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基于ZigBee技术的矿井综合监测系统设计与网络节点

基于ZigBee技术的矿井综合监测系统设计与网络节点
基于ZigBee技术的矿井综合监测系统设计与网络节点

摘要

近年来，国内外很多矿山企业开始了数字矿山的建设，很多成熟

的工业监测技术已运用到矿山企业生产中，对保障矿山安全生产发挥

了重要作用。但现有的大多数监测系统彼此孤立、自成体系，传感器

接入不灵活，数据采集的范围窄，同时由于缺乏综合通信平台，矿井

各生产环节联动性差，效率低。

本文针对国内外矿井综合监测系统现状，分析了矿井综合监测系

统的需求，提出了一种基于ＺｉｇＢｅｅ技术的矿井综合监测系统方案，

文中详细叙述了该系统的整体架构和体系结构，分析了系统中数据采

集网络的拓扑结构和工作原理，并结合高速光纤以太网构建了矿井综

合通信平台，为矿山其它子系统提供了数据传输的链路。

文中重点研究了数据采集网络中节点的原理和设计方法，设计了

数据采集终端和网关的软硬件。在硬件设计过程中，重点分析了高频

电路阻抗匹配的重要性，借助史密斯圆图完成了无线模块的阻抗匹

配，同时给出了节点控制主板、传感器、以太网等模块的硬件方案和

设计要点。研究了ＺｉｇＢｅｅ协议的路由算法，针对节点的低功耗需求

对其进行了改进，并在节点上完成了协议栈的移植。同时编写了无线

芯片、温湿度传感器的驱动程序，最后在网关上移植了ＴＣＰ／ＩＰ协议，

并基于该协议制定了一套上层通讯协议和数据组帧方式。

在文章的最后，对所开发的节点进行了组网演示，同时对数据采

集终端进行了功耗测试和分析，结果表明，节点组网灵活，功耗低，

适合矿井应用，整个方案对研发新型的矿井监控系统具有很好的参考

价值。

1、1课题背景及研究意义

矿山生产处在危险复杂的环境中，井下作业的危险系数较高，矿山企业需要

面对各种突如其来的设备故障和自然灾害［１】。近年来国家有关部门虽下大力气整

治矿山安全生产，通过不断努力，近段时期安全状况总体趋于好转，但由于基础

薄弱等原因，生产状况仍不容乐观，矿井安全生产事故仍时有发生，并且井下复

杂地形给矿工撤离和事故抢救带来了极大困难。如何实现矿山管理的现代化、信

息化逐渐成为矿山企业关心的问题【２】。为了有效地监测和管理矿山的安全状态，

采取科学、系统、完整的措施改变我国矿山安全现状及落后面貌，加强矿井安全

生产监控技术及其方法的研究，是目前矿山企业需要解决的迫切问题，建立以灾

害预防、事故营救、电子信息化管理为主要目标的信息智能化矿山管理体系势在

必行。面对现实情况，为确保矿山安全、高效生产和生产过程控制与调度的自动

化，国外在矿山行业提出了数字矿山的概念【３】。国内很多矿山企业也都开始了数

字化的改造，很多成熟的工业监测技术运用到矿山企业生产中，各式各样的监控

系统投入运行，矿山数字化建设的步伐逐渐加快，对保障矿山安全生产发挥了重

要作用。但与国际上发达国家对比差别较大，各种系统相互问不兼容，智能程度

低，主要采集灾害危险因素和信息量及其所带设备数量少，信息传送速度慢，报

警查询速度慢，控制功能弱，或者基本不具备远程控制和智能控制等功能【４】。特

别是现有矿山安全保障系统的预警功能不强，基本上停留在报警而不是预警这样的一个水平上，虽然各种灾害因子的监测和预报技术也有一定程度上的应用，到目前为止还没有形成成熟的技术，没有成为一个完整预警系统的一部分。因此研发新型的矿山安全监控系统，建立完善成熟的矿山危险因子检测、预警技术以及先进的安全生产管理技术依然是亟待解决的问

题【５】。

目前国内矿山安全和生产监测等各种信息的采集和传输网络，基本上都是分

支树型的主从式结构，在控制中心设置主站，井下现场设置多个测控分站。分站与每个传感器之间分别铺设专用电缆，通过模拟信号传输信息，分站采集信息并转换成数字方式后传送给主站。传感器接入不灵活，在矿山开采工作面实现跟进不方便等缺点，成为监控信息采集和传输的瓶颈【６】。井下特别是工作面移动生产设备多，工作条件复杂，用传统方式对工作面安全参数进行监测，需要铺设大量电缆，这些电缆随着开采工作面的推进不断移动，经常会被砸断，影响监测连续性，维护也十分不便。因此现有的井下监测系统对关键参数的采集深度和广度不够，比如温湿度、电力、压力、有毒气体浓度等参数监测不能令人满意。另外，对于安全生产的监管来说，信息快速、实时的收集非常重要，但当前矿山企业管

理部门，信息化装备十分落后，多数还是传统的人工管理，有些甚至根本不具备

计算机报送数据的能力。因此必须采用信息化的手段，利用一种统一的可靠的数

据传输平台，融合矿山各种监视、控制、通讯系统，真正实现矿山全面数字化，

保证矿山企业生产过程的可视化、可控化、可知化【７】。为此，结合国内外的研究现状，并实地调研了云南大红山铜矿，提出了本系统的设计方案。将ＺｉｇＢｅｅ无线传感网络技术应用于矿井安全领域，并与工业以太网络技术相结合，构建矿山综合通信平台，实现了矿井安全综合监测系统。本系统克服了现阶段各种矿山安全监测系统的网络传感器接入不灵活和跟进不方便等困难，也解决了现有监测系统中各种子系统相互独立，不能融合使用的问题。所提出的这套系统设计方案，对矿山生产过程、设备与开采环境等数据实现自动采集。包括温湿度、可燃气体、有毒气体、矿尘、微震、风压、壁压等对矿井安全生产具有重要影响的矿井环境参数的采集；矿井各种运行设备状况数据的采集；人员、矿车行动轨迹数据的采集。实时灵活的无线传感网络确保整个矿井各种信息的数字化。高速的光纤以太网平台为语音通讯、视频监控和数据传输提供了一个稳定可靠的数据链路。本系统是集监测、通讯、预警和日常管理等一体化的综合性智能管理系统，这一设计方案的提出，将为矿山企业的安全生产和日常管理以及事故急救、故障预警开辟一个新的平台。

１．２国内外研究现状

１．２．１数字矿山监控系统研究现状

就数字矿山的研究来看，国外技术要远远领先于国内，国外矿山企业的信息化已经与其他行业站在了同一水平，实现了矿山生产过程的可视、可控、可调和高效率、高安全性与决策的科学化【８１。加拿大从２０世纪９０年代初开始研究遥控采矿技术，目标是实现整个采矿过程的遥控操作，实现了从地面对地下矿山进行控制。加拿大政府拟在２０５０年实现的远景规划中，即将加拿大北部边远地区的一个矿山改造为无人矿井，通过卫星操纵矿山的所有设备实现机械自动破碎和自动切割采矿【９１。芬兰、瑞典等国家采矿业也实施了自己的智能采矿长期规划，内容涉及采矿实时过程控制、资源实时管理、矿山信息网建设、新机械应用和自动控制等多个方面。国内在资源管理数字化、技术装备智能化、过程控制自动化、生产调度可视化及生产管理科学化等方面与发达相比还有相当大的差距，目前仍处于数字矿山建设的起步阶段【ｌｏ】。国外研制矿井监控系统起步较早，大约开始于２０世纪６０年代。２０世纪７０

第一章绪论

年代和８０年代美国、法国和英国等先后研制应用了多种型号的矿井监控系统，如美国的ＳＣＡＤＡ系统、英国的ＭＩＮＯＳ系统、德国的ＴＦ．２００系统、法国的ＣＴＴ６３／４０系统、加拿大的森透罩昂系统等，其中有代表性的一些系统已先后引入我国【ｌｌ】。我国研制矿井计算机监控系统起步较晚，为了加快实现煤矿工业现代化管理的步伐，２０世纪８０年代初期，我国先后从国外引进了数十套监控系统，这些系

统在我国的煤炭行业中发挥了一定作用，也为我国研制矿用监控系统提供了较好的借鉴【１２】。它们虽均为综合型监测系统，但侧重于安全参数的监测和控制，引进这些系统，普遍存在着性价比过低，系统软件特别在文档处理方面，不太符合中国国情等问题。因此，在吸收国际先进技术的基础上，我国相继出现了仿制国外的监控系统，但是这些系统仍存在着不同程度的问题【ｌ３】：（１）监测信息只做简单处理，监控系统缺乏智能化，无法由监测系统进行危险性评价，以获得最优安全生产方案。（２）监测信息网络化程度不高，有关科室人员不能在办公室实时浏览其监控信息。虽然新型监控系统较好地解决了利用计算机网络传输检测结果的问题，但是监测的参数少，而且不能远距离、及时地把监控数据传给上级管理部门，给领导的正确决策带来诸多不便。（３）由于传感器数量少、设置地点不尽合理、设置时间滞后以及监测信息不够全面等问题，目前还不能够完全依靠监测系统的信息进行安全生产管理工作，还大量地采用手工传递和处理信息。（４）数据采集网络的信号传输方式采用的是有线传输，由于布线不便、设备安装的局限性大等因素客观上限制了数据采集的深度和广度，使得传感网络扩展性不强，数据采集的范围窄，其移动性差，难以实现整个矿山生产的实时监测，更无法实现故障预警功能【１４】。

１．２．２ＺｉｇＢｅｅ无线传感网络的研究现状

无线传感器网络（ＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋｓ，ＷＳＮ）是由美国高级国防研究中心用于军事目的提出并实施的，是当前国际学术界和产业界共同关注的前沿研究热点【１５】。典型的无线传感网络如图１．１所示，是一个范围广、自组织、动态性和可靠的网络，由部署在监测区域内大量的廉价集成化微型传感器结点组成，能够通过各类微型传感器相互协作，实时、全方位地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，监测的信息可由自组织的无线通信网络、以多跳中继的方式传送到监控中心，使监测者能够实时准确地获取监测区域的详细信息【ｌ6】在无线传感器网络中，结点可通过飞机布撒，人工布置等方式，大量部署在感知对象内部或者附近。这些结点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息，可以实现对任意地点信息在任意时间的采集、处理和分析。

图１－１典型的无线传感器网络体系结构图

无线传感器网络不同于传统数据网络，众多的关键技术为无线传感器网络的设计和实现提出了新的挑战。一个简洁的、容易实现的、高效的无线通信协议成为了实现无线传感器网络性能成败的关键，因此，一种便宜的、低功耗的近距离无线组网通信技术——ｚｉｇＢｅｅ技术诞型１。７１。２００２年，由Ｉｎｖｅｎｓｙｓ公司、三菱电气公司、摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头组成的ＺｉｇＢｅｅ联盟，合力研发ＺｉｇＢｅｅ技术，到２００４年底，ＺｉｇＢｅｅｌ．０标准版正式公布ｆ埽】。ＺｉｇＢｅｅ技术不同于其他无线通信协议，把低功耗、低成本作为设计的主要目标。ＺｉｇＢｅｅ协议是在ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准的基础上制定了网络层、应用层及安全层，是一个完整的标准协议，已经成为无线传感器网络的国际标准协议（１９１。虽然ＺｉｇＢｅｅ技术诞生不到几年，但发展非常迅速，到目前为止，除了Ｉｎｖｅｎｓｙｓ、三菱电子、摩托罗拉和飞利浦等国际知名的大公司外，该联盟大约已有１５０家成员企业，并在迅速发展壮大。随着规范的制定，ＺｉｇＢｅｅ的发展方兴未艾。目前很多大型的知名的公司纷纷推出自己的ＺｉｇＢｅｅ解决方案，比较著名的有Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ公司、Ｔｉ公司等【２０１。最近ＣＥＬ公司也推出ＺＩＣ２４１０单片ＺｉｇＢｅｅ解决方案。我国现代意义的无线传感网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，１９９９年首次正式出现于中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的信息与自动化领域研究报告中，作为该领域提出的五个重大项目之一【２

