基于低頻射頻識別技術(shù)的礦井人員定位系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)研究報(bào)告

范文范例參考./摘要井下人員定位系統(tǒng)是為了提高煤礦人員管理效率和加強(qiáng)井下與地面信息溝通而設(shè)計(jì)的,該系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)顯示井下工作人員的實(shí)時(shí)位置,并能夠?qū)と说墓ぷ鲿r(shí)間和工作區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。本報(bào)告首先分析了國內(nèi)外井下人員定位技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,并比較了其中的優(yōu)缺點(diǎn)。分析了系統(tǒng)的工作原理,并進(jìn)行了功能劃分。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中采用了模塊化思想,從三個(gè)子系統(tǒng)分別對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。報(bào)告中重點(diǎn)研究了井下的無線通信問題,并選擇了RFID〔射頻識別為井下無線通信方案；在井下與地面的通信方式中選擇了技術(shù)先進(jìn)、性能可靠的CAN總線技術(shù)；在地面監(jiān)控端結(jié)合當(dāng)前的新技術(shù)采用了GIS〔地理信息系統(tǒng)進(jìn)行井下監(jiān)控情況的實(shí)時(shí)顯示。關(guān)鍵字：井下人員定位；RFID；CAN；GIS目錄1緒論61.1煤礦生產(chǎn)管理中的問題61.2本項(xiàng)目研究的意義71.3井下人員定位系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀81.3.1國外研究狀況81.3.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀81.4井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)問題91.5本項(xiàng)目所做的工作102井下人員定位系統(tǒng)的基本原理112.1定位系統(tǒng)概述112.2井下人員定位系統(tǒng)的基本原理113系統(tǒng)的功能劃分143.1井下無線監(jiān)測子系統(tǒng)143.2地面數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)143.3井下與地面通信子系統(tǒng)154井下無線通信子系統(tǒng)設(shè)計(jì)174.1通信的基本知識174.1.1信號的轉(zhuǎn)換與編碼174.1.2差錯(cuò)控制174.1.3多路復(fù)用184.1.4傳輸模式184.1.5傳輸協(xié)議184.2井下人員定位系統(tǒng)無線通信解決方案及對比194.2.1藍(lán)牙<Bluetooth>194.2.2HomeRF194.2.3ZigBee204.2.4RFID〔射頻識別204.2.5WIFI214.2.6無線MESH網(wǎng)絡(luò)214.2.7幾種無線通信方案的比較224.3無線通信方案的確定224.4無線通信子系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)224.4.1基站硬件電路設(shè)計(jì)234.4.2射頻卡硬件電路設(shè)計(jì)424.5無線通信子系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)43基站軟件設(shè)計(jì)434.5.2射頻卡軟件設(shè)計(jì)505井下與地面通信子系統(tǒng)設(shè)計(jì)525.1通信方案及比較525.1.1RS-485525.1.2現(xiàn)場總線525.1.3工業(yè)以太網(wǎng)545.2CAN總線555.2.1CAN總線簡介555.2.2CAN的性能特點(diǎn)555.2.3物理層565.3CAN總線接口電路設(shè)計(jì)565.3.1CAN總線與基站硬件接口電路設(shè)計(jì)615.3.2CAN總線與PC端的硬件接口電路設(shè)計(jì)635.4CAN總線接口電路軟件設(shè)計(jì)685.4.1基站部分CAN總線接口電路軟件設(shè)計(jì)685.4.2PC端CAN總線接口電路軟件設(shè)計(jì)696地面監(jiān)管子系統(tǒng)設(shè)計(jì)717總結(jié)77附錄A781緒論1.1煤礦生產(chǎn)管理中的問題煤礦的生產(chǎn)分為露天開采和地下開采,而我國95%的煤礦開采是地下開采作業(yè),而地下開采的危險(xiǎn)性較之露天開采要大的多。我國煤層自然賦存條件復(fù)雜多變,影響煤礦安全生產(chǎn)的因素眾多,水、火、瓦斯、煤塵、頂板等自然災(zāi)害時(shí)刻都在威脅礦井工作人員的生命安全,都可能是造成事故的客觀因素,礦井重大災(zāi)害及傷亡事故隨時(shí)都有可能發(fā)生。據(jù)調(diào)查煤礦事故占工礦企業(yè)一次死亡10人以上特大事故的72.8%至89.6%<2002~20XX>。近幾年,隨著國民經(jīng)濟(jì)對能源的需求增大,煤炭行業(yè)的開始復(fù)蘇,我國煤炭開采在規(guī)模和產(chǎn)量上都逐年擴(kuò)大,但是通過以上觸目驚心的數(shù)據(jù)我們卻看到煤礦行業(yè)安全生產(chǎn)的形勢非常嚴(yán)峻,造成的損失是極其慘重的。特別是煤礦重大及特大瓦斯<煤塵>災(zāi)害事故的頻發(fā),不但造成國家財(cái)產(chǎn)和公民生命的巨大損失,增加了社會的不穩(wěn)定團(tuán)素,而且嚴(yán)重影響了我國的國際聲譽(yù)。實(shí)際上,這些事故的發(fā)生不是偶然的,它是煤礦生產(chǎn)過程中存在問題的集中暴露,涉及許多方面。既有自然因素、科技投入和研究的不足,也有人為因素以及國家的體制、煤礦企業(yè)管理不善等因素。更讓人擔(dān)憂的是,煤礦井下普遍存在入井人員管理困難,難以及時(shí)掌握井下人員的動(dòng)態(tài)分布及作業(yè)情況,一旦事故發(fā)生,對井下人員的搶救缺乏可靠信息,搶險(xiǎn)救災(zāi)、安全救護(hù)的效率低。目前國家對煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)要求的不斷提高和企業(yè)自身發(fā)展的需要,我國各大、中、小煤礦的高瓦斯或瓦斯突出礦井陸續(xù)在裝備礦井監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的裝備大大提高了礦井安全生產(chǎn)水平和安全生產(chǎn)管理效率。