物联网通信技术..docx

基于无线传感器网络的煤矿视频监控系统的设计摘要：将无线传感器网络技术融入煤矿视频监控系统中，传感器节点由传感模块、处理模块、通信模块和电源模块组成。微处理器选用ATMEL公司的ATMELGAl28L，射频芯片选用NORDIC公司的nRF24L01。采用节点定时打开与关闭的协议且打开与关闭的时间比为1:99。充分考虑节能和扩展性的需求，系统支持多种目标文件格式。 关键词：无线传感器网络；ATMELGAl28L；nRF24L01；SHT15 　1 引言　　煤炭是我国重要的能源资源，我国的煤炭产业多数还靠人工开采，安全隐患多，由于煤矿开采的特殊环境，轻易发生事故，煤矿行业也被称为高危险的行业。利用远程视频监控系统，地面或中心监控职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]融进视频监控系统中，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，通过无线通讯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、通讯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，还要控制本钱和体积。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；可编程串行通讯接口；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，由于节点消耗能量的近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，节省本钱。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 设计必须公道。nRF24L01 的供电电源必须经过良好的滤波，并且与数字电路分开；避免长间隔走线；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，在器件四周覆铜，以进步抗干扰性能。　　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，需接进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。　　由于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，必须封闭不必要的模块以节省能量。我们采用节点定时封闭和打开的协议[3，4]且封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，假如用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