１１。随着知识创新工程试点工作的深入，２００１年中科院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，引领院内的相关工作，并通过该中心在无线传感网络的方向上陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目，参加单位包括上海微系统所、声学所、微电子所、半导体所、电子所、软件所、中科大等十余个校所，初步建立传感网络系统研究平台，在无线智能传感网络通信技术、微型传感器、传感器节点、和应用系统等方面取得很大的进展，２００４年９月相关成果在北京进行了大规模外场演示，部分成果已在实际工程系统中使用。国内的许多高校也掀起了无线传感器网络的研究热潮【２２＇２３１。清华大学、中国科技大学、浙江大学、华中科技大学、上海交通大学等单位纷纷开展了有关无线传感器网络方面的基础研究工作。一些企业如中兴通讯公司等单位也加入无线传感器网络研究的行列【２４Ｊ。浙江大学的胡大可教授２００５年开始了ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络研究。国内对ＺｉｇＢｅｅ传感器网络的应用还没有被全面推广，但在石油化工、定位、无线抄表、医疗监护等领域有了应用实例，在矿井中应用ＺｉｇＢｅｅ技术还处于研究阶到２５Ｊ。考虑到矿井的特殊环境和ＺｉｇＢｅｅ技术的一些优点，把ＺｉｇＢｅｅ无线传感器技术应用在数字矿山中监控系统中，可以以最低成本实现各种设备、人员位置信息和运行状态的数据的采集，确保采矿工艺和设备能够充分的发挥应有的效益和效率、降低生产过程中各类事故的发生率、提高生产环境和过程的安全性、增强管理与决策过程的主动性，非常具有研究意义。

１－３论文主要研究内容与方法

根据对云南大红山铜矿生产过程的实地考察，并结合国内外现有矿山监控系统研究现状，针对目前监控系统的一些固有缺点，比如数据采集范围小、布置不方便、随着矿山的开采网络跟进不方便等，本文中提出了一种基于ＺｉｇＢｅｅ技术智能无线传感网络的矿井综合监测系统。并结合高速光纤以太网技术，构建了一个矿井综合通信平台，为矿山其他子系统提供了数据传输的链路，方便其他系统的融合，同时综合分析了基于该平台实现矿井综合监测可行性以及关键技术。随后，在总体构思的础上，对ＺｉｇＢｅｅ协议的组网技术和各种规范进行研究，选取一种合适的组网方式，使之适合矿井现场通讯。重点是研究数据采集系统各功能模块的具体实现，对当前无线射频芯片和嵌入式处理器进行研究，选取合适的芯片进行开发，在硬件设计过程中，重点分析了高频电路阻抗匹配的重要性，借助史密斯圆图完成了无线模块的阻抗匹配，同时给出了节点其他关键模块的硬件方案和设计要点。软件部分主要研究了ＺｉｇＢｅｅ协议的一些关键技术，针对节点的低功耗需求对其路由算法进行了改进，并在节点上完成了协议栈的移植。同时完成了无线芯片、温湿度芯片的驱动程序，最后在网关上移植了ＴＣＰ／ＩＰ协议，并

基于该协议上制定了一套上层通讯协议和数据组帧方式。具体实现ＺｉｇＢｅｅ网络中数据采集模块和Ｚｉｇ，Ｂｅｅ与以太网通讯的网关模块。最后，在搭建好的硬件平台结合上位机软件组网测试系统的运行情况，并对系统的进一步改进提出建议。

第二章基于ＺｉｇＢｅｅ技术的矿井综合监测系统设计

２．１影响矿井安全生产的关键因素分析

矿山的生产是针对位于地下的三维空间中的矿体，矿体周围又有复杂的地质断层，矿山生产的采矿、掘进、通防、机电、运输五个大系统就分布在地下空间中，整个生产过程受瓦斯、一氧化碳、煤尘、涌水、机电、顶板、通风等因素的威胁，复杂的环境条件要求我们随时要注意安全，出现异常能快速准确地定位事故及准确的采取措施【２６１。井下作业的危险系数较高，各种因素相互影响，有效地控制好各种关键因素对矿井安全生产有着重要的意义，总的说来主要有以下几个因素对矿井生产影响最大：

（１）温湿度

随着矿井开采深度的逐步增加，地温也随之升高。地温一旦升高，热害以及

有毒有害气体、粉尘的危害也将随之增大。湿度主要影响静电的积累和粉尘的含

量。在相同条件下，相对湿度越低，也就是越干燥，静电电压越高。静电不仅会

损坏设备，影响操作人员的身体健康，还会给操作人员带来心理上的不安，降低

工作效率。湿度过高，严重降低电路的可靠性，并且粉尘增多。因此不合适的温

湿度都将严重影响作业工人的效率以及他们的身心健康，甚至很可能导致一些矿

井恶性事故的发生，给矿井的安全生产及其日常管理带来了极大的威胁。

（２）瓦斯等可燃气体

瓦斯事故是矿山常见的重大灾害事故，尤其是煤矿生产中，它的发生对矿井

的破坏性大，伤害人员多，社会影响坏，现在一般的矿井都有专门瓦斯浓度传感

器。但现有瓦斯监测系统都是一个独立的子系统，联动性差，监测范围窄。

（３）粉尘（煤尘、矿尘等）

粉尘主要是矿山作业过程中产生，主要影响井下工作人员的身体健康，一般

通过控制温湿度和风速来降低粉尘含量。个体防护也是减少吸入人体粉尘的一项

补救措施。

（４）风速、风压、负压

矿井通风是井下生产的一个重要环节，风速风压的有效控制直接影响了矿山

的安全生产，并间接地影响着温湿度、可燃气体、粉尘的含量，因此需要实时掌

握全矿井的主要通风环节，如主要通风机、局部扇风机等设备、设施状况，各主

要回风巷的风速数值，一旦出现通风状况异常，能够及时采取措施，避免通风事

故的发生和扩大。

７

硕士学位论文

（５）微震

第二章系统总体架构设计

岩体在破坏之前，必然持续一段时间以声波的形式释放积蓄的能型２７１。矿床

开采活动在岩体中引起弹性变形和非弹性变形，在岩体中积蓄的弹性势能在非弹

性变形过程中以震动波的形式被逐步或突然释放出去，这种能量释放的强度，随

着结构临近失稳而变化，导致岩体内部发生微震事件。这种通过分析微震事件产

生的信号（位置、震级等参数）特征，推断开挖过程中的岩体状态和矿岩的力学

行为，估测矿岩是否发生破坏，以实现防止、控制或预测潜在的不稳定岩体，从

而避免危险事故【２引。

（６）矿工、车辆的定位

实时地记录矿工、车辆的位置信息，可以有效地组织生产和调度，并且一旦

发生矿难，可以马上有针对性地实施营救。一旦发生安全事故，可以知道事故区

域工作人员及其数量，保证抢险救灾和安全救护工作的高效运作。另外可以对工

作人员进行实时考勤，不仅可以记录每一个工作人员的入井时间，出井时间，而

且可以绘制工作人员形迹路线图。还可以对进入危险区域的工作人员提出警告，并根据形迹路线图监察巡检人员工作是否到位。

２．２系统功能需求分析

矿山安全管理是一项复杂的系统工程，它是以环境、机械、设备、产品、原材料以及相关的人和环境等综合系统为管理对象，最终的目的是保护人和生产资料的安全【２９１。本系统正是为了矿山的高效安全生产而设计，结合矿山生产过程的实际需求和综合监测系统的一些基本功能，本系统应该具有以下几个功能：

（１）监测一些关键的环境参数，包括温湿度、可燃气体、有毒气体、矿尘、微震、风压风速等环境参数。

（２）监测机电设备的运行状态。包括工作电流、工作电压等参数。

（３）监测矿工、车辆的运行轨迹。

（４）监测井上变电所、中央变电所及采区变电所电网电压、负荷电流、功率、电度等电量参数。

（５）识别和分析其它相关的监测数据。对采集的二次数据，与专家信息库结合，应用相关理论与算法对事件进行分析。

（６）报警与预警，如瓦斯、温度、一氧化碳超限、电流超限等报警，对可能发生的警情进行预警。

（７）报警信息的显示与提示，如报警值、地点、报警时间、声音提示等。

（８）根据警情，联动控制，保证最短时间内排除警源。

（９）对上级部门发布数据，实现矿井的远程监测。

２．３系统设计原则

针对上述需求，考虑到矿井监测复杂、内容多、监测环境恶劣、监测周期长等特点，系统研制应遵循以下原则：

（１）精确性

准确地反映出矿井安全状态及外部环境的变化，系统测量精度应满足一定的要求。

（２）实时性

实时性是指系统的各项处理与被监测对象变化速度的适应能力。这里强调的是适应，而不是越快越好。为保证在矿井安全状态及外部环境出现异常时立即报替，系统的测量、通信、处理速度应满足一定的要求。

（３）可靠性

可靠性指系统在一定的条件下和一定的时间内完成预定功能的能力，包括硬件可靠性和软件可靠性。系统可靠性是衡量系统质量的重要指标。当然系统的可靠性既是设计、生产出来的，也是管理出来的。

（４）易用性和可维护性

矿井设备安装非常麻烦，系统必修便于安装、使用和管理。可维护性是指系统发生故障时维修难易程度的一种指标。矿井安全状态监测点一般处于存在淋水、矿尘、有害气体的环境下，给系统维修带来一定的困难。因此，一方面要提高系统的可靠性，少出故障，另一方面，要提高系统的可维性，如设计故障自诊断功能、模块化结构，缩短维修时间【３们。

（５）安全性

安全性是指系统在正常工作或发生故障的情况下，不会对系统本身以及外界事物带来危险或灾难性后果。在矿井安全监测中，由于系统长期处在具有潜在爆炸性气体等环境下，一旦系统出现短路等现象而引起电火花，就会产生危险。因此，安全性设计是监测系统设计的重要

组成部分。

（６）灵活性和可扩展性

灵活性是指系统可根据使用要求灵活配置的能力和与其它系统兼容的能力。扩展性是指系统的规模、功能及处理能力等是否能够在运行后对其方便地添加和升级。采用标准化、网络化、模块化、智能化设计，既可提高系统的可扩展性，也可提高系统的可维性、可靠性。（７）先进性

系统的先进性是对系统以上指标的综合评价，需要先进的软硬件环境、先进的设计技术、完善的设计和分析理论来保障。

２．４ＺｉｇＢｅｅ技术用于矿井监测的优势

ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络显著的优点就是功耗低、网络配置灵活，稳定性强。总的说来，ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络的特点如下：

（１）低速率。ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络的最大传输速率只有２５０ｋｂｐｓ，与其他近距离无线通讯协议不同的是，ＺｉｇＢｅｅ技术专注于低速率传输应用，如智能测控、智能标记和智能电器等应用【３ｌ】。（２）低功耗。由于技术的传输速率低，传输数据量小，因此收发时间短，并且ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络采用了休眠等多种节电的工作模式，可以确保两节五号电池支持长达６个月到２年左右的使用时间。（３）时延短。设备接入网络快。通常时延都在１５ｍｓ到３０ｍｓ之间，因此设备接入网络和数据传送的延时时间很短，适合实时的监测和控制应用。（４）组网方式灵活。ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，构成结构化的网络；网络增加或者删除一个节点、节点位置发生变动、节点发生故障等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作，并且ＺｉｇＢｅｅ网络可组成星状、树状、网状等拓扑结构【３２】。（５）可靠安全。采用ＣＳＭＡ／ＣＡ的避免碰撞机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突：ＭＡＣ层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，因此通信可靠性高。ＺｉｇＢｅｅｅ提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用ＡＥＳ．１２８，同时协议栈的各层可以灵活确定其安全属性【３３】。（６）网络容量大。在每一个信道上最大能存在６５５３６个网络，而每一个网络可以容纳最多可达６５５３６个网络设备，可以说网络容量极其庞大，尤其适用大规模无线传感器网络。ＺｉｇＢｅｅ联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化、军事领域和医用设备控制等【３４１。根据ＺｉｇＢｅｅ协议的特点，ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络应用非常广泛，通常，符合如下条件之一的应用，就可