但是,現(xiàn)有的礦井監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測對象主要有兩種,一是環(huán)境安全監(jiān)測：監(jiān)測各種有害氣體及工作面的作業(yè)條件,如瓦斯?jié)舛取⒁谎趸?、氧氣濃度、風(fēng)速、空氣溫度、壓力、粉塵濃度等等；二是生產(chǎn)過程、生產(chǎn)工藝監(jiān)測：監(jiān)測主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)的各種生產(chǎn)參數(shù)和重要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),如煤倉料位、水倉水位、水泵、提升機(jī)、扇風(fēng)機(jī)、壓風(fēng)機(jī)、膠帶輸送機(jī)、采煤機(jī)等運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)等運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)?？梢钥闯?井下礦工并不是現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控對象,他們在井下的位置和運(yùn)行軌跡仍然是不得而知的,一旦發(fā)生突發(fā)性災(zāi)難營救工作將無從下手。礦難事故發(fā)生后,對遇難的井下工作人員生命的搶救成為首要任務(wù),決策指揮人員必須全面分析災(zāi)情及其災(zāi)變趨勢,迅速組織偵察工作,準(zhǔn)確探明事故性質(zhì)、原因、影響范圍、遇險(xiǎn)人員數(shù)量和所在位置,以最快的速度、最短的路線進(jìn)入災(zāi)區(qū),營救災(zāi)區(qū)遇險(xiǎn)人員。然而,目前國內(nèi)煤礦正在使用的該類監(jiān)控系統(tǒng),并不能實(shí)時(shí)提供井下工作人員的具體位置與分布情況等重要數(shù)據(jù),加之井下地形復(fù)雜,國內(nèi)大部分礦井救護(hù)技術(shù)裝備落后,人員素質(zhì)較低,這些都給偵察工作帶來了極大的困難。特別是在搜尋井下遇險(xiǎn)人員的過程中,救護(hù)隊(duì)員只能依靠反映礦井現(xiàn)實(shí)情況的有關(guān)圖紙以及事故現(xiàn)場偵察得來的各種信息展開搶救工作。在缺乏準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的情況下,無法迅速制定出合理、有效的營救方案與措施,結(jié)果錯(cuò)失最佳的營救時(shí)機(jī),甚至是盲目營救。1.2本項(xiàng)目研究的意義面對我國煤礦安全生產(chǎn)的嚴(yán)峻形勢,用高新技術(shù)和先進(jìn)實(shí)用技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),增加科技含量,促進(jìn)產(chǎn)品更新?lián)Q代,提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益,是走新型煤炭工業(yè)化道路的必然選擇。煤礦的現(xiàn)代化管理和煤礦的安全生產(chǎn)是煤炭行業(yè)舉足輕重的大事。在煤炭行業(yè)管理和安全方面,人的管理是一個(gè)十分關(guān)鍵的問題。長期以來,大部分礦井,尤其是現(xiàn)代化的礦井,井下都是連續(xù)生產(chǎn),然而煤礦井下的員工狀況如何,一直是較難查清的問題。到目前為止,即使是我國的現(xiàn)代化礦井的管理,也只能是依據(jù)傳統(tǒng)礦燈管理、領(lǐng)取工作牌等考勤方式來了解下井人員的數(shù)量和情況。隨著無線通信、自動(dòng)識別和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測應(yīng)用領(lǐng)域中的不斷發(fā)展,如何確定災(zāi)害事故中遇險(xiǎn)人員的具體情況和分布位置得到進(jìn)一步地解決。特別是在國內(nèi)射頻識別技術(shù)的引進(jìn)和發(fā)展,使得對下井人員進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤變得可行。利用射頻識別技術(shù)對井下人員進(jìn)行跟蹤定位不僅能方便決策人員快速準(zhǔn)確了解井下遇險(xiǎn)人員的具體分布位置、贏得搶救的寶貴時(shí)間,還可以用于煤礦的日?？记凇⑸a(chǎn)調(diào)度等方面。不僅加強(qiáng)了煤炭行業(yè)的生產(chǎn)與安全管理,使生產(chǎn)調(diào)度及時(shí)、準(zhǔn)確,更得使煤礦的安全生產(chǎn)保障系統(tǒng)大大提高。在建立了井下人員定位系統(tǒng)后,若井下發(fā)生突發(fā)事件,可立即通過地面主機(jī)實(shí)時(shí)查出井下各位置的人員狀況,這樣就能夠做出及時(shí)的搶救決策,使事故損失降到最低。平時(shí)可以用來指揮生產(chǎn)做出優(yōu)化決策,使生產(chǎn)指揮高效。煤礦井下人員定位系統(tǒng)的研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。煤礦井下人員定位系統(tǒng)將在礦井的防災(zāi)、減災(zāi)以及提高生產(chǎn)效率方面發(fā)揮著重大的作用,而高性能的計(jì)算機(jī)礦井監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用前景尤為的廣闊。1.3井下人員定位系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀國外研究狀況國外研制礦井計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)始于20世紀(jì)60年代,為保證煤礦安全生產(chǎn),世界主要產(chǎn)煤國〔如美國、英國、德國、波蘭、前蘇聯(lián)等從50年代開始,陸續(xù)地把監(jiān)測、監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用到安全生產(chǎn)管理上。隨著射頻識別技術(shù)的興起,國外也加快了這一領(lǐng)域的發(fā)展,并成功地將其應(yīng)用到了井下人員定位監(jiān)控系統(tǒng)中。英國的DavisDerbyLimited公司采用最新的無線射頻技術(shù)開發(fā)了專門用于煤礦井下應(yīng)用的多標(biāo)簽讀取系統(tǒng)；戴維斯德比公司在地面和井下RFID系統(tǒng)的開發(fā)、生產(chǎn)、銷售服務(wù)等方面,已擁有十幾年的豐富經(jīng)驗(yàn)；澳大利亞芒特艾薩礦業(yè)公司開發(fā)了一種人員探測系統(tǒng),用于監(jiān)測礦工進(jìn)入危險(xiǎn)地帶；在南非的德里方月<Driefontayne>礦,安裝了一種人員跟蹤系統(tǒng),它使用由澳大利亞ISD公司制造的一種射頻識別系統(tǒng)源信標(biāo)；這個(gè)系統(tǒng)使用頂板安裝的天線,用來監(jiān)控裝在每個(gè)礦工帽上的小型無源信標(biāo)。