礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)*

劉 春，孔瑞溪，王 磊，聶和平，連 濤，邱曉暉

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京210046)

隨著國家對(duì)煤礦安全生產(chǎn)工作的日益重視，而且近幾年來，ZigBee技術(shù)在中國迅速發(fā)展，基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)成為業(yè)界的研究熱點(diǎn)，人們通過研究發(fā)現(xiàn)基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)具有數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、組網(wǎng)簡易靈活、設(shè)備成本低、使用壽命長等優(yōu)勢(shì)[1]。ZigBee技術(shù)是一個(gè)具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)，其物理層和媒體訪問控制層協(xié)議基于IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層由ZigBee聯(lián)盟制定。為了充分利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，有必要將已經(jīng)成熟的基于TCP/IP技術(shù)的以太網(wǎng)與ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通過網(wǎng)關(guān)來訪問ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

傳統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)大多是用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)把嵌入式系統(tǒng)的ARM處理器和Linux操作系統(tǒng)加進(jìn)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，能夠更高效、更穩(wěn)定地傳遞來自無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)和來自以太網(wǎng)的用戶控制命令，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)新節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)鏈接[1]。

1 系統(tǒng)概述

無線傳感網(wǎng)對(duì)網(wǎng)關(guān)的要求較高，用傳統(tǒng)的單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，采用具有較強(qiáng)信息處理能力和網(wǎng)絡(luò)功能的ARM9系列芯片S3C2440作為處理器，在Linux2.6.32操作系統(tǒng)下設(shè)計(jì)ZigBee與TCP/IP間通信的網(wǎng)關(guān)。Linux嵌入式系統(tǒng)與ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)有序、高效的工作[1]。

前端采集器ZigBee負(fù)責(zé)采集信息，采集器將溫度、電壓(瓦斯氣體濃度可通過傳感器轉(zhuǎn)換成電壓參量)等數(shù)據(jù)采集后通過無線轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收信息并通過串口將信息傳給ARM，ARM作為網(wǎng)關(guān)一端連接ZigBee組成的無線傳感網(wǎng)，另一端連接以太網(wǎng)，在ARM上又建有基于BOA的Web服務(wù)器，井上接入局域網(wǎng)的客戶端可以通過網(wǎng)頁訪問ARM上的數(shù)據(jù)以及對(duì)井下實(shí)時(shí)的視頻監(jiān)控。ARM可以在井下實(shí)時(shí)顯示溫度、電壓等信息以及控制全網(wǎng)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)礦井下的實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)的整體構(gòu)建如圖1所示。

圖1 ZigBee無線網(wǎng)關(guān)的整體構(gòu)架

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 采集器模塊

采集器模塊采用CC2430芯片，CC2430芯片除了具有符合IEEE 802.15.4規(guī)范的2.4 GHz無線射頻前端,它還在片內(nèi)集成了微處理器,這種在單芯片上集成RF射頻、處理器和內(nèi)存的ZigBee解決方案的優(yōu)點(diǎn)是集成度高、功耗低,它只需要很少的外部元器件就可以實(shí)現(xiàn)無線傳輸[2]。負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理的ZigBee模塊稱之為采集器，如圖2所示。

圖2 采集器模塊

2.2 協(xié)調(diào)器模塊

通過RS232串口與ARM進(jìn)行通信的ZigBee模塊稱為協(xié)調(diào)器。如圖3所示，采集器將采集到的信息無線地發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口與ARM連接。

圖3 協(xié)調(diào)器與ARM連接

2.3 處理器模塊

網(wǎng)關(guān)采用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，基于Linux操作系統(tǒng)本身的易于移植、開源、優(yōu)異的網(wǎng)絡(luò)支持等優(yōu)點(diǎn)，采用ARM9處理器加上Linux操作系統(tǒng)來設(shè)計(jì)ZigBee與TCP/IP間通信的網(wǎng)關(guān)。嵌入式系統(tǒng)與ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，可以更好地控制網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞。

ARM通過串口接收協(xié)調(diào)器傳來的信息，并將信息及時(shí)保存下來。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)ARM的訪問，將ARM通過網(wǎng)線連接至路由器，路由器連接到局域網(wǎng)中，這樣可以更好地?cái)U(kuò)充網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，有效地?cái)U(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)覆蓋面，避免了網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)，降低了安全隱患，具有有線測(cè)量和人工測(cè)量無法比擬的優(yōu)越性[3]。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 處理器與客戶端結(jié)構(gòu)

2.4 服務(wù)器模塊及嵌入式開發(fā)

分析嵌入式TCP/IP協(xié)議的選取原則，采用ARM芯片和網(wǎng)絡(luò)接口控制芯片設(shè)計(jì)以太網(wǎng)接口，通過ARM芯片對(duì)網(wǎng)絡(luò)接口控制芯片DM9000的控制過程和TCP/IP協(xié)議棧處理數(shù)據(jù)包的流程，完成嵌入式TCP/IP系統(tǒng)的開發(fā)。該系統(tǒng)可以將ARM獲得的數(shù)據(jù)按網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)傳輸。此時(shí)ARM又充當(dāng)服務(wù)器的角色，將信息及時(shí)地保存在文件中，然后通過網(wǎng)頁讀取文件，井上接入局域網(wǎng)的客戶端可以通過網(wǎng)頁訪問ARM上的數(shù)據(jù)以及對(duì)井下實(shí)時(shí)的視頻監(jiān)控。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee模塊程序流程圖