（１）需要数据采集或监测的网络节点多，节电需要电池供电。

（２）要求传输的数据量不大，而要求设备成本低。

（３）要求数据传输可靠性高，安全性高。

（４）设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块。

（５）地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖。

（６）现有移动网络的覆盖盲区。

（７）使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统。（８）使用ＧＰＳ效果差或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。因此，针对现有矿山监控系统中传感器接入不灵活、跟进不方便、价格贵等固有缺点，把ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络引用到矿井生产综合监测系统中非常实用，利用ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络，使得数据的自动采集、分析和处理变得更加容易，并且能保证整个采集网络可靠性高、采集范围广、布置方便。

２．５系统总体设计

２．５．１设计思路

系统结合ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络和工业以太网，综合利用无线网络的灵活性和光纤网的高速和稳定性，采取统一监测、综合分析的方法，实现对矿井生产过程的综合监测，并且采用多网合一思路，实现一个平台，多个系统公用，保证系统的扩展性。

图２．１系统的工作示意图

整个系统的工作示意图如图２．１所示。具体设计思路如下：通过ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络，对矿山生产过程、设备与开采环境等数据实现自动采集。包括温湿度、可燃气体、有毒气体、矿尘、微震、风压等对矿井安全生产具有重要影响的矿井环境参数的采集：矿井各种运行设备状况数据的采集：人员、矿车行动轨迹数据的采集。实时灵活的无线传感网络确保整个矿井各种信息的数字化，采集到的各种数据通过高速的多媒体综合业务数字网实时传送到地面数据库，结合微震监测技术、岩层与地表沉陷预测技术、矿井防火防暴技术等一系列矿井安全预测技术，以及矿井安全生产准则，对数据进行统一分析，利用各种专家系统和一些规则库对可能存在的安全隐患和灾害进行判断与预测，实时地指导生产过程；对可能存在的安全隐患和灾害做出及时的补救，并做出相应的告警，确保矿井高效安全生产。并采用Ｃ／Ｓ与Ｂ／Ｓ结构相结合的方式，通过代理服务器将企业内部的以太网各种重要的监测信息传送至矿务局的数据库服务器中。利用矿山安全综合监测系统的软件平台，在矿务局工作站中以各种数据表现形式显示各种集成数据，远程访问各矿的数据服务器显示井下的视频数据和警示信息。有利于矿务局领导对煤矿安全生产的有效管理。利用投影仪可以方便的将数据和视频信息投影到大屏幕上，建立矿务局的安全生产监测中心【３５】。利用ＷＥＢ服务器通过与以太网的无缝连接使集成数据可以在国家安全局实现信息共享，工作人员以浏览器的模式来查看煤矿安全生产情况，保证矿山的远程监控。另外利用本方案可以方便加入视频监控和语音通讯功能，为整个矿山的调度和监控提供一个综合通信平台。

２．５．２体系结构设计

矿井综合监测系统是一个集信息技术、电子技术、无线传感网络技术、地理信息技术、矿山安全技术等多种技术与一体的系统，需要涉及安全管理理论、系统理论、协同理论、预警理论等理论，学科交叉性强，体系结构复杂【３６１。根据信息系统的基本体系结构，结合安全监控系统的特殊功能，对本系统的体系结构设计如下：

（１）采集层：本层是系统的最底层，利用ＺｉｇＢｅｅ无线传感网络对整个矿井各种信息进行采集，保证矿山生产的过程和生产环境等状态指标的数字化，为本系统提供巨量的数据。（２）传输层：本层利用高速工业以太网构建通讯链路，确保采集层采集到的巨量数据能够准确快速地传输到地面数据库，地面控制命令能够快速地传到井下。本层还为其他系统的扩展提供通讯链路，简单地说，传输层是连接井下和地面数据的“高速公路”。

（３）存储层：本层对井下采集层采集到的数据进行存储和更新，并存储了大量指标参数信息、事故信息、预警信息等，由数据库、方法库、模型库、专家知识库等组成，为分析决策层提供数据基础。

（４）分析决策层：本层结合存储层提供的巨量采集数据和各种库、规则、模型分析当前的矿井的生产情况，对各种险情进行报警，各种隐患进行预警，并根据警情对井下生产过程进行联动控制，及时地排除险情和隐患。本层并提供事故分析和评价的功能，实现了生产的监测与监测、事故的识别与分析、隐患的分析与报告、警情的预警与防范、信息反馈和事故评价。

（５）展现层：本层与Ｗｅｂ浏览器相连接，实时在线发布各种信息，方便上级管理层察看与监视矿井的安全状况，并实现了矿井的远程监测功能。整个系统的拓扑结构图如图２．２。

图２－２系统拓扑结构图

２．５．３数据采集网络拓扑结构设计

ＺｉｇＢｅｅ网络可以构建成两种网络结构：星状的拓扑结构和对等的拓扑结构，对等的拓扑结构可构成树状网络和网状网络，由于对等机构的灵活性，在无线传感器网络的应用中比较广泛，最常见的应用模式有网状网络和树状网络【３７１。拓扑结构图如图２．３所示。星状网是由一个ＺｉｇＢｅｅ协调点和一个或多个ＺｉｇＢｅｅ终端节点组成的。ＺｉｇＢｅｅ协调点必须是ＦＦＤ，它位于网络的中心，负责发起建立和维护整个网络，其它的节点（终端节点）一般为ＲＦＤ，也可以为ＦＦＤ，它们分布在ＺｉｇＢｅｅ协调点的覆盖范围内，直接与ＺｉｇＢｅｅ协调点进行通信【３引。星形网的控制和同步都比较简单，通常用于节点数量较少的场合。网状网一般是由若干个ＦＦＤ连接在一起组成骨干网。它们之间是完全的对等通信，每个节点都可以与它的无线通信范围内的其它节点通信，但它们中也有一个会被推荐为ＺｉｇＢｅｅ协调点，例如把第一个在信道中通信的节点作为ＺｉｇＢｅｅ协调点。骨干网中的节点还可以连接ＦＦＤ或ＲＦＤ组成以它为协调点的子网【３８１。Ｍｅｓｈ网是一种高可靠性网络，具有“自恢复＂能力，它可为传输的数据包提供多条路径，一旦一条路径出现故障，则存在另一条或多条路径可供选择，但正是由于两个节点之间存在多条路径，它也是一种“高冗余＂的网络。

图２－３ＺｉｇＢｅｅ网络结构拓扑图

树状网络结构中，节点可以采用Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ路由传输数据和控制信息，枝干末端的叶子节点一般为ＲＦＤ［３９】。每一个在它的覆盖范围中充当协调点的ＦＦＤ向与它相连的节点提供同步服务，这些协调点又受ＺｉｇＢｅｅ协调点的控制，ＺｉｇＢｅｅ协调点比网络中的其它协调点具有更强的处理能力和存储空问。树形网的一个显著优点就是它的网络覆盖范围较大，但随着覆盖范围的增大，信息的传输时延会增大，而且同步也会变得比较复杂。系统数据采集网络设计时主要考虑系统的可靠性和稳定性，但同时也要兼顾系统功耗，尽可能的降低系统功耗和成本，所以在简单数据采集场合可运用结构相对简单的星状网络。星状网络所有数据采集终端都要通过协调器完成通讯，如果一个终端需要发送数据给另外一个终端，必须通过协调器中转完成，这种网络协议简单，功耗低，但网络的伸展范围小，可以用在本系统中人员和车辆的区域定位，每个区域布置一个协调器，终端定时发送ＩＤ码完成系统的区域定位功能。监测一些环境状态量设备的关键参数时，需要采集的网络范围广，监测随着矿山的开采，数据采集网络要随时跟进，此时系统中ＺｉｇＢｅｅ数据采集网络采用灵活的对等拓扑结构组建树状网络，在这种网络中，终端也可以是路由器或者协调器，路由主要是有扩展网络节点数量和扩展网络物理距离的功能，系统主要采

用此种拓扑结构，采集网络的结构图如图２．４所示。

图２—４ＺｉｇＢｃｅ数据采集网络的结构图

在一些可靠性要求很高的场合，比如一些关键设备的远程启动和关断，系统

采用高冗余的网状网络，这种网络抗干扰能力强，当网络某传输节点受到干扰或

者其父节点出现故障时，该节点会自动搜寻最近范围旱的其他节点，重新建立连

接，如图２．５所示。不足的是该网络协议复杂，功耗稍高。

２．５．４关键技术分析

图２．５网状网抗干扰示意图

ｂ．选择新的路径组网

本系统集成了多种现代技术，有很多关键技术有待深入研究，主要包括数据

采集技术、数据仓库与分布式管理技术、数据挖掘与知识自我发现技术、实体模

型与虚拟现实技术、智能预警算法等。本文后面章节将对ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网

络数据采集技术进行更深入的研究，在此再对其他几种技术做个简要的介纠彻。

（１）数据仓库与分布式管理技术：针对矿山信息的“五性四多’’（复杂性、海量性、异质性、不确定性和动态性，多源，多精度、多时相和多尺度）特点，为统一管理和共享数据，必须研究一种新型的数据仓库技术，包括矿山数据组织、分类编码、元数据标准、高效检索、快速更新与分布式管理等。

（２）数据挖掘与知识自我发现技术：由于矿山空间信息的上述特点，为了从矿山数据仓库中快速提取专题信息、发现隐含规律、认识未知现象和进行时空发展预测等，必须研究一种高效、智能、透明、符合矿山思维、基于专家知识的数据挖掘与知识发现技术。

（３）实体模型与虚拟现实技术：只有集钻孔、物探、测量、传感等数据与一体进行３Ｄ矿山实体建模，并实现动态数据维护和大规模多细节层次的矿山虚拟，才能对地层环境、矿山实体、采矿活动、采矿影响等进行真实的、实时的３Ｄ可视化再现、模拟与分析。

（４）智能预警算法：通过数据挖掘技术对现场数据进行过滤与二次处理，并结合对应的模型进行综合预测，一旦发现警情，立刻报警。主要预测方法有专家系统、人工智能、故障事故树等预测算法。

２．５．５系统特点

本系统具有较强的灵活性和实用性，通过建立一个综合的监测平台，可以有效地集成各监控子系统，对矿山数字化建设具有一定的实际意义，系统主要特点如下：

（１）利用ＺｉｇＢｅｅ技术建立一个庞大的数据采集网络，实现了整个矿井工作过程和环境的数字化，而且该网络灵活方便，价格低廉，非常适合矿山生产监测。

（２）系统中通过搭建一个矿井到地面数据传输的高速链路，为其他系统的扩展提供基础，结合无线ＷｉＦｉ网可方便地实现语音通讯和视频监控。

（３）建立一个综合监测平台，为指导矿山生产提供决策依据，对可能发生的警情及时报警，减少矿山灾害的发生。

（４）系统采用Ｃ／Ｓ和Ｂ／Ｓ相结合的方式，可以实现矿山的远程监测，确保矿井安全生产，也提高系统的运行效率，增加系统的灵活性、可扩展性和可维护性。

２．６本章小结

本章主要分析了影响矿井安全生产的关键因素，针对矿井综合监控系统的需求，提出了结合ＺｉｇＢｅｅ网络与高速以太网技术实现矿井综合监测系统的具体思路和实现方法，分析了系统实现的框架与关键技术，最后针对矿井生产实际需求设计了ＺｉｇＢｅｅ数据采集网络的拓扑结构，并总结了系统的一些优势。