1990年8月,美國安菲斯公司利用超低頻信號的穿透力研制開發(fā)的世界唯一套可實(shí)現(xiàn)超低頻信號穿透巖層進(jìn)行傳輸?shù)臒o線急救通訊系統(tǒng)<PED,即PersonalEmergeneyDevice系統(tǒng)>在悉尼附近的一所煤礦投入使用。PED系統(tǒng)的先進(jìn)技術(shù)工藝和優(yōu)越的性能得到了礦區(qū)領(lǐng)導(dǎo)的一致肯定。該系統(tǒng)能夠提供一些預(yù)先編制好的緊急信息,這些信息在緊急情況出現(xiàn)時(shí)自動(dòng)生成。該系統(tǒng)可以直接連接現(xiàn)有的監(jiān)控設(shè)備,可以監(jiān)控多種輸入。這些警告信息由礦井工作人員預(yù)先指定,在緊急情況發(fā)生時(shí),可以在最短的時(shí)間內(nèi),將替告發(fā)送給井下全部或相應(yīng)的工作人員。國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀我國監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)起步較晚,自1974年以來,僅有幾種單一的瓦斯監(jiān)測儀器投入使用,如AYJ-1,AWBY-1.2,MJC-100等,實(shí)現(xiàn)了對瓦斯的連續(xù)監(jiān)測。為了加快實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)現(xiàn)代化管理的步伐,我國先后從波、法、德、英、美等國批量引進(jìn)了安全監(jiān)控系統(tǒng)并裝備了部分煤礦,如美國的SCADA系統(tǒng)、英國的MINOS系統(tǒng)、德國的TF200系統(tǒng)、法國的CTT63/40/u系統(tǒng)、加拿大森透里昂系統(tǒng),這些系統(tǒng)在我國煤炭行業(yè)中發(fā)揮了作用,也為我國研制礦用監(jiān)控系統(tǒng)提供了很好的借鑒。國內(nèi)曾由中國煤炭部安全司、中國國際技術(shù)咨詢公司連手與安菲斯公司確定合作關(guān)系,決定三方共同在中國煤炭領(lǐng)域推廣PED系統(tǒng)。1998年,人同礦務(wù)局在人同煤峪口礦安裝了中國第一套PED系統(tǒng)。結(jié)果證明PED系統(tǒng)信號可以穿透巖層傳播并覆蓋到全部生產(chǎn)區(qū),發(fā)出和收到信號準(zhǔn)確率為100%,最遠(yuǎn)穿透距離達(dá)2.80年代后期,在引進(jìn)外國設(shè)備的同時(shí),消化、吸收了制造技術(shù),并結(jié)合我國煤礦的實(shí)際情況,先后研制出自己的監(jiān)控系統(tǒng),如KJ1,KJ2,KJ4,A-1,KJ10,KJ11,KJ22,KT,KJ95及XX工學(xué)院研制的KJ93礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)等,并在我國煤礦大批使用,有的系統(tǒng)已達(dá)到國際先進(jìn)水平。這些系統(tǒng)主要也是側(cè)重于安全參數(shù)的檢測,而沒有對下井人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。隨著自動(dòng)識別技術(shù)在國內(nèi)各行各業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用,國內(nèi)一些煤炭科研機(jī)構(gòu)不斷推出新一代的人員自動(dòng)識別系統(tǒng),并成功應(yīng)用于下井人員的管理。到門前為止國內(nèi)部分礦井,尤其是現(xiàn)代化礦一井都安裝了識別系統(tǒng),用以取代以前依據(jù)礦燈管理來對下井人員進(jìn)行管理。人員識別系統(tǒng)從最初的條形碼、光電孔卡式到現(xiàn)在的指紋、紅外線式考勤形式各不相同,這些技術(shù)裝備利用不同的識別原理對下井人員進(jìn)行監(jiān)控、記錄。XX世紀(jì)潮智能科技有限公司與煤炭科學(xué)研究總院XX分院一起,于20XX8月開始研究"礦井人員跟蹤定位及考勤管理系統(tǒng)",經(jīng)過資料收集、調(diào)研、方案論證、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)室試驗(yàn)、樣機(jī)加工、性能測試、防爆送檢及井下工業(yè)性試驗(yàn)等階段,歷時(shí)近一年半,完成了全部研究內(nèi)容。礦井人員跟蹤定位及考勤管理系統(tǒng)在完成了全部開發(fā)設(shè)計(jì)、樣機(jī)生產(chǎn)加工、實(shí)驗(yàn)室性能測試和防爆檢測檢驗(yàn)后,成套產(chǎn)品于20XX10月在XX松藻煤電集團(tuán)公司二礦、西山焦煤集團(tuán)屯蘭礦、XX離柳焦煤集團(tuán)有限公司朱家店煤礦第二坑口等地進(jìn)行了現(xiàn)場安裝和工業(yè)性試驗(yàn)。我國現(xiàn)在研發(fā)的新型人員定位系統(tǒng)主要以有源射頻卡為基礎(chǔ),提高了射頻卡的使用的方便性,但由于基于射頻識別耦合原理的有效通信距離仍然相對較短。普遍用于遠(yuǎn)距離射頻識別的2.4G頻段的信號對障礙物的穿透力很弱,信號衰減快。而礦山的井巷往往錯(cuò)綜復(fù)雜,環(huán)境十分惡劣,當(dāng)多人同時(shí)經(jīng)過井下同一射頻閱讀基站時(shí),往往出現(xiàn)漏讀率較高,系統(tǒng)穩(wěn)定性不夠等問題。1.4井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)問題井下人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)難點(diǎn)問題：1.礦井下環(huán)境惡劣,通信條件復(fù)雜,并且屬于易燃易爆場所,因此對通信問題提出了嚴(yán)格的要求,而井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)正是井下的通信問題。目前井下人員定位系統(tǒng)多是基于RFID〔射頻識別技術(shù),在井下建立無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),對持有射頻標(biāo)簽的工作人員進(jìn)行位置信號采集,然后送到地面進(jìn)行處理、顯示。但限于發(fā)射功率和通信環(huán)境,井下的無線通信距離較短,又由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,電磁波信號不能有效的穿透巖層,造成無線通信局限在狹窄的巷道中。2.井下人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還必須要考慮電源的供電問題,所有電氣設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格按照煤礦安全操作規(guī)程進(jìn)行。