先利用IAR Embedded Workbench軟件完成C語言程序的編寫和編譯，然后把程序SimpleCollector燒寫到采集器節(jié)點(diǎn)上，程序主要負(fù)責(zé)信息的采集，把程序SimplSensor燒寫到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上,程序主要負(fù)責(zé)接收協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)以及把數(shù)據(jù)發(fā)送給ARM，最終實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的建立和信號(hào)在網(wǎng)內(nèi)的無線傳輸。

采集器的主要作用是對(duì)溫度、電壓等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的處理，再通過無線信道發(fā)送給協(xié)調(diào)器。首先對(duì)采集器進(jìn)行初始化，包括處理器、協(xié)議棧、中斷、串口等，其流程圖如圖 5所示。

協(xié)調(diào)器的主要作用是組建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)、接受采集器入網(wǎng)、接收采集器發(fā)送來的數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)并通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)至ARM。首先對(duì)協(xié)調(diào)器進(jìn)行初始化，包括處理器、協(xié)議棧、中斷、串口等。協(xié)調(diào)器初始化后新建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽和等待狀態(tài)，當(dāng)收到子節(jié)點(diǎn)（采集器）的入網(wǎng)請(qǐng)求后，協(xié)調(diào)器隨機(jī)給子節(jié)點(diǎn)（采集器）分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址，之后向子節(jié)點(diǎn)（采集器）發(fā)送入網(wǎng)確認(rèn)信息，建立連接，等待接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收成功后發(fā)送數(shù)據(jù)到ARM9。因?yàn)閰f(xié)調(diào)器始終監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，所以協(xié)調(diào)器一直處于正常工作模式。其流程如圖 6所示[3]。

圖5 采集器流程圖

圖6 協(xié)調(diào)器流程圖

3.2 ARM處理器程序流程圖

ARM處理器的工作主要分為兩部分：

(1)將ZigBee傳送過來的溫度、電壓及 ZigBee的地址等數(shù)據(jù)按一定格式存儲(chǔ)在普通文件中。程序采用C語言，主要涉及到ZigBee與ARM之間的串口協(xié)議通信，以及ARM處理器將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)寫到文件中去。

(2)編寫網(wǎng)頁能夠讀取文件數(shù)據(jù)并顯示，在ARM上建立BOA服務(wù)器以支持網(wǎng)頁能被連接在局域網(wǎng)中的客戶端訪問。從網(wǎng)上下載BOA的源碼之后在Linux系統(tǒng)下進(jìn)行編譯，生成可執(zhí)行文件BOA，將其拷貝到ARM開發(fā)板上；網(wǎng)頁主要以html語言完成，能對(duì)文件進(jìn)行讀取。先利用嵌入在HTML中的 JavaScript讀取 fil.txt，其中 fil.txt文件以行的形式存放數(shù)據(jù)，每行依次存放的是設(shè)備名、溫度、溫度值或者設(shè)備名、電壓、電壓值。為了保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，在網(wǎng)頁的頭部設(shè)置每兩秒定時(shí)刷新一次。為了實(shí)現(xiàn)井上接入局域網(wǎng)的客戶端同時(shí)通過網(wǎng)頁訪問ARM上的數(shù)據(jù)以及對(duì)井下實(shí)時(shí)的視頻監(jiān)控，用戶可以選擇觀測(cè)ZigBee的數(shù)據(jù)或者視頻監(jiān)控，有助于提高用戶體驗(yàn)。

本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)已在“礦井監(jiān)測(cè)與應(yīng)急導(dǎo)引系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)”項(xiàng)目中得以使用，取得了較好的效果。經(jīng)測(cè)試，該網(wǎng)關(guān)具有覆蓋范圍廣、靈敏度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確等特點(diǎn)，并且具有很好的實(shí)用性。此外本系統(tǒng)還具有較強(qiáng)的通用性，不僅可以運(yùn)用于礦井下監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛?，還可以用于對(duì)溫度、濕度等信號(hào)的監(jiān)測(cè)，只需把本系統(tǒng)中的瓦斯傳感器換成其他的信號(hào)傳感器就可以使用[4]。

[1]凌興鋒，何小敏.基于 ZigBee的無線網(wǎng)關(guān)解決方案研究[J].微處理機(jī)，2010，31(4)：36-38，42.

[2]ZigBee Alliance.ZigBee Speeifieation[EB/OL].(2006-8-25)[2010-5-4].http：//www.C51rf.com/download/read.aspx?id=4.

[3]王延年，穆文靜.基于ZigBee的無線信號(hào)采集傳輸系統(tǒng)的研究[J].西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，24(4)：510-515.

[4]喬大雷，夏士雄，楊松，等.基于ARM9的嵌入式 ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，23(12-2)：156-158.