３．１网络节点功能及原理分析

３．１．１数据采集终端

数据采集终端是ＺｉｇＢｅｅ数据采集网络中应用最多的设备，该终端接有不同的传感器，传感器探测出的数据通过ＺｉｇＢｅｅ无线多跳自组的网络传输给网关设备。数据采集终端是无线传感器网络的基本节点，由处理器和ＲＦ芯片组成，它的体积较小，一般称之为“尘埃”，可大范围布设。ＺｉｇＢｅｅ树状网络结构中的数据采集终端一般为ＦＦＤ设备，该

设备不但要采集数据，还要为其他设备提供路由服务，而处于树状网络结构中叶部的设备可为ＲＦＤ设备，该设备只需采集数据和传输数据，协议简单。两种设备组成部分基本一致，主要包括数据采集模块、数据处理器模块、无线通信模块及电源模块等，如图３．１所示。

图３－１数据采集终端结构框图

３．１．２ＺｉｇＢｅｅ网络与以太网通讯网关

ＺｉｇＢｅｅ网络与以太网通讯网关是用来沟通无线传感器网络与工业以太网的网关设备，主要起两个作用：在ＺｉｇＢｅｅ采集网络中做为主协调器使用，负责设备的注册与基本的网络管理功能；另外网关把接受到的数据经过协议转换，以ＴＣＰ／ＩＰ协议发送至服务器，实现ＺｉｇＢｅｅ网络与以太网的互连。本设备主要由处理器、ＲＦ芯片和网络处理模块等组成，是一个专用的嵌入式系统。每个网关可设置一个固定的口地址，上层服务器通过工业以太网接收终端传过来的数据，从而实现通过口网络实时监测矿井生产的信息。网关工作示意图如图３．２所示。

３．２ＺｉｇＢｅｅ无线模块设计

３．２．１无线模块设计要点

图３－２网关工作示意图

无线模块是整个网络的关键部分，数据采集节点和网关都需要该模块的支持才能顺利通讯，电路设计的好坏直接影响了通讯的距离和可靠性，但是该模块也是整个系统设计的难点，ＺｉｇＢｅｅ网络采用的是２．４Ｇ高频无线通讯，这种高频电路和低速数字电路设计方法完全不同。表３．１总结了它们的差别，可以看出低速数字电路是传输和处理状态，ＲＦ电路是传输和处理功率，所以设计的任务不同，特点也不同，无线模块设计的关键点是天线的设计和阻抗的匹配【４１１。表３－１射频电路和低速数字电路的差别

３．２．２无线芯片选型

ＺｉｇＢｅｅ射频芯片的种类和数量繁多，目前Ｔｉ、Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ等很多公司都开发出工作在２．４ＧＨＺ的ＺｉｇＢｅｅ射频芯片。选用理想的射频芯片可以减少开发难度，

缩短开发周期，降低成本。选择射频芯片应考虑以下几个因素：芯片所需的外围元件数量尽量少。芯片外围元件数量直接决定产品成本，因此应选择外围元件少的射频芯片。在同等条件下，为了保证有效和可靠的通信，应该选用发射功率较高的产品。另外芯片的封装尽量小和管脚数尽量少，较少的管脚以及较小的封装，有利于减少印刷电路板（ＰＣＢ）的面积，适合终端的微型化设计。ＣＣ２４２０是Ｃｈｉｐｃｏｎ公司在２００３年底推出的一款兼容２．４０Ｈｚ的ＩＥＥＥ８０２１５．４的无线射频芯片，后来被Ｔｉ收购。ＣＣ２４２０基于Ｃｈｉｐｃｏｎ公司的ＳｍａｒｔＲＦ０３技术，使用０１８ｕｍ的ＣＭＯＳ工艺生产，具有很高的集成度【４２】。该芯片体积小功耗低，非常适合于家庭及楼宇自动化、工业监控等无线传感器网络的应用系统。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２４ＧＨＺ的频段工作。ＣＣ２４２０只提供一个ＳＰＩ接口与微处理器相连，通过这个接口完成寄存器的设置和收发数据的

任务，可以和微处理器非常方便的配合使用。它是符台ｚｉｇＢｅｅ规范的ＩＳＭ频段射频芯片，具备较高的发射功率和接收灵敏度，传输速率为２５０Ｋｂｐｓ，功耗极低。采用本芯片可以为节点上层ｚｉ９８ｅｅ组网等软件的开发提供基础。因此终端选用该芯片做为无线通讯芯片。ＣＣ２４２０芯片的内部结构如图３－３所示。ＣＣ２４２０有一个低中频接收器，天线接收的射频信号经过低噪声放大器放大，将同相和正交相位信号（旧）降频转换为中频．中频信号只有２ＭＨＺ，此混合Ｉ／Ｑ信号经过滤波、放大、Ａ／Ｄ变换、自动增益控制、数字解调和解扩．最终恢复出传输的正确数据。发射机部分基于直接上变频。要发送的数据先被送入１２８Ｂ字节的发送缓存器中，头帧和起始帧是通过硬件自动产生的。根据ＩＥＥＥ８０２１５．４标准，所要发送的数据流的每４个比特被３２码片的扩频序列扩频后送到ＤＡ变换器。然后，经过低通滤波和上变频的混频后的射频信号最终被调制到２４ＧＨＺ，并经放大后送到天线

发射出去１４３ｌ。

３．２．３阻抗匹配设计

（１）阻抗匹配的重要性

ＲＦ电路的阻抗匹配很重要，阻抗不匹配意味着信号源与负载之间存在电压或功率的反射，电压反射系数Ｉ＇，和ｒ。已根据传输线理论做了定义，为了简化功率传输的讨论，信号源和负载的功率反射系数定义公式（３．１）和公式（３．２），其中Ｙｓ为信号源的功率反射系数，九为负载的功率反射系数，Ｌ为信号源的电压反射系数，Ｌ为负载的电压反射系数，Ｂ．删胁，为信号源端入射功率，Ｂ．咖删为信号源端反射功率，忍肺鼬，为负载端入射功率，最．哪删为负载端反射功率，当Ｌ和Ｙ，等于０时，匹配最理想。

（３．２）

当匹配不合理时，功率在信号源和负载之间来回反射，这将导致额外的功

率损失，假设损失的功率为△Ｐｈ，丫为功率反射系数，则△Ｐｈ与１，有如下关系：

所以阻抗匹配是无线模块设计的关键点，要想以最低功耗完成最远距离的通信，就必须要设计好匹配电路。

（２）阻抗匹配一般方法

①计算机仿真：由于这类软件是为不同功能设计的而不只是用于阻抗匹配，所以使用起来比较复杂。设计者必须熟悉用正确的格式输入众多的数据。设计人员还需要具有从大量的输出结果中找到有用数据的技能。

②手工计算：这是一种极其繁琐的方法，并且被处理的数据多为复数。

⑨经验：只有在Ｉ讧领域工作过多年的人才能使用这种方法，需要非常丰富的射频电路设计经验。

④史密斯圆图：史密斯圆图是由很多圆周交织在一起的一个图。正确的使用它，可以在不作任何计算的前提下得到一个表面上看非常复杂的系统的匹配阻抗，唯一需要作的就是沿着圆周线读取并跟踪数【４５１。史密斯圆图设计匹配电路简单可靠，因此本系统选用该方法进行匹配电路的设计。史密斯圆图是阻抗测量和匹配的主要工具，该图同时包括阻抗圆和导纳圆，如果已知反射系数，可以找到两个圆周的交点从而读取相应的７和ｚ的值。（３）ＣＣ２４２０阻抗匹配

ＣＣ２４２０射频信号的收发采用差分方式进行传输，其最佳差分负载是“５＋】１８０ｆ２，阻抗匹配电路应该根据这个数值进行调整。模块使用单端天线，需要使用平衡月｝平衡阻抗转换电路（ＢＡＬＵＮ，巴伦电路），以达到最佳收发效果。为了降低成本，巴伦电路由成本低廉的电感和电容构成。最佳的匹配参数分布在图３－５史密斯圆图中所标识区域。电路国设计时各电感电容的参数可参考该区域数据适当调整。

３．２．４ＣＣ２４２０外围电路设计

ＣＣ２４２０外围电路并不复杂，其电路如图３－６所示。它的外围电路包括晶振时钟电路、射频输入／输出匹配电路和微控制器接口电路、滤波电路等几个部分，但设计时尽量降低节点体积小，各元件的接地引脚应使用单独过孔，尽量靠近封装引脚接地，去耦电容也应尽量靠近电源脚放置，并通过单独过孔接地。同时，为了抗电磁干扰，把数字电源和模拟电源、数字地和模拟地隔离开来，可采用０欧电阻或磁珠进行隔离。

图３－６ＣＣ２４２０电路图

（１）晶振时钟电路

芯片本振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供。由内部电路提供时需外加晶体振荡器和两个负载电容，电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。例如当采用１６Ｍ晶振时，其电容值约为２２ｐＦ。Ｃ２、Ｃ３是外部晶体振荡器的负载电容。

（２）输入／输出匹配

射频输入／输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入输出阻抗，使其输入输出阻抗为５０欧，同时为芯片内部的ＰＡ及ＬＮＡ提供直流偏置。当使用单极天线等不平衡天线时，为优化性能必须使用不平衡变压器，不平衡变压器可以用分立的电容和电感组成。Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｌ２组成不平衡变压器，Ｌ１和Ｌ３匹配射频输入输出到５０欧，Ｌ１、Ｌ２同时提供功率放大器和低噪声放大器的直流

偏置。

（３）偏置电阻

Ｒ１偏置电阻是电流基准发生器的精密电阻。

（４）电压调节器片上电压调节器提供所有内部１．８Ｖ电源供应。Ｃｌ是电压调节器的负载电容，使得调节器稳定。

（５）电源退耦和滤波

为了得到优良的性能，需要电源退耦，电源退耦电容的尺寸、布局和电源的滤波极为重要，这一点在ＰＣＢ制版中需要注意。

３．３数据采集终端主板设计

３．３．１主要芯片选型

（１）终端设计原则

数据采集终端工作环境恶劣，安装的位置有所限制，并且采用电池供电，因此设计时需要重点考虑以下四个方面：

①尽可能降低功耗：终端采用电池供电，能量有限，但是又要求有较长的生命周期，因此必须要求能量高效利用。数据采集终端的硬件设计直接决定了模块的能耗水平，还决定了各种软件通过优化可能达到的最低能耗水平。通过合理地设计硬件系统，可以有效降低终端能耗。

②尽可能降低成本：在无线传感器网络的应用中，成本通常是一个需要考虑的重要因素。在终端的开发阶段，成本主要体现在软件协议的开发上。一旦产品定型，在产品生产和使用过程中，主要的成本都集中在硬件开发和维护两方面。因此，硬件设计应该根据具体应用的特点来合理选择器件，并使节点易于维护和管理，从而降低开发与维护成本。