井下與地面的通信可以采用工業(yè)現(xiàn)場總線,增強(qiáng)通信抗干擾能力,同時(shí)滿足通信需求。1.5本項(xiàng)目所做的工作本項(xiàng)目結(jié)合目前定位系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀,主要完成了一下工作：1.采取了低頻射頻RFID+CAN+GIS的設(shè)計(jì)方式,即：利用低頻射頻RFID完成井下的無線監(jiān)測任務(wù),利用CAN總線完成井下與地面的通信任務(wù),利用GIS完成定位系統(tǒng)的顯示任務(wù)。2.在處理井下無線通信的問題時(shí)采取了基站+移動(dòng)站的通信形式。基站按照其覆蓋范圍沿巷道分布,移動(dòng)站以射頻標(biāo)簽的形式附著于井下工作人員的身上,由于基站的安裝位置是確定的,當(dāng)某個(gè)基站捕獲到射頻卡后就可以確定相應(yīng)人員的大體位置。從應(yīng)用需求的角度出發(fā),同時(shí)為了降低成本,系統(tǒng)沒有采用精確定位的方法,而是如前所述的粗略定位方法,定位精度取決于基站的覆蓋范圍。3.系統(tǒng)的電源部分有基站和射頻卡兩個(gè),基站由于安裝在巷道中需要在井下設(shè)立電源箱〔礦用防爆型為其供電。電源箱將井下變電所輸出的高壓經(jīng)過變壓、整流、穩(wěn)壓得到本安供電電源輸出；射頻卡由于采取有源形式〔識別距離較遠(yuǎn),需要設(shè)計(jì)供電部分,可以采用充電電池或者直接從井下工人礦工帽的蓄電池中取電。4.地面的顯示部分采用基于GIS開發(fā)的圖形顯示界面,方便管理,同時(shí)易于整合其他信息資源〔比如地質(zhì)和水文。考慮到井下工作環(huán)境的變化性,采用CAN總線可以方便的擴(kuò)充基站,配合煤礦井下巷道的延伸。2井下人員定位系統(tǒng)的基本原理2.1定位系統(tǒng)概述井下人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的一是為了礦井正常運(yùn)作時(shí)對井下工作人員進(jìn)行管理,另外一個(gè)目的是一旦發(fā)生安全事故可以為救援隊(duì)提供被困人員的位置和狀態(tài)信息,贏取寶貴的救援時(shí)間。因此從這兩個(gè)目的出發(fā)來考慮定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。從目前的應(yīng)用看,定位系統(tǒng)有多種形式。1.GPSGPS〔GlobalPositioningSystem全球定位系統(tǒng)具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便等特點(diǎn),是最常見的一種定位系統(tǒng),主要為船舶、汽車、飛機(jī)等運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行定位導(dǎo)航。GPS定位系統(tǒng)正常工作需要空間部分〔衛(wèi)星、地面控制部分〔主控站、監(jiān)測站、地面控制站和用戶設(shè)備部分〔GPS信號接收機(jī)。定位的基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離,然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)按照定位解算方法進(jìn)行定位計(jì)算,計(jì)算出用戶所在的地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時(shí)間等信息。2.短距離定位技術(shù)短距離定位是相對于全球定位而言的,其工作原理和GPS定位原理都是基于電磁波定位技術(shù)。短距離定位技術(shù)的應(yīng)用范圍一般為幾十公里,其定位系統(tǒng)主要由分布在定位區(qū)域邊緣的基站和定位區(qū)域中的移動(dòng)接收站組成。移動(dòng)站通過測量到基站的距離,然后根據(jù)基站的位置信息按照定位解算方法進(jìn)行計(jì)算,即可計(jì)算出移動(dòng)站在定位區(qū)域中的位置。2.2井下人員定位系統(tǒng)的基本原理由上述可知,GPS定位系統(tǒng)技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛,但對于井下定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)有一定難度。首先由于現(xiàn)有的移動(dòng)通信網(wǎng)的無線信號不能穿透到礦井井下,因此不能直接實(shí)現(xiàn)井下與井上的無線通信,為了通信還要建立井下移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)；另外使用GPS定位系統(tǒng)的成本較高,對于我國這樣一個(gè)煤礦眾多,井下工作人員眾多的國家不太實(shí)用。實(shí)際上井下人員定位系統(tǒng)正是基于短距離無線定位技術(shù),但由于煤礦井下環(huán)境與地面差別較大,信號在傳輸路徑衰減嚴(yán)重,干擾較多,且不易穿透巷道,無線傳輸只能局限在巷道中。目前,井下人員定位系統(tǒng)一般采用在井下巷道中建立多處無線通信基站,由井下的工作人員攜帶無線收發(fā)裝置,以此實(shí)現(xiàn)井下的無線通信。實(shí)際上井下人員定位系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)正是井下的無線通信問題,一旦建立起無線通信系統(tǒng),即可實(shí)現(xiàn)許多附加的功能,其中包括定位功能。圖2-1為井下人員定位系統(tǒng)的原理圖。圖中BS為無線通信基站,基站沿煤礦井下巷道分布,覆蓋井下工作人員的活動(dòng)范圍；MS是移動(dòng)站,即井下工作人員隨身攜帶的無線收發(fā)裝置,能向基站發(fā)送自身ID以識別工作人員；現(xiàn)場總線部分負(fù)責(zé)把所有的基站連接起來和地面進(jìn)行通信,及時(shí)將井下的無線定位數(shù)據(jù)傳送到地面進(jìn)行處理和顯示；地面的處理顯示中心將接收的定位數(shù)據(jù)與基站的實(shí)際物理位置進(jìn)行比對,判斷出對應(yīng)數(shù)據(jù)的位置,再通過查詢?nèi)藛TID號得到人員的位置數(shù)據(jù)。為了直觀顯示結(jié)果可以采用GIS以電子地圖的形式對人員的位置進(jìn)行顯示；遠(yuǎn)程監(jiān)控部分方便各個(gè)管理層及時(shí)了解礦井的工作情況,實(shí)現(xiàn)多級監(jiān)管?，F(xiàn)場總線BS現(xiàn)場總線BSBSBS無線通信MSMSMS避雷器網(wǎng)關(guān)地面處理與顯示中心遠(yuǎn)程監(jiān)控部分礦井巷道地面圖2-1井下人員定位系統(tǒng)的原理框圖圖2-2井下人員定位系統(tǒng)工作示意圖圖2-2為系統(tǒng)的工作示意圖,井下不同的巷道中分別安裝有一些BS〔基站,BS安裝的物理位置是確定的,這樣井下位置就可以反映到電子地圖上。