。節(jié)點在各種運行模式下，必須關閉不必要的模塊以節(jié)省能量。我們采用節(jié)點定時關閉和打開的協議[3，4]且關閉與打開的時間比為1:99，使用2節(jié)1000毫安時(mAhr)的AA電池供電，節(jié)點耗能如表1所示。

    在上述工作模式下，如果用2節(jié)1000mA-hr的AA電池供電，則節(jié)點壽命為12．55個月。此值是在最大發(fā)送功率情況下計算的。當發(fā)送功率和收發(fā)速率變小時，耗能更少，傳感器的壽命會更長[5]。[nextpage]

3 開發(fā)板的硬件設計
    為了完成節(jié)點的開發(fā)，我們設計了開發(fā)板，其硬件系統(tǒng)框圖如圖3所示。節(jié)點CPU的JTAG口接在開發(fā)板上。如果使用JTAG口下載和調試程序，則需要JTAG下載器。為此，設計了另一種下載方式，即串行下載。CPU通過 USB口接收上位機的代碼，然后通過SPI口下載到節(jié)點CPU的FLASH。CPU為中心控制模塊，接收上位機的各種命令并進行相應處理。CPU芯片選用 ATMEL公司的ATMELGAl6L，該芯片帶有可編程UART口和工作于主機、從機模式的SPI口。

    USB轉換芯片實現上位機端的USB數據與下位機端的UART數據之間的轉換。選用芯片為FT232BM。由于編程板CPU、ATMELGAl28都要通過USB口與上位機通信，為了防止不同輸入輸出信號間的干擾，設計時用了兩個帶有使能控制的BUFFER來控制不同CPU串口通信的通斷。

    為了更方便地配置傳感器節(jié)點，在板上集成了一塊E2PROM。目標代碼可以先存儲在EZPROM中。當需要向節(jié)點下載時，通過按鈕激發(fā)外部中斷即可將E2PROM的代碼通過SPI口寫入節(jié)點CPU。操作方便簡單，擺脫了上位機的限制。

    節(jié)點連接器是17針的節(jié)點與開發(fā)板和擴展傳感器之間的接口，除了編程口和串口，還有連接傳感器的擴展口，包括I2C口、中斷口和AD口等。

    節(jié)點CPU SPI編程共需4根信號線，其中3根SPI通信線與開發(fā)板CPU的SPI口相連，節(jié)點CPU的RESET信號 由開發(fā)板CPU的IO口控制即可。

4  開發(fā)板軟件設計
4．1  上位機程序設計
    用C++ Builder 6．0編寫上位機程序，制作了用戶操作界面，并將不同編譯系統(tǒng)生成的多種目標文件格式轉換成上、下位機約定的文件格式，傳送給下位機。

    為提高向ATMELGAl28L的FLASH和E2PROM寫代碼的效率和便于從E2PROM向FLASH寫代碼，上位機傳送給下位機的代碼采用圖4所示的格式。

    圖4中，地址指該段代碼要寫入FLASH的初始地址，包括2字節(jié)的頁地址和l字節(jié)的頁內地址；序列號表示該段代碼是全部代碼中的第幾段；長度指該段代碼的字節(jié)數，不包括地址和序列號。每一地址段代碼都采用圖4的格式。

    上位機程序支持的目標文件格式有：TinyOS、AVRGCC和IAR生成的Intel hex文件。Intel hex是Intel公司提出的一種文件標準，是最常用的目標文件格式之一。[nextpage]

    上位機程序將不同編譯系統(tǒng)生成的不同格式的目標文件轉換成圖4所示的格式，再發(fā)給下位機。上位機操作界面提供了各種命令按鈕，用戶點擊命令按鈕后，上位機即按制定的該命令模式處理協議發(fā)送命令和數據。在傳送文件時，為確保數據傳送不出差錯，采用了停止-等待傳輸協議[6]。上位機發(fā)送約定長度的數據后停止發(fā)送，等接收到下位機發(fā)來的確認標志后再開始發(fā)送。

4．2  下位機程序設計
    下位機接收上位機的命令，完成讀寫FLASH、E2PROM、鎖定位、熔絲位和USB口使用權的切換等功能。由于實現的功能較多，采用了模塊化、自下向上的結構化設計方法。首先按照ATMELCAl28L數據手冊提供的SPI編程算法，用C語言實現了讀寫FLASH、鎖定位和熔絲位等模塊。

    程序設計的一個難點是將接收的上位機發(fā)送的文件寫入FLASH或E2PROM，因為涉及到接收數據和寫FLASH或EZPROM的交互。解決方法是采用停止——等待傳輸協議進行數據傳送[7]。下位機開辟約定數量的緩沖區(qū)，利用中斷接收上位機數據至緩沖區(qū)滿，處理完緩沖區(qū)數據后發(fā)送確認標志，上位機收到確認后再開始下一次發(fā)送。

    寫EZPROM與寫FLASH類似，只是要將接收的地址、序列號、長度也寫入E2PROM。代碼在E2PROM中存放時仍保持表2所示的格式，即段初始地址、序列號、該段長度、數據的格式，以便將E2PROM中存儲的代碼寫入FLASH。

    編寫下位機程序時，依據各模塊分別用子函數實現、模塊間接口清晰、主程序簡單的原則，實現了讀寫FLASH和E2PROM、讀寫鎖定位、從 E2PROM寫FLASH等幾大模塊，主函數接收到命令調用相應模塊即可。當按下中斷按鈕時，中斷程序先檢測FLASH連接，如果檢測成功，則調用從 E2PROM寫FLASH模塊；否則紅燈閃爍指示操作失敗。

5 結論
    本文提出了將無線傳感器網絡技術融入煤礦視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，給出了無線傳感器網絡節(jié)點的組成和設計環(huán)境。研究了延長無線傳感器網絡節(jié)點生命周期的方法。在目前電池安時數還很有限的情況下采用節(jié)點定時開關協議，在滿足煤礦安全要求的情況下，確定開關時間比為1:99，從而使節(jié)點電池的更換周期在一年以上。無線傳感器網絡其節(jié)點擴展的方便性，滿足了煤礦生產中礦井不斷延深的實際要求。本文創(chuàng)新點有三：1.將無線傳感器網絡技術引入煤礦視頻監(jiān)控系統(tǒng)中；2. 給出無線傳感器網絡節(jié)點實現的技術要點；3. 推出了節(jié)點最短壽命。