③扩展性和灵活性：在不同的应用环境下，硬件配置不同，并且需要连接不同的传感器，这

要求终端具有很好的扩展性和灵活性。接口统一及模块化的设计可以提高其扩展性和灵活性，同时可以降低成本。

④稳定性和安全性：稳定性和安全性需要结合软硬件设计来实现。稳定性设计要求终端的各个部件能够在给定的应用背景下（可能具有较强的干扰或不良的温、湿度条件）正常工作，避免由于外界干扰产生过多的错误数据。但是过于苛刻的硬件要求又会导致终端成本的提高，应在分析具体应用需求的条件下进行权衡处理。此外，关于节点的电磁兼容设计也十分重要。安全性设计主要包括代码安全和通信安全两个方面。在代码安全方面，某些应用场合可能希望保证节点的运行代码不被第三方了解。很多微处理器和存储器芯片都具有代码保护的能力。在通信安全方面，有些芯片能够提供一定的硬件支持，如ＣＣ２４２０具有支持基于ＡＥＳ．１２８的数据加密和数据鉴权能力【蚓。无线传感器网络具有很强的应用相关性，在不同应用环境下传感器节点所需的软硬件均不同。另外，除上述几项要求之外，还该考虑体积、便于安装布置等方面的要求。

（２）各模块硬件方案

综合考虑上面的设计原则，权衡处理，终端各个功能模块的选择采用如下方案：

①主控模块采用ＡＶＲ系列处理器。ＡＶＲ单片机是由ＡＴＭＥＬ公司研发出的增强型内置Ｆｌａｓｈ的精简指令集高速８位单片机。ＡＶＲ的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。ＡＶＲ单片机硬件结构采取８位机与１６位机折中策略，提高了指令执行速度，克服了瓶颈现象，增强了功能。同时减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。故ＡＶＲ单片机在软／硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平衡，使得ＡＶＲ单片机具有可靠性高、功能强、速度快、功耗低、价位低的特点，是一款高性价比的单片机。ＡＶＲ单片机内嵌高质量的Ｆｌａｓｈ程序存储器，擦写方便，便于产品的调试、开发、生产、更新。内嵌使用寿命较长的ＥＥＰＲＯＭ可长期保存关键数据，避免断电丢失。片内大容量的ＲＡＭ不仅能满足一般场合的使用，同时也更有效的支持使用高级语言开发系统程序，并且ＡＶＲ单片机在国内使用非常广泛，易于采购【４７】。

图３－７ＡＴｍｅｇａｌ２８Ｌ结构框图

考虑到ＺｉｇＢｅｅ协议全协议栈软件需要３２ＫＢ的Ｆｌａｓｈ程序存储空间，并且不同的传感器应用程序也需要一定的Ｆｌａｓｈ空间，因此选取ＡＶＲ系列中ＡＴｍｅｇａｌ２８Ｌ作为微处理器模块。ＡＴｍｅｇａｌ２８Ｌ单片机是ＡＴＭＥＬ推出的ｍｅｇａ系列ＡＶＲ单片机中的代表产品之一，是ＡＶＲ系列中功能最强大的单片机之一。该器件以ＡＴＭＥＬ的高密度、非易失性的内存技术生产的，采用先进的ＲＩＳＣ结构，绝大部分指令可以在一个时钟周期内完成，运行速度很高。ＡＴｍｅｇａｌ２８Ｌ具有片内１２８ＫＢ的Ｆｌａｓｈ程序存储器，４ＫＢ的ＲＡＭ数据存储器（可外扩到６４ＫＢ）和４Ｋ１３的ＥＥＰＲＯＭ［４引。此外，它还有８个１０位ＡＤＣ通道，２个８位和２个１６位硬件定时／计数器，并可在多种不同的模式下工作，８个ＰＷＭ通道、可编程看门狗定时器和片上振荡器、片上模拟比较器；ＵＳＡＲＴ、ＳＰＩ、１２Ｃ总线接口、ＪＴＡＧ接口，为开发和调试提供了方便。除了正常操作模式外，还具有六种不同等级的低能耗休眠模式，每种低能耗休眠模式具有不同的能耗，该芯片非常适合作为ＺｉｇＢｅｅ数据采集终端的微处理器。ＡＴｍｅｇａｌ２８Ｌ的结构框图如图３．７所示。

②传感器模块方面，选用一些矿井常用的传感器做为样品开发，主要包括温湿度传感器ＳＨＴｌｌ、电源电压电流监测电路、瓦斯传感器模块。传感器模块尽量选用１２Ｃ、单总线、ＵＡＲＴ、ＳＰＩ等标准接口，便于与控制主板连接，传感器模块电路设计部分较为简单，关键是需要控制传感器的能耗。

３．３．２主板外围电路设计

ＡＴｍｅｇａｌ２８Ｌ外围电路所需元器件较少，因此外围电路设计并不复杂，主要包括ＩＳＰ程序下载接口、ＪＴＡＧ程序调试接口、晶振接口、电源接口、复位电路等模块电路。另外为了方便外接不同的传感器，特把一些常用的接口引脚引出。为了降低功耗，一些悬空引脚可以接地，不需要的内部资源全部关闭，并且晶振可以根据需要适当地选择低频晶振。整个外围电路设计如图３．８所示。

图３－８ＡＴｍｅｇａｌ２８Ｌ外围电路图

３．２３传感器模块设计

传感器模块可以测量各种物理量和感知环境的，比如温度、湿度、光强、压力、加速度等。目前有很多公司生产了不同种类，参数各异的传感器。所以在设计传感嚣模块时，首先要根据应用需求选择参数、性能台适的传感器，并设计相应的驱动电路及信号处理电路（如放大、滤波等）。在设计过程中要考虑信号的输入、输出特性，接触时对被测物体的影响，防滴滑、防爆、抗干扰、接地处理等。另外在设计传感器的驱动程序时，还要考虑信号的线性化处理等。市场上也存在大量的智能传感器，此类传感器使用更加方便，一般通过标准的总线与单片机通讯。矿井里需要采集的信息非常庞大，比如有毒气体、易燃气体、温湿度、一些设备电压电流信号等，一般都只是传感器接口和应用程序略有不同，此处只给出温湿度传感器ＳＨＴｌｌ使用方法。其他传感器可根据不同类型进行相应的开发。控制主板已经预留出不同的接口。表３－１是目前市场上存在的一些矿用传感器基本参数。

表３－１传感嚣型号厦基本参敷

ＳＨＴｌｌ属于内置ＭＣＵ的智能传感器，使用非常方便，按着数据手册操作即可，与控制主板连接简单，通过产ｃ两线接口与主板通讯，占用Ｉｏ少。ＳＨＴｌｌ的应用使得相关应用系统的设计变得方便、快捷，系统综合也得到了简化，同时系统稳定性、可靠性大为改善。但电路制版对需要注意给ＳＨＴｌｌ预留个隔热槽，如图３－９所示，防止电路板的发热时影响数据检测精度。匪

图３－９ＳＨＴｌｌ电路板隔热槽

３．４ＺｉｇＢｅｅ网络与以太网通讯网关硬件设计

３．４．１硬件方案选取

网关是Ｚｉｇｂｅｅ数据采集网络与以太网之问的桥梁，对稳定性要求很高，处理的任务多，因此需要选取一款高可靠高性能的控制器来设计。本方案以ＴＩ公司提供的ＺｉｇＢｅｅ解决方案ＭＣＵ＋ＣＣ２４２０为基础，结合以太网控制芯片，完成ＺｉｇＢｅｅ网络与以太网的互连。在控制核心ＭＣＵ中运行Ｚ．Ｓｔａｃｋ和精简的ＴＣＰ／ＩＰ协议栈、完成ＺｉｇＢｅｅ报文和以太网报文交换的功能，然后通过网络芯片与ｌ讧射频芯片分别接入以太网和ＺｉｇＢｅｅ网络。考虑到网关对控制器运行速度的要求，本系统的控制器选用ＡＲＭ进行设计。ＡＲＭ是近年来在嵌入式系统有重大影响力的微处理器架构。ＡＲＭ处理器是一种高性能、低成本、低功耗的嵌入式ＲＩＳＣ微处理器，由ＡＲＭ公司设计，然后授权给各半导体厂商生产，它目前已成为应用最为广泛的嵌入式处理器。考虑到矿井通讯网络的环境和实际需求，采用了ＡＴＭＥＬ公司工业级的ＡＴ９１ＳＡＭ７）（２５６微处理器。ＡＭＴＥＬ公司的ＡＴ９１ＳＡＭ７Ｘ２５６是基于３２位ＡＲＭ７ＴＤＭＩ的微处理器，支持实时仿真和跟踪。它在一块芯片上还集成了２５６ｌ①的片内Ｆｌａｓｈ和６４ＫＢ的ＳＲＡＭ，无需外部扩展存储器。芯片内部还集成了ＵＳＢ２．０设备端口，以及丰富的片内外

设资源，一个８通道的１０位ＡＤＣ、１２路的ＤＭＡ、１２Ｃ、ＳＰＩ、ＰＷＭ、实时时钟等众多外围部件，功能强大【４９１。复位控制器可以管理芯片的上电顺序及整个系统。ＢＯＤ和看门狗可以监控器件是否正常工作。片内Ｆｌａｓｈ存储器可以通过ＪＴＡＧ．ＩＣＥ进行编程，或者在利用编程器的并行接口进行编程。另外这款ＭＣＵ具备嵌入式ｌｏ／ｌｏｏ以太网（Ｅｔｈｅｍｅｔ）ＭＡＣ、ＣＡＮ、全速（１２Ｍｂｐｓ）ＵＳＢ２．０，完全是针对广泛的网络化实时嵌入式系统而设计，这一点保证了以太网模块部分的设计变得简单，只需外接一片物理层芯片以提供以太网的接人通道【５们。本系统使用ＲＴＬ８２０１作为以太网的物理层接口芯片。尽管本ＭＣＵ具备又２５６ＫＢＦｌａｓｈ存储空间，但为了网关在与上位机通讯出错或者以太网出现故障时能保存一些现场采集的数据，本系统外接了一个外部存储芯片ＡＴ２４Ｃ０２。

整个网关的硬件电路基本框图如图３．１０所示，网关系统以ＡＴ９ｌＳＡＭ７Ｘ２５６单片机为核心，用ＲＴＬ８２０１网络芯片与符合８０２．１５．４协议的２．４ＧＨＺ芯片ＣＣ２４２０分别接入以太网和ＺｉｇＢｅｅ网络，在加上简单的外围辅助电路，完成了整个硬件电路的设计。

图３．１０硬件结构图

网关的射频模块设计与数据采集终端设计基本一致，只是天线可以根据需要适当选用高增益天线，下面简要介绍单片机外围模块、电源模块、以太网模块、外部存储模块的设计方法。３．４．２单片机外围模块与整体设计

（１）ＡＴ９１ＳＡＭ７Ｘ２５６功能特点

①内部集成ＡＲＭ７ＴＤＭＩ处理器高性能采用３２位ＲＩＳＣ架构高密度１６位指令集，支持嵌入式ＩＣＥ内电路仿真以及调试通讯接口，具有高速２５６ＫＢＦｌａｓｈ，６４ＫＢＳＲＡＭ［５１１。

②集成电源管理控制器（ＰＭＣ），具有电源优化功能，包括慢速时钟模式（低于５００Ｈｚ）和空闲模式，四个可编程外部时钟信号。带有先进中断控制器（ＡＩＣ），可分别单独屏蔽的、具有八个优先级的向量中断源两个外部中断源一个快速中断源，带有伪中断保护。

③调试方便，两线ＵＡＲＴ，支持调试通讯接口中断，可编程禁止ＩＣＥ访问。

④集成一个１０／１００ｂａｓｅ．Ｔ（Ｍｂｐｓ）的以太网口，媒体独立接口（ＭＩＩ）或

精简媒体独立接口（１洲ＩＩ），集成２８字节的ＦＩＦＯ和专门用于收发数据的ＤＭＡ通道【５２１。

⑤具有两个通用同步／异步收发器（ＵＳＡＲＴ），独立的波特率发生器，可以ＩｒＤＡ红外调制／解调，支持ＩＳ０７８１６Ｔ０／Ｔ１智能卡，硬件握手信号以及ＲＳ４８５，ＵＳＡＲＴｌ口支持全Ｍｏｄｅｍ线。