Tag〔電子標(biāo)簽由工人攜帶,工人在巷道中工作時(shí),其攜帶的Tag會被某個(gè)BS所識別到,由于Tag與實(shí)際的工人人員是一一對應(yīng)的,因此BS就能識別出工作人員。當(dāng)BS的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婧?參照BS的物理位置和Tag的人員對應(yīng)列表就可以獲得工作人員的定位信息,同時(shí)可以將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行顯示。3系統(tǒng)的功能劃分由系統(tǒng)的工作原理可以得出系統(tǒng)主要有幾部分功能模塊組成,為了便于對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),根據(jù)系統(tǒng)各部分的工作特點(diǎn),將井下人員定位系統(tǒng)分為三個(gè)子系統(tǒng)：井下無線監(jiān)測子系統(tǒng)、地面數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和礦井上下的通信子系統(tǒng)。在具體設(shè)計(jì)各個(gè)子系統(tǒng)時(shí)可以再將其進(jìn)行功能劃分,以方便模塊化設(shè)計(jì)。3.1井下無線監(jiān)測子系統(tǒng)井下無線監(jiān)測子系統(tǒng)主要由無線監(jiān)測基站和移動(dòng)站兩部分組成。移動(dòng)站中存儲有包含工作人員個(gè)人信息的數(shù)據(jù),基站〔BS通過與移動(dòng)站〔MS通信讀取存儲在移動(dòng)站中的人員信息。然后基站將這些信息傳送到井上的數(shù)據(jù)處理中心,井上的數(shù)據(jù)處理中心根據(jù)井下基站的位置信息,對基站傳送回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,然后得出人員的位置信息。1.基站〔BS的功能：a完成基站〔BS與移動(dòng)站〔MS的無線通信,要求基站具有無線收發(fā)功能。b完成基站〔BS與地面數(shù)據(jù)處理中心的通信,要求基站具有串行通信功能。c完成對移動(dòng)站的通信控制,要求基站具有一定的數(shù)據(jù)處理能力和數(shù)據(jù)存儲功能。2.移動(dòng)站〔MS的功能：a完成移動(dòng)站〔MS與基站〔BS的無線通信,要求移動(dòng)站具有無線收發(fā)功能。b完成基站〔BS指令的數(shù)據(jù)操作,要求基站具有一定的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲功能。3.2地面數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)地面數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)完成對井下采集信息的分析與處理。地面數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)包括：數(shù)據(jù)接收部分,數(shù)據(jù)傳輸部分,數(shù)據(jù)分析計(jì)算部分,數(shù)據(jù)存儲部分,數(shù)據(jù)顯示部分。1.數(shù)據(jù)接收部分?jǐn)?shù)據(jù)接收部分完成地面數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)與井下監(jiān)測子系統(tǒng)通信的接口,主要是將井下傳送來的串行數(shù)據(jù)暫存入計(jì)算機(jī),完成數(shù)據(jù)校驗(yàn)等預(yù)處理,同時(shí)還能接受上層的管理命令,對井下監(jiān)測子系統(tǒng)進(jìn)行控制。2.數(shù)據(jù)傳輸部分為了方便對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并為監(jiān)管部門提供監(jiān)測數(shù)據(jù)需要對監(jiān)測數(shù)據(jù)共享。數(shù)據(jù)傳輸部分主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)在各個(gè)部門之間的共享傳輸,并控制數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新與同步。3.數(shù)據(jù)分析計(jì)算部分考慮到井下無線監(jiān)測部分的數(shù)量很多,若使用數(shù)據(jù)處理功能較強(qiáng)的裝置則系統(tǒng)成本必然很高,因此采用井下無線監(jiān)測加地面數(shù)據(jù)處理的模式。井下部分只完成數(shù)據(jù)的采集任務(wù),減輕井下的數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)。數(shù)據(jù)傳送到地面后,由地面上計(jì)算功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)的計(jì)算分析與處理。地面數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)事先把基站的位置信息存入計(jì)算,當(dāng)接收到井下的監(jiān)測數(shù)據(jù)后,計(jì)算機(jī)根據(jù)已存入基站的位置信息計(jì)算人員的位置,并可對人員進(jìn)行位置跟蹤,工作時(shí)間統(tǒng)計(jì)等。數(shù)據(jù)的分析具體包括：位置信息計(jì)算,人數(shù)統(tǒng)計(jì),時(shí)間計(jì)算,軌跡計(jì)算等。4.數(shù)據(jù)存儲部分井下人員定位系統(tǒng)一方面要實(shí)時(shí)反映井下人員的位置信息,另一方面還要對人員的出勤情況,工作內(nèi)容等進(jìn)行記錄和統(tǒng)計(jì),以方便對人員的管理。同時(shí)數(shù)據(jù)存儲部分還要為顯示部分提供數(shù)據(jù)源,方便通過直觀的顯示畫面查看相關(guān)信息。5.數(shù)據(jù)顯示部分?jǐn)?shù)據(jù)顯示部分完成人機(jī)接口,方便人員查看信息。數(shù)據(jù)顯示部分要能夠?qū)崟r(shí)顯示井下人員的位置狀況,能夠提供歷史信息的查詢服務(wù),能夠接收命令的輸入與執(zhí)行以完成對系統(tǒng)的管理。3.3井下與地面通信子系統(tǒng)該通信子系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成井下與地面的數(shù)據(jù)傳輸,主要有三個(gè)功能模塊：基站接口、傳輸線路和地面端接口。通信可以用RS-485或現(xiàn)場總線等工業(yè)控制中的遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。對該子系統(tǒng)的要求是：系統(tǒng)的容量大、傳輸可靠、協(xié)議簡單、安裝與維護(hù)成本低。