⑥内部集成一个３通道１６位定时器／计数器（Ｔｃ），三个外部时钟输入，每个通道有两个通用Ｉ／Ｏ引脚，双路ＰＷＭ发生器，捕捉／波形模式，递增／递减计数功能，一个４通道的１６位ＰＷＭ控制（ＰＷＭＣ），一个两线接口（ＴＷＩ），只支持主模式，支持所有的两线ＡｔｍｅｌＥＥＰＲＯＭｔ５３１。

⑦支持ＳＡＭ．ＢＡＢｏｏｔ助手，默认Ｂｏｏｔ编程方式，与ＳＡＭ．ＢＡ图形用户界面的接口。

（２）外围电路设计

ＡＴ９１ＳＡＭ７Ｘ２５６外围电路主要包括ＵＳＢ程序下载接口、ＪＴＡＧ接口、晶振接口、电源接口、复位电路等模块电路。为了配合网关节点的操作以及调试，除了维持ＭＣＵ正常工作的电路之外，还需要设计一些辅助电路，包括串口调试电路、功能扩展电路，主要用于网关系统功能的扩展，包括ＡＤ变换，ＩＯ的扩展等和系统的调试。核心外围电路设计

图如图３．１ｌ所示。

图３－１１ＡＴ９１ＳＡＭ７Ｘ２５６主要外围电路

３．４．３电源模块设计

网关的输入电源采用直流网络供电，电压压差大，波动频繁，因此设计稳定可靠的电源电路是系统稳定运行的关键。采用开关电源芯片可以降低系统的损耗、提高系统的效率、降低电源的发热量，同时其带负载的能力也比较强。芯片ＬＭ２５９６．５有９￣４５Ｖ的电压输入范围，输出电压随着温度的变化波动范围小，如图３．１２所示，在常温下电压基本不浮动。并且工作效率高，输出２０Ｖ时可达到９４％的效率，如图３．１３所示。另外芯片具有过热保护和限流功能，外部可关断芯片，因此非常适合本系统。

图３．１２ＬＭ２５９６输出电压图

图３．１３ＬＭ２５９６变换效率图

电路图参考图３—１４。首先对输入电源进行滤波退耦处理，并采用ＴＶＳ电路和可恢复保险进行电路过压和过流保护，ＬＭ２５９６电路中Ｌ１是一个大电感３３ｐＨ，它对于输出电压的稳压有着很大的作用，电容耐压值为５０Ｖ，Ｄ２为快速恢复二极管。另外为了给控制芯片提供３．３Ｖ电压，采用芯片ＡＳｌｌｌ７．３．３设计一个输出电压为３．３Ｖ的稳压器。

图３．１４电源模块电路图

ＡＴ９１ＳＡＭ７Ｘ２５６内部实际上已包含了ＥＭＡＣ模块，ＥＭＡＣ模块使用一个地址检查器，统计与控制寄存器组，接收与传输部件以及一个ＤＭＡ接口实现了一个与ＩＥＥＥ８０２．３标准兼容的以太网ＭＡＣ。图３．１５是该模块的结构副５４１。Ｊ下确利用内部的ＥＭＡＣ模块可以节约硬件成本，并且降低以太网模块编程的难

度。

图３．１５ＥＭＡＣ结构图

ＡＴ９１ＳＡＭ７Ｘ２５６并未提供物理层接口，因此，需外接一片物理层芯片以提供以太网的接入通道。本系统使用ＲＴＬ８２０１作为以太网的物理层接口芯片。ＲＴＬ８２０１是Ｒｅａｌｔｅｋ公司推出的一种单端口网络物理层芯片。它的主要性能如下：具有ＭＩＩ（ＭｅｄｉａＩｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔＩｎｔｅｒｆａｃｅ）媒质独立接口，可用于任何有以太网ＭＡＣ并用双绞线连接的嵌入式系统；符合ＩＥＥＥ８０２．３标准，适合１００Ｂａｓｅ．Ｔｘ、１０Ｂａｓｅ．Ｔ和１０Ｂａｓｅ．ＴＮ传输，收发可同时达到ｌＯＭｂｐｓ的速率，使用ＣＭＯＳ工艺制作以满足低压低功耗的需求，标准电流只需１３５ＭＡ，支持休眠模式，７个ＬＥＤ灯，用于指示连接状态和网络活动情况。它的主要功能包括物理编码子层、物理媒体附件、双绞线物理媒体子层、１０ＢＡＳＥ．ＴＸ编码／编解码器和双绞线媒体访问单元等。该芯片可以简单方便地与ＡＴ９１ＳＡＭ７Ｘ２５６连接【５５】。物理信号的发送和接收端通过网络隔离变压器连接到用ＲＪ４５上。整个模块的电路图见图３．１６。

３．４．５外部存储模块设计

图３．１６网络模块电路图

网关中需要存储一些网络参数比如：ＩＰ地址、子网掩码和网关地址，另外当网关通讯失败或者以太网出现短暂故障时，采集到的数据需要暂时存储在网关中，当网络恢复时再重新上

传，因此需要外部扩展存储空间，并且保证掉电数据不丢失。本系统采用ＡＴ２４Ｃ０２做为外部扩展芯片进行设计。ＡＴ２４ＣＸＸ系列芯片是采用１２Ｃ总线标准的常用串行ＥＥＰＲＯＭ存储芯片，ＡＴ２４Ｃ０２是其中之一，它具有２ＫＢ的存储容量，工作于从器件方式，页写的最大８个字节，而且此系列片内地址在接收到每一个数据字节后自动加１，故装载一页以内数据字节时，只需输入首地址，如果写到此页的最后一个字节，主器件继续发送数据，数据将从该页的首地址写入。该芯片采用１２Ｃ总线，它只需要两根线（串行时钟线和串行数据线）即可在连接于总线上的器件之间传递信息，组成１２Ｃ总线的串行数据线ＳＤ和串口时钟线ＳＣＬ必须经过上拉电阻接到正电源上。ＡＴ２４Ｃ０２与控制器的连接简单，电路图如图３．１７所示：

图３．１７ＡＴ２４Ｃ０２应用电路图

３．５设计要点总结

（１）无线射频模块ＰＣＢ设计的优劣对射频通信性能有很大影响，除了天线的尺寸设计和射频电路阻抗匹配电路设计外，对射频性能产生最大影响的就是ＰＣＢ的抗干扰设计。本模块设计中主要考虑以下几个方面：保证地线的完整性，布线时尽量不分割出大块的地线区域，上层和下层之间用多个过孔连接：引脚的去藕滤波。所有逻辑信号的引脚均通过电容与地进行隔离，电容一端尽量靠近引脚，另外一脚采用通孔就近接地；射频电路附近不要布线，减少对射频微弱信号的电磁干扰；晶振下面仅有地线，保证时钟的准确性；信号线均匀，粗细相同，走线尽量平行；电源线加粗，采用滤波电容，保证电源稳定，波动小。（２）设计以太网模块时，把网络变压器和终端电阻放在距离ＲＴＬ８２０１和ＲＪ４５插座尽量近的地方。晶体不能放在重要信号周围，ＲＴＬ８２０ｌ的ＲＸ、ＴＸ到网络变压器和ＲＪ４５的走线必须对称，平行和靠拢。所有ＲＪ４５的终端引脚（４，５，７，８）和网络变压器必须紧靠在一起通过一颗电阻和０．０１ｕｆ／２ＫＶ电容接到大地上。退藕电容必须足够，保证电源纹波小，系统稳定。（３）矿井主干网络设备采用网络供电，电压波动较大，网关的电源设计必须采用大范围输入设计，并有一定的抗干扰和抗瞬间高压的能力。（４）由于矿井环境潮湿恶劣，所有设备设计时需考虑防水防尘防爆，并保证设备的散热顺畅，这一点需结合设备的工业设计实现。

３．６本章小结

本章主要完成了ＺｉｇＢｅｅ数据采集网络节点硬件设计，具体设计了ＺｉｇＢｅｅ网络中数据采集模块和ＺｉｇＢｅｅ网络与以太网通讯网关，实现了ＺｉｇＢｅｅ网络与以太网无缝连接，为矿井综合监控系统提供了数据链路基础。在设计过程中，重点研究了无线模块阻抗匹配，并借助史密斯圆图完成了ＣＣ２４２０的阻抗匹配设计。

４１开发环境介绍

本系统开发调试都是在集成开发环境ＩＡＲＥｍｂｅｄｄｅｄＷｏｒｋｂｅｎｅｈ中完成的。ｔＡＲＥｍｂｅｄｄｅｄＷｏｒｋｂｅｎｃｈ（简称ｔＡＲＥＷ）是瑞典ＩＡＲＳｙｓｔｅｍ公司推出的一种非常优秀的嵌入式系统开发工具，它使用户能够充分有效的开发并管理嵌入式应用项目，其界面类似于ＭＳＶｉｓｕｍｃ＋＋，可以在Ｗｉｎｄｏｗｓ平台上运行，功能十分完善。ｔＡＲＥＷ中包含了源程序文件编译嚣、项目管理器（Ｐｒｏ］ｅｅｔ）、源程序调试器（Ｄｅｂｕｇ）等，并且为ｃ／ｃ¨\u32534X译器、汇编器、链接定位器等提供了单一而灵活的开发环境。ｔＡＲＥＷ的源级浏览器（ＳｏｕｒｃｅＢｒｏｗｓｅｒ）功能利用符号数据库使用户可以快速浏览源文件，还可通过详细的符号信息来优化变量存储器；文件查找功能可在指定的若干种文件中进行全局文件收索：ｔＡＲＥＷ还提供了对第三方工具软件的接口，允许启动用户指定的应用程序。

图４＿ＩＩＡＲＥＷ开发环境

ＩＡＲＥＷ适用于开发基于８位、１６位以及３２位微处理器的嵌入式系统，集成开发环

境具有统一界面，为用户提供了一个具有最大代码继承能力的开发平台．以及对各种特殊目标的支持。ＩＡＲ公司提出了所谓“不同框架，唯一解决方案”的理念，用户可以针对多种不同的目标处理器，在相同的集成开发环境中进行基于不用ＣＰＵ的嵌入式系统应用程序的开发，有效提高工作效率，节省工作时间。ＩＡＲＥＷ还是一种可扩展的模块化环境，允许用户采用自己喜欢的编译器和源代码控制系统，链接定位器（ＸＬ姗【）可以输出多种格式的目标文件，使用户可以采用第三方软件进行仿真调试。编译器、汇编器和链接器也可在命令行上运行，用户可以在一个已建立好的项目中把它们作为外部工具使用【５６１。整个ＩＡＲ开发环境如图４．１所示。

４．２ＺｉｇＢｅｅ协议开发

４．２．１ＺｉｇＢｅｅ协议架构简介

ＺｉｇＢｅｅ协议是建立在ＬＥＥＥ８０２．１５．４标准基础之上的，ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准定

义了物理层（ＰＨＹ层）和媒介层（ＭＡＣ层），ＺｉｇＢｅｅ联盟在此基础上建立了网络层（ＮＷＫ层）以及应用层（ＡＰＬ层）的安全服务规范。每个层都有一套特定的服务方法和上一层连接，数据实体提供数据的传输服务，而管理实体提供所有的服务类型。每个层的服务实体通过服务访问点（ＳｏｒｖｉｅｅＡｃ鹏ｓｓＰｏｉｎｔ，ＳＡＰ）和上一层相接，每个ＳＡＰ提供大量服务原语来完成相应的操作【５７１。ＺｉｇＢ∞完整的协议栈框架如图４－２所示：

图４－２ＺｉｇＢｅｅ协议栈框架图

４．２．２ＺｉｇＢ∞网络层地址分配机制

ＺｉｇＢｅｅ网络中的每一个节点都有一个１６－ｂｉｔ网络短地址和一个６４－ｂｉｔＩＥＥＥ扩展地址，其中１６－ｂｉｔ网络地址是在节点加入网络时由其父节点动态分配的，这种地址仅仅用于路由机制和网络中的数据传输。加入ＺｉｇＢｅｅ网络的节点通过ＩＥＥＥ８０２．１５．４ＭＡＣ层提供的关联过程组成一棵逻辑树，当网络中的节点允许一个新节点通过它加入网络时，它们之间就形成了父子关系，每个进人网络的节点都会得到父节点为其分配的一个在此网络中唯一的１６－ｂｉｔ网络地址，分配机制如下：规定每个父节点最多可以连接Ｃｍ个子节点，这些子节点中最多可以有Ｒｍ个路由节点，网络的最大深度为Ｌｍ，ｏ是网络深度为ｄ的父节点为其子节点分配的地址之间的偏移量【５引，它的值按照公

式（４．１）计算：

当一个路由节点的。坳鲫为０时，它就不再具备为子节点分配地址的能力，也就是说它就不能够再使别的节点通过它加入网络。

如果一个路由节点的。坳㈣大于Ｏ，它则可以接受其它节点为它的子节点，并为其子节点分配网络地址。它会为第一个与它关联的路由节点分配比自己大ｌ的地址，之后与之关联的路由节点的地址之间都相隔偏移量。坳彻。每个父节点最多可以分配Ｒｍ个这样的地址，为终端节点分配地址与为路由节点分配地址不同，假设父节点的地址为彳朋删，则第甩个与之关联的终端子节点地址式如式（４．２）：

４．２．３ＺｉｇＢｅｅ路由算法

１≤，ｌ≤（Ｃ乙一Ｒ。）

（４?２）

ＺｉｇＢｅｅ网络中采用了Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ与按需距离矢量路由（Ａｄｈｏｃ

ｏｎ．ＤｅｍａｎｄＤｉｓｔａｎｃｅＶｅｃｔｏｒＲｏｕｔｉｎｇ，ＡＯＤＶ）相结合的路由算法，但ＺｉｇＢｅ中所使用的ＡＯＤＶ与自组网中的经典ＡＯＤＶ协议并不完全相同，准确地说是一种简化版本的ＡＯＤＶ－ＡＯＤＶｊｒ（ＡＯＤＶＪｕｎｉｏｒ）。在ＺｉｇＢｅｅ网络中，节点可以按照父子关系使用Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ算法选择路径，即当一个节点接收到分组后发现该分组不是给自己的，则只能转发给它的父节点或者子节点【５９１。显而易见这并不一定是最优的路径，为了提高路由效率，ＺｉｇＢｅｅ中也让具有路由功能的节点使用ＡＯＤＶｊｒ去发现路由，即具有路由功能的节点可以不按照父子关系而直接发送信息到其通信范

围内的其它具有路由功能的节点，而不具有路由功能的节点仍然使用Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ

路由发送数据分组和控制分组。

（１）Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ

Ｃｌｕｓｔｅｒ－Ｔｒｅｅ算法中，节点根据分组目的节点的网络地址计算分组的下一跳。对于地址为Ａ深度为ｄ的ＺｉｇＢｅｅ路由节点，如果满足不等式（４．３），则地址为Ｄ的目的节点是它的一个后代：

Ａ＜Ｄ＜Ａ＋Ｃｓ觑＇ｐ（ｄ一１）

（４—３）

如果确定分组的目的节点是接收节点的一个后代，节点就将分组发送给它的

一个子节点，此时如果满足不等式（４－４）：

Ｄ＞Ａ＋Ｒ。幸。坳（ｄ）

（４－４）

硕士学位论文

第四章ＺｉｇＢｅｅ数据采集网络节点软件设计

则说明口的节点是它的一个终端子节点，这时下一跳节点地址Ⅳ为式（４．５）：

否则Ｎ为公式（４．６）：

Ｎ＝Ｄ

（４．５）

Ⅳ：彳＋１＋ｌ—Ｄ－（Ａ—＋Ｉ）ｌ宰ＣｓＵ＇ｐ（ｄ）

Ｌｏ印（ｄ）Ｊ４．６）

如果目的节点不是接收节点的一个后代，则将分组发送给它的父节点。

（２）ＡＯＤＶｊｒ

ＡｏＤＶｊｒ是一种简化版本的ＡＯＤＶ，它具有ＡＯＤＶ的主要功能，但考虑到降低成本、节能、使用的方便性等因素，简化了ＡＯＤＶ的一些特点：

《网络应用技术基础》课程教学大纲

《网络应用技术基础》教学大纲 课程编号： 课程类型：通识教育课 总学时：32 理论教学学时：16 技能训练学时：16 学分： 2 适用对象： 先修课程：通用信息技术基础 一、教学目标 《网络应用技术基础》课程是我院各专业学生的一门必修公共基础课，涉及面广，影响大，直接关系到各专业人才培养的基本规格要求。本课程的课程定位是以适应本科人才培养为目标，构建课程的知识、能力、素质结构。拓宽非计算机专业学生的计算机网络基础知识，培养学生熟练掌握计算机网络的基本操作技能。具备通过网络获取信息、加工信息、传播信息和应用信息的能力，为他们的自主学习、终生学习以及适应未来工作奠定良好基础。重点突出实践技能，使学生能够运用所学的基础知识，解决实际问题，能在毕业后迅速适应岗位需要、并能在工作岗位上具有可持续发展的再学习能力。使学生将计算机与信息技术用于其工作领域，成为既熟悉本专业知识又掌握计算机应用技术的复合型人才。 本课程学习主要内容包括计算机网络概述，数据通信基础，网络体系结构，TCP/IP协议集，局域网技术，网络互连技术，Internet基础与应用，网络安全等八大部分，贯彻“以学生为中心”的教学思想，让学生自主学习，充分利用网络和多媒体教学资源开展教学。 《网络应用技术基础》是一门注重实践的课程，课堂的理论学习总是需要相应上机练习相配合，为了加强学生对课程内容的理解，需要适当增加有关上机练习环节，以加深学生对计算机知识印象。 通过该课程的技能训练，应使学生达到以下学习目标： 1、具备较强的信息意识，深入了解信息技术的发展变化及其对工作、社会的影响，掌握计算机网络的基本结构与应用； 2、熟练计算机网路的数据通信基础； 3、熟练掌握网络的体系结构； 4、熟练掌握网络TCP/IP协议集；

网络技术应用》全套教案课程

第一课 认识计算机网络
【教学课题】认识计算机网络
【教学目标】：
知识技能：
（1）了解计算机网络的主要功能、分类和拓扑结构；
（2）理解计算机网络的基本概念，
（3）列举并解释网络通信中常用的信息交换技术及其用途。
过程与方法：
（1）学习计算机网络的相关知识。
（2）能利用所学网络知识对实际问题进行分析探讨。
情感态度价值观：
（1）感受网络的神奇作用，激发对网络技术的求知欲，参与网络技术学习的态度。
（2）认识到信息技术飞速发展的同时，推动人类学习，生活方式的深刻变革，了解社会发展和科技进步的相
互作用。
【教学课时】1 课时
【教学环境】：硬件：网络教室，投影仪;软件：多媒体辅助教学软件。
【重点】：计算机网络的功能、组成、定义。
【难点】：计算机网络的组成
【教学过程】：
一、引入
计算机网络技术的发展和普及日益改变着我们的学习和生活，各种各样的网络应用让我们眼花缭乱，因特网
让我们真正体会到信息爆炸的威力……，这节课我们一起来谈谈我们对计算机网络的认识。
二、新课讲授
（一）计算机网络的功能（阅读课本 P2～P3，并填表１－１）
活动一：小组讨论总结我们生活中有哪些地方使用了计算机网络。
活动二：:结合活动一中列举的计算机网络的具体应用实例,总结归纳计算机网络的功能.
总结：计算机网络的应用虽然已经渗透到生活的方方面面,但所有的应用可以归结为三大功能：资源共享、数
据通信和分布处理与分布控制。
（二）计算机网络的组成与定义
活动三：了解学校计算机网络的建设情况。
总结两点：
１、计算机网络组成：
(1)、多台地理上分散的独立计算机系统。
(2)、通信协议。
(3)、传输介质和网络设备。
２、计算机网络是多台地理上分散的独立计算机系统遵循约定的通信协议，通过传输介质和网络设备互相连
接起来，实现数据通信、资源共享的系统。
（四）计算机网络的分类
按覆盖的面积的大小来分：
名称
网络规模大小
局域网 LAN
10 千米以内
城域网 MAN
10 千米到 60 千米以内
广域网 WAN
100 千米以外

互联网应用技术)

《计算机和互联网应用技术》课程教学大纲 课程性质：专业课程 先修课程：《计算机操作基础》《计算机组装与维护》 适用专业：新华—信息技术类专业使用 教材：《计算机和互联网应用技术》，出版社：电子工业出版社，ISBN:978-7-121-08590-1 一、课程的性质与任务 《计算机和互联网应用技术》课程是我院新华信息技术类专业必修课程。通过本课程的学习，使学员可以系统地了解等相关知识，通过项目实践，培养和提高学员建设与管理维护网络信息系统涉及到的各种专业技术的基础知识、各种专业技术在网络信息系统整体框架结构中的地位与作用、各种专业技术之间的相互关系等能力，达到对后续的专业课程学习打下坚实的基础。 二、课程的考核方法 《计算机和互联网应用技术》为课程考试必考课程，采用理论考试方法，即在课程结束后以在线进行考核。 三、课程的目的要求 “目的要求”是指通过教师的讲授及学生的认真学习所应达到的教学目的和要求。结合本课程的教学特点，“目的要求”分为“掌握”、“熟悉”和“了解”三个级别。“掌握”的内容，要求教师在授课时，进行深入的剖析和讲解，使学生达到彻底明了，能用文字或语言顺畅地表述，并能独立做好实验，对网络基础技术进行分析，同时也是课程考试的主要内容；“熟悉”的内容，要求教师予以提纲挈领地讲解，使之条理分明，使学生对此内容完全领会，明白其中的道理及其梗概，在考试时会对基本概念、基本知识进行考核；“了解”的内容，要求教师讲清概念及相关内容，使学生具有粗浅的印象。 四、教学内容 第1章计算机网络基础 [目的要求] 1. 了解计算机网络定义及发展 2. 了解计算机网络的功能 3. 熟悉计算机网络的分类 [教学内容] 1．什么是计算机网络 1.1.计算机网络的定义 1.2.计算机网络的发展 1、面向终端的计算机网络 2、以资源子网络为中心的计算机网络

网络技术及其应用——简答题

网络技术及其应用——简答题 1、简述计算机网络的主要功能，并举例说明？ 数据传输，数据是指数字、文字、声音、图像和视频信号等媒体信息。数据通过通信线路将各种媒体信息从甲地传到乙地。数据传输是计算机网络各 种功能的基础。资源共享，资源包括硬件、软件和数据，通过共享使资源发 挥最大的作用，同时节约成本提高效率。组建计算机网络的根本目的就是资 源共享。协调负载，通过网络来协调工作，分布式信息处理、分布式数据库 依靠协调负载提高效率。网络服务，网络服务包括电子邮件、网上电话、网 络会议和电子商务等。给人们的生活、学习和娱乐带来了极大的方便。 2、计算机网络由哪几部分组成？ 网络设备：是构成网络的节点，包括计算机和网络互联设备。 传输介质：传输介质是把网络节点连接起来的数据传输通道，包括有线传输介质和无线传输介质。 网络软件：网络软件是负责实现数据在网络设备之间通过传输介质进行传输的软件系统。包括网络操作系统、网络传输协议、网络管理软件、网络服务软件、网络应用软件。 3、组成计算网络的基本要素及其作用？ 一个计算机网络是由主机、网络设备、传输介质和网络软件组成。 主机由服务器和工作站，是网络的处理数据的节点。 网络设备包括：网卡、交换机和路由器，实现节点之间的连接和数据传递网线包括：同轴电缆、双绞线、光纤和无线介质，实现信号的传递 软件包括操作系统和网络协议。操作系统是网络管理和事物处理的平台，协议是网络通信的标准。 4、简述三种基本的交换技术及其特点。 三种基本的交换技术是：电路交换、报文交换和分组交换。其特点：（1）电路交换是一种实时交换，处理过程都包括呼叫建立、通信（信息传送）、连接释放三个阶段。（2）报文交换的交换节点采用存储/转发方式对每份报文完整地加以处理，每个报文传送时，没有连接建立/释放两个阶段。（3）分组交换也是一种存储—转发处理方式，其处理过程是需将用户的原始信息（报文）分成若干个小的数据单元（分组）来传送。