1.基站接口接口主要完成基站數(shù)據(jù)到傳輸線路的通信,由于基站主控芯片功能有限,若沒有集成接口則需要設(shè)計(jì)接口電路。2.傳輸線路根據(jù)選定的通信方案來確定傳輸線纜的類型,如果有可能的話可以和井下其它監(jiān)測系統(tǒng)共用傳輸線路,節(jié)省成本。3.地面端接口與計(jì)算機(jī)的通信可以采用標(biāo)準(zhǔn)串口〔RS-232,但傳輸線路卻不能使用RS-232這種計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口,因?yàn)檫@種通信的距離太短〔小于等于15m。因此與基站部分相同,可以設(shè)計(jì)接口將傳輸線路轉(zhuǎn)換為RS-232與PC機(jī)進(jìn)行通信。4井下無線通信子系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1通信的基本知識本報(bào)告中涉及較多的通信內(nèi)容,下面簡單介紹下通信中要考慮的幾個(gè)問題。信號的轉(zhuǎn)換與編碼通常信號有模擬信號和數(shù)字信號之分,模擬信號是在幅值和時(shí)間上都連續(xù)的信號,數(shù)字信號則是在幅值和時(shí)間上都離散的信號。模擬信號和數(shù)字信號都可以用于數(shù)據(jù)通信,但由于二者之間有明顯的差異,其用途也不相同。比如電話網(wǎng)絡(luò)傳送的是模擬信號,而計(jì)算機(jī)總線上傳送的是數(shù)字信號。一般不同的傳輸線路只能傳輸特定的信號,模擬和數(shù)字信號不能同時(shí)傳輸。當(dāng)需要是就要對信號進(jìn)行變換。比如計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號要通過電話網(wǎng)絡(luò)傳輸,就要先將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號,然后再進(jìn)行傳輸。在數(shù)字信號的傳送中,為了使二進(jìn)制"1"和"0"的特性有利于傳輸,需要對信號進(jìn)行編碼幾種比較常見的編碼方法有：不歸零編碼〔NonReturntoZero,NRZ、偽三元碼〔Pseudoternary、曼徹斯特〔Manchester編碼、差分曼徹斯特編碼〔DifferentialManchesterEncoding等。差錯(cuò)控制在數(shù)據(jù)的通信過程中,數(shù)據(jù)傳輸?shù)母鱾€(gè)環(huán)節(jié)都可能產(chǎn)生差錯(cuò),為了保證通信的正常進(jìn)行需要對差錯(cuò)進(jìn)行控制。所謂差錯(cuò)控制是指對于數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)通信線路和通信控制器等產(chǎn)生的差錯(cuò)進(jìn)行控制。實(shí)際系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備和通信控制器本身所產(chǎn)生的誤差很小,因此數(shù)據(jù)通信中的差錯(cuò)主要來自于數(shù)據(jù)通信線路。差錯(cuò)控制方式基本上有兩類：一類是接收端檢測到接收的數(shù)據(jù)有錯(cuò)時(shí),接收端自動(dòng)糾正錯(cuò)誤；另一類是接收端檢測出錯(cuò)誤后不自動(dòng)糾錯(cuò),而是通過反饋信道發(fā)送一個(gè)表示錯(cuò)誤的應(yīng)答信號,要求重發(fā),直到正確接收為止。目前通信系統(tǒng)中的差錯(cuò)控制方式有：反饋糾錯(cuò)、前向糾錯(cuò)、混合糾錯(cuò)。為了控制差錯(cuò)必須先檢測出錯(cuò)誤,這就是差錯(cuò)的檢測。常用的差錯(cuò)檢測方法是對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。常用的校驗(yàn)碼有：奇偶校驗(yàn)碼、恒比碼、漢明碼、循環(huán)碼。其中循環(huán)碼是一種使用較多的冗余校驗(yàn)技術(shù)。多路復(fù)用在通信過程中,傳輸媒體的帶寬往往超過傳輸單一信號的需要,為了提高傳輸媒介的利用率,降低成本,希望在一個(gè)信道上可以同時(shí)傳輸多路信號,也即是多路復(fù)用問題。多路復(fù)用技術(shù)是指在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中,允許兩個(gè)或兩個(gè)以上的數(shù)據(jù)源共享一個(gè)公共傳輸介質(zhì),把多個(gè)信號組合起來再一條物理信道上進(jìn)行傳輸。這樣就好像每個(gè)數(shù)據(jù)源都有自己的信道一樣,因此采用多路復(fù)用可以將若干個(gè)無關(guān)的信號合并為一個(gè)能在一條共享信道上傳輸?shù)膹?fù)合信號。多路復(fù)用通常可以分為：頻分復(fù)用〔FDM、時(shí)分復(fù)用〔TDM、波分復(fù)用〔WDM和碼分復(fù)用〔CMD等。另外碼分多址〔CodeDivisionMultipleAccess,CMDA是移動(dòng)通信中的一種信號處理方式,每個(gè)用戶在通信期間占用所有的頻率和所有時(shí)間,但不同的用戶具有不同的正交碼,可以區(qū)分不同用戶的信息,避免相互干擾。傳輸模式數(shù)據(jù)傳輸模式是指數(shù)據(jù)在信道上傳輸所采取的方式。在計(jì)算機(jī)內(nèi)部各部件之間,計(jì)算機(jī)與各種外設(shè)之間,計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間,都以通信的方式傳遞數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)傳輸模式可以分為不同的類型,按數(shù)據(jù)代碼傳輸?shù)捻樞蚩梢苑譃椴⑿袀鬏敽痛袀鬏?；按?shù)據(jù)傳輸?shù)耐椒绞娇梢苑譃橥絺鬏敽彤惒絺鬏敚话磾?shù)據(jù)傳輸?shù)牧飨蚝蜁r(shí)間的關(guān)系可以分為單工、半雙工和全雙工；按傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號特點(diǎn)可分為基帶傳輸、頻帶傳輸和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸。傳輸協(xié)議在通信過程中,為了控制通信的雙方進(jìn)行信息的發(fā)送和接收,需要有一個(gè)通信雙方都要遵守的"規(guī)則庫",或者說通信的雙方需要使用一種共同的"語言"來進(jìn)行信息的交流。這個(gè)"規(guī)則庫"或者說"語言"就是通信的傳輸協(xié)議。傳輸協(xié)議定義了什么是通信,如何進(jìn)行通信以及何時(shí)進(jìn)行通信等問題。4.2井下人員定位系統(tǒng)無線通信解決方案及對比經(jīng)過前面的分析,不難發(fā)現(xiàn)問題的難點(diǎn)集中在井下的無線通信上。