计算机网络技术及其应用期末试卷

一、单项选择题 1. 用户资源子网是由( B )组成的。 A、主机、终端控制器、传输链路 B、主机，终端，终端控制器 C、终端、交换机、传输链路 D、通信控制处理机、传输链路 2. 属于集中控制方式的网络拓扑结构是（A ） A、星形结构 B、环形结构 C、总线结构 D、树形结构 3. 中继器的主要作用是（C ） A、连接两个LAN B、方便网络配置 C、延长通讯距离 D、实现信息交换 4. 关于网络体系结构中的分层结构，下列哪一项是正确的( A ) A、分层结构使得网络具有灵活性，易于实现和维护 B、所有的网络体系结构都用想通的层次名称和功能 C、分层结构把多种网络功能组合在同一层中，使用更方便 D、当某一层的具体实现方法发生变化时，必须对相邻层进行修改 5．以下哪个不是数据链路层的功能（D ） A、流量控制 B、差错控制 C、帧同步 D、路由选择 6、关于子网掩码的说法，以下正确的是（A ） A、利用子网掩码可以判断两台主机是否在同一子网中 B、子网掩码代表internet上每台主机的唯一标识 C、子网掩码用于设定网络管理员的密码 D、子网掩码的引入，主要是为了方便记忆 7.介质访问控制MAC是（D ）的子层 A、网络层 B、传输层 C、物理层 D、数据链路层 8.在TCP/IP协议簇中，( C )完成物理地址到IP地址的解析 A、IP B、ARP C、RARP D、TCMP 9.在考虑网络设计方案时，以下说法正确的是（ C ） A、一个局域网中一定要有专用网络服务器 B、无论什么类型网络，其体系结构必须包含OSI模型中的全部7个层次 C、一个局域网中，可以采用交换机进行网络分段 D、局域网中必须使用路由器 10.国际标准化组织ISO制定的开放系统互联基本参考模型有（D ） A、3层 B、4层 C、5层 D、7层 11.信号传输速率单位一般为（B ） A、b B、b/s C、mhz/s D、mps

ZigBee网络拓扑结构显示

实验二ZigBee网络拓扑结构显示 【实验目的】 1、熟悉Qt编写程序的方法； 2、了解Qt显示ZigBee网络拓扑结构的工作原理； 【实验设备】 1、装有RedHat AS5系统或装有RedHat AS5虚拟机的PC机一台； 2、物联网开发设计平台一套； 【实验要求】 使用Qt为ZigBee网络编写拓扑结构； 1、编程要求：使用提供的API函数编写应用程序； 2、实现功能：构建ZigBee网络拓扑结构； 3、实验现象：显示网络的拓扑结构； 【实验原理】 本实验箱针对Qt下，将服务程序的API做了一定的封装，并提供了非常方便使用的接口函数，可以让用户在Qt环境下绘制Zigbee网络的拓扑结构。这些函数都被封装在一个叫做TopologyWidget的类中，它们的详细介绍如下： 【函数原型】void TopologyWidget::SetTopologyArea(const QString &ip, QScrollArea *area); 【功能】设置用来显示拓扑图的滚动区域控件 【参数】ip: 运行服务程序的网关（计算机）的IP地址area: 用来显示拓扑图的滚动区域控件【返回值】无 【头文件】使用本函数需要包含"topologywidget.h" 【函数原型】void TopologyWidget::UpdateTopologyArea(QScrollArea *area); 【功能】立即刷新滚动区域控件中的拓扑图 【参数】area: 用来显示拓扑图的滚动区域控件 【返回值】无 【头文件】使用本函数需要包含"topologywidget.h" 在实际应用中，用户需要首先在界面中放置一个，假设其名称为“scrollArea”，只需要在窗体的构造函数中，完成了setupUi的操作之后，调用TopologyWidget::SetTopologyArea函数即可使拓扑图显示在这个滚动区域中，参考下面的代码。 Widget::Widget(QWidget *parent) : QWidget(parent), ui(new Ui::Widget) { ui->setupUi(this); // 将界面中的scrollArea设置为用来显示拓扑图 TopologyWidget::SetTopologyArea("127.0.0.1", ui->scrollArea); } 【实验步骤】 1.双击打开桌面上的VMware Player。如图 2.1所示；

网络技术应用

1、网络故障排查一般应遵循的原则是什么？ 答排查可分系统软件与硬件两种情况： 软件系统故障导致网络异常 操作系统是否异常。 网卡驱动程序安装是否正确 操作系统中相关网络协议（TCP/IP）是否正确安装。 网络参数设置是否正确。 是否由于系统防火墙阻断了网络连接。 机器是否感染计算机病毒或受到黑客攻击。 硬件故障导致网络异常 网卡是否安插好，电源与状态灯是否闪亮正常。 网线与RJ-45接头是否完好，插接是否牢固。 双绞线（直通线和交叉线）使用是否正确。 交换机、集线器或其它网络设备电源是否接好，状态灯闪亮是 否正常。 网线插接在网络设备端口是否正确，可以采用交换设备端口测 试。 2、FTP命令集中使用什么命令可以显示远程服务器与本地硬盘目录内容？什么命令向服务器批量传送或下载文件可以使用什么命令？ 答：FTP命令是Internet用户最常用的命令之一，不论是DOS还是UNIX 操作系统下使用FTP，都会遇到大量的FTP内部命令。熟悉并灵活应用FTP的内部命令，可以大大方便使用者。常用的FTP命令： 1. FTP IP地址（登录到FTP到服务器中） 2. cd 目录名（进入服务器目录） 3. cd \（退到服务器根目录） 4. cd ..（退回到上一级目录） 5. lcd目录名（进入本机目录） 6. dir（显示服务器目录内容） 7. ！dir（显示本机目录内容） 8. ls（显示服务器文件） 9. mkdir 目录名（在服务器中建一目录） 10. delete 文件名（删除服务器文件） 11. rename 原文件名目标文件名（更改服务器文件名 ） 12. rmdir 目录名（删除服务器目录）

ZigBee和短距离通信的那些事

基于ZigBee的短距离无线通信网络技术 近年来，各种无线通信技术迅猛发展，极大提高了人们的工作效率和生活质量。然而，在日常生活中，我们仍然被各种电缆所束缚，能否在近距离范围内实现各种设备之间的无线通信?纵观目前发展较成熟的几大无线通信技术，往往比较复杂，不但耗费较多资源，成本也比较高，并不适用于短距离无线通信的场合。蓝牙技术的出现使得短距离无线通信成为可能，但是其协议较复杂、功耗高、成本高等特点不太适用于要求低成本、低功耗的工业控制和家庭网络。本文介绍了一种复杂度、成本和功耗都很低的低速率短距离无线接入技术——ZigBee。该技术主要针对低速率传感器网络而提出，它能够满足小型化、低成本设备（如温度调节装置、照明控制器、环境检测传感器等）的无线联网要求，能广泛地应用于工业、农业和日常生活中。 二、ZigBee技术的特点及应用 ZigBee技术主要用于无线个域网（WPAN），是基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的。IEEE802.15.4定义了两个底层，即物理层和媒体接入控制（MediaAccess Control，MAC）层；ZigBee联盟则在IEEE 802.15.4的基础上定义了网络层和应用层。ZigBee联盟成立于2001年8月，该联盟由Invensys、三菱、摩托罗拉、飞利浦等公司组成，如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入，其目标市场是工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本、对数据速率和QoS（服务质量）要求不高的无线通信应用场合。 ZigBee这个名字来源于蜂群的通信方式：蜜蜂之间通过跳Zigzag形状的舞蹈来交互消息，以便共享食物源的方向、位置和距离等信息。与其它无线通信协议相比，ZigBee无线协议复杂性低、对资源要求少，主要有以下特点： 低功耗：这是ZigBee的一个显著特点。由于工作周期短、收发信息功耗较低、以及采用了休眠机制，ZigBee终端仅需要两节普通的五号干电池就可以工作六个月到两年。 低成本：协议简单且所需的存储空间小，这极大降低了ZigBee的成本，每块芯片的价格仅2美元，而且ZigBee协议是免专利费的。

《计算机网络应用技术教程》期中试题

《计算机网络应用技术教程》期中试题 一、填空题（每空1分，共24分，答案写在横线上） 1．按逻辑组成划分，计算机网络是由通信子网和资源子网两部分组成的。 2．开放系统互连参考模型OSI中，共分七个层次，TCP/IP层次模型分为___ 层次，其中最高层为，该层常用的协议有（写出其中两个即可）、。 3．按照网络介质访问协议的不同，计算机网络可以分为：、、令牌总线网。 4．IP地址中，C类地址的网络号长度为位、主机号长度为位。5．网络通信中信号的传输通道称为：信道。 6．信道容量是指信道能够传输信息的最大容量。 7．在IEEE802局域网体系结构中，数据链路层被划分成逻辑链路控制和________介质访问控制___两个子层。 8．IEEE802.3是ethernet 网络的协议标准。 9．局域网MAC层介质访问采用CSMA/CD方法，物理层提供10Mbps与100Mbps速率自动协商功能的局域网称为：。 10．交换式局域网的核心设备是：交换机。 11．常用的有线传输介质有同轴电缆、_______双绞线______和_____光纤________三种。12．数据交换技术可分为电路交换、报文交换和________分组交换_______三种。13．用二进制表示法为11011011 11010010 00000000 00000010的IP地址，若采用点分十进制形式表示为_______________________.0.2_______。 14．网络互连的层次可以分为物理层互连、数据链路层互连、网络层互连和高层互连，网络层的互连设备是路由器。 15．通过域名访问Internet上的主机，域名需要通过通过DNS服务器转换为主机的IP地址。 16．曼彻斯特编码法表示二进制数11001010时波形为。

Internet应用技术资料

1:在In ternet电子邮件系统中，信件在每台计算机之间传送采用什么协议： 1.SMTP 2.TCP/IP 3.ICMP 4.UDP 2：HTML语法中，表单输入控件的值通过控件的哪个属性指定: 1.TYPE https://www.doczj.com/doc/ac7079834.html, * 3. VALUE 4. CHECKED 3:建立电子商务服务系统的核心是： ，V 1.设立电子商务服务器 2.电子商务安全保密服务 3.电子商务的服务公司与银行间建立可靠联系 4.电子商务的服务公司与In ternet间建立可靠的联系 4：最早支持Java的浏览器为: 1.Mosaic 2.Hotjava https://www.doczj.com/doc/ac7079834.html,scape

里： 厂 1.1nput_File '2. Output_File '3. Query_String '* 4. Path 」nfo 1. 文本 2. 图形 3. 图像 4. 动画 1.3层 2.4层 3.5层 4. 6层 8:使用FTP 将多个文件复制到服务器上应使用哪个命令: 1. append 4. IE 5:服务程序向CGI 程序采用路径信息法传递参数时通过哪个环境变 (? 2. mput 6:电子邮件大多数是什么格式: 7： HTML 语法中提供了几个层次的标题命

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