由于井下環(huán)境惡劣,噪聲、干擾嚴(yán)重,給無線通信帶來的很大的不便。此外從安全角度來說也不允許無線設(shè)備的發(fā)射功率過大,另外還要按照礦用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行嚴(yán)格設(shè)計(jì)。從技術(shù)角度看,目前短距離無線通信的解決方案有多種,下面簡要介紹一下幾種不同的短距離無線通信方案。藍(lán)牙<Bluetooth>藍(lán)牙技術(shù)最初是由Ericsson、Nokia、IBM、Intel、Toshiba等公司聯(lián)合于1998年提出的,主要面向短距離,低功率,低成本的應(yīng)用環(huán)境,以解決手機(jī)、PDA、筆記本電腦等移動(dòng)設(shè)備間的通信問題。藍(lán)牙技術(shù)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)語音和數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)拈_放性方案,藍(lán)牙技術(shù)產(chǎn)品是采用低能耗無線電通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)和視頻傳輸?shù)?其傳輸速率最高為每秒1Mb/s,以時(shí)分方式進(jìn)行全雙工通信,傳輸距離在10m以內(nèi),增加天線后可達(dá)到100m。藍(lán)牙產(chǎn)品采用的是跳頻技術(shù),能夠抗信號衰落；采用快跳頻和短分組技術(shù),能夠有效地減少同頻干擾,提高通信的安全性；采用前向糾錯(cuò)編碼技術(shù),以便在遠(yuǎn)距離通信時(shí)減少隨機(jī)噪聲的干擾；采用24GHz的ISM頻段,以省去申請專用許可證的麻煩；采用FM調(diào)制方式,使設(shè)備變得更為簡單可靠?？傊?藍(lán)牙技術(shù)產(chǎn)品與因特網(wǎng)Internet之間的通信,使得家庭和辦公室的設(shè)備不需要電纜也能夠?qū)崿F(xiàn)互通互聯(lián),大大提高辦公和通信效率。由于藍(lán)牙協(xié)議及相關(guān)堆棧都很復(fù)雜,對某些簡單應(yīng)用就是多余的。另外藍(lán)牙的功耗也較大。HomeRFHomeRF<家庭射頻>是ITU<國際電信聯(lián)盟>內(nèi)部的一個(gè)組,成立于1998年3月,主要為家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì),其主要工作是開發(fā)低成本射頻語音、數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)。HomeRF技術(shù)是DECT<DigitalEnhancedCordlessTelephone：數(shù)字增強(qiáng)型無繩電話>和WLAN<WirelessLocalAreaNetwork：無線局域網(wǎng)>技術(shù)相互融合發(fā)展的產(chǎn)物。HomeRF工作組開發(fā)了共享無線應(yīng)用協(xié)議SWAP<SharedWirelessAccessProtocol>,它融合了無線局域網(wǎng)IEEE80211采用的CSMA/CA<CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance：載波偵聽多路訪問/沖突避免>方式和DECT使用的TDMA<Time-divisionMultipleAccess：時(shí)分多路復(fù)用>方式,適合于話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),并且特地為家庭小型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化。目前使用的家庭射頻芯片工作在2.4GHz頻段,采用數(shù)字跳頻擴(kuò)頻技術(shù),速率為50W秒,共有75個(gè)帶寬為1MHz跳頻信道。調(diào)制方式為恒定包絡(luò)的FSK<FrequencyShiftKeying：頻移鍵控>調(diào)制,分為2FSK與4FSK兩種。采用跳頻調(diào)制可以有效地抑制無線環(huán)境下的干擾和衰落。2FSK方式下,最大數(shù)據(jù)的傳輸速率為1Mb/s,4FSK方式下,速率可達(dá)2Mb/s。在HomeRF2x中,數(shù)據(jù)峰值高達(dá)610Mb/s,接近IEEE802l1b標(biāo)準(zhǔn)的11Mb/s,能滿足未來的家庭寬帶通信。HomeRF最早由Proxim公司開發(fā),已經(jīng)被美國聯(lián)邦通訊委員會接納為標(biāo)準(zhǔn)。HomeRF的不足在于在功能上過于局限家庭應(yīng)用。ZigBeeZigBee聯(lián)盟成立于20XX8月,由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司組成,如今已經(jīng)吸引了上百家芯片公司、無線設(shè)備公司和開發(fā)商的加入。ZigBee使用24GHz波段,采用跳頻技術(shù),它具有下述特點(diǎn)：傳輸速率低：10kbps-250kbps；功耗低：兩節(jié)普通5號干電池可使用半年到兩年；成本低：由于ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低、協(xié)議簡單,所以大大降低了成本；網(wǎng)絡(luò)容量大：每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個(gè)設(shè)備,也即每個(gè)ZigBee設(shè)備可與另外254臺設(shè)備相連接；有效范圍?。河行Ц采w范圍為10m－75m；工作頻段靈活：使用24GHz,868MHz<歐洲>及915MHZ<美國>免執(zhí)照頻段。RFID〔射頻識別射頻識別技術(shù)<RFID,即RadioFrequencyIdentification>是從20世紀(jì)80年代起走向成熟的一項(xiàng)自動(dòng)識別技術(shù)。它利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信,實(shí)現(xiàn)人們對各類物體或設(shè)備<人員、物品>在不同狀態(tài)<移動(dòng)或靜止>下的識別和數(shù)據(jù)交換。與同期或早期的接觸式識別技術(shù)不同的是RFID系統(tǒng)的射頻識別卡和讀卡器之間不用接觸就可完成識別。它具有以下特點(diǎn)：<1>操作方便,工作距離長,可以實(shí)現(xiàn)對移動(dòng)目標(biāo)的識別；<2>無硬件接觸,避免了因機(jī)械接觸而產(chǎn)生的各種故障,使用壽命長；<3>射頻識別卡無外露金屬觸點(diǎn),整個(gè)卡片完全密封,具有良好的防水、防塵、防污損、防磁、防靜電性能,適合在惡劣環(huán)境條件下工作；<4>對無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都經(jīng)過隨機(jī)序列的加密,并有完善、保密的通信協(xié)議?？▋?nèi)序列號是唯一的,制造商在卡出廠前已將此序號固化,安全性高；<5>卡內(nèi)具有防碰撞機(jī)制,可同時(shí)對多個(gè)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行識別；<6>信號的穿透能力強(qiáng)<可穿透墻壁、路面、衣物、人等>,數(shù)據(jù)傳輸量小,抗干擾能力強(qiáng),感應(yīng)靈敏,易于維護(hù)和操作。WIFIWIFI全稱WirelessFidelity,采用802.11a/b/g標(biāo)準(zhǔn),它的最大優(yōu)點(diǎn)就是傳輸速度較高,可以達(dá)到54Mbps,另外它的有效距離也很長,同時(shí)也與已有的多種設(shè)備兼容。其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面：<1>無線電波的覆蓋范圍廣,基于藍(lán)牙技術(shù)的電波覆蓋范圍非常小,半徑大約只有50英尺左右<約合15m>,而WIFI的半徑則可達(dá)100m。<2>WIFI手機(jī)的無線通信質(zhì)量非常好,就是在嘈雜的環(huán)境下,也能有很好的過濾功能。<3>WIFI技術(shù)傳輸速度非?？?可以達(dá)到11Mbps,符合個(gè)人和社會信息化的需求。<4>WIFI手機(jī)通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,在網(wǎng)絡(luò)上的工作效率更高。無線MESH網(wǎng)絡(luò)<無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)>也稱為"多跳<mult-hop>"網(wǎng)絡(luò),它是一種與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)完全不同的新型無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)<WLAN>中,每個(gè)客戶端均通過一條與AP相連的無線鏈路來訪問網(wǎng)絡(luò),用戶如果要進(jìn)行相互通信的話,必須首先訪問一個(gè)固定的接入點(diǎn)<AP>,這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被稱為單跳網(wǎng)絡(luò)。而在無線MESH網(wǎng)絡(luò)中,任何無線設(shè)備節(jié)點(diǎn)都可以同時(shí)作為AP和路由器,網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接收信號,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與一個(gè)或者多個(gè)對等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信。這種結(jié)構(gòu)的最大好處在于：<1>無論固定組網(wǎng)還是移動(dòng)組網(wǎng),都能夠迅速按需形成任意拓?fù)洌?lt;2>拓?fù)湓庥龉?jié)點(diǎn)高速、高頻變換時(shí),無線網(wǎng)狀網(wǎng)能夠自動(dòng)調(diào)整拓?fù)洳⒕S持連接；<3>能夠采用靈活的多跳傳輸,可隨需擴(kuò)展,非常適合有線不方便或成本很高的場合；基于無線MESH網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的以上優(yōu)點(diǎn)和煤礦井下環(huán)境惡劣、組網(wǎng)復(fù)雜等特殊條件,無線MESH網(wǎng)絡(luò)很適合在煤礦井下應(yīng)用。幾種無線通信方案的比較表4-1無線通信方案參數(shù)比較Tab.4-1Camparisonofparametersofseveralcommunicationprogram無線通信方式功耗速率距離頻率容量成本藍(lán)牙大中短ISM小高HomeRF中中中ISM小低ZigBee小低中ISM大中RFID中低中低、中、高大中WIFI小高遠(yuǎn)ISM大高4.3無線通信方案的確定經(jīng)過上述比較,得出以下結(jié)論：1藍(lán)牙技術(shù)功耗大,通信距離短,協(xié)議復(fù)雜,不適合井下通信。2HomeRF技術(shù)中等,但由于是針對家庭應(yīng)用設(shè)計(jì),因此有局限性。3WIFI技術(shù)先進(jìn),通信距離遠(yuǎn),傳輸速率高,但用在定位系統(tǒng)上有點(diǎn)"大材小用",且成本較高。4ZigBee技術(shù)也具有較多優(yōu)點(diǎn),適合于組建無線通信網(wǎng)絡(luò)。但考慮到井下環(huán)境復(fù)雜,若采用無線組網(wǎng)的方式配置起來較為復(fù)雜,沒有采用有線通信方式可靠。因此也不予采用。5RFID技術(shù)各項(xiàng)指標(biāo)較為中等,功耗較低,通信距離較遠(yuǎn),技術(shù)成熟,已在多種領(lǐng)域有成功的應(yīng)用。采用RFID技術(shù)對井下人員攜帶的射頻標(biāo)簽進(jìn)行識別,再通過有線方式將基站信息傳送到地面,即可完成井下人員定位的任務(wù)。由于系統(tǒng)的工作頻率與通信距離有較大關(guān)系,考慮到低頻和高頻信號的傳輸特點(diǎn),采用RFID中的UHF頻段,這也是目前遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)的工作頻段,關(guān)于發(fā)射功率問題要參考有關(guān)的無線管制規(guī)定和礦井的安全操作規(guī)程。4.4無線通信子系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)無線通信子系統(tǒng)由兩部分組成：基站〔BS和移動(dòng)站〔MS。根據(jù)功能劃分部分所述,基站〔BS部分需具有無線收發(fā)功能、串行數(shù)據(jù)傳輸功能和數(shù)據(jù)存儲、處理功能。移動(dòng)站〔MS部分需具有無線收發(fā)功能、數(shù)據(jù)存儲和處理功能?；居布娐吩O(shè)計(jì)考慮到基站的功能要求將基站的硬件電路分為五個(gè)功能模塊,如圖4-1所示,這五個(gè)模塊是：通信模塊、時(shí)鐘模塊、無線收發(fā)模塊、主控單元和電源模塊。這些的模塊的功能如下：通信模塊：負(fù)責(zé)基站〔BS與地面的通信,完成現(xiàn)場總線與主控單元的接口功能；時(shí)鐘模塊：負(fù)責(zé)提供日期與時(shí)間數(shù)據(jù),方便記錄井下的監(jiān)測數(shù)據(jù),當(dāng)基站向地面?zhèn)魉投ㄎ粩?shù)據(jù)時(shí)同時(shí)傳送定位時(shí)間信息；無線收發(fā)模塊：完成基站與射頻卡的無線通信,包括無線通信協(xié)議和數(shù)據(jù)的防碰撞算法部分；主控單元：控制無線收發(fā)模塊、通信模塊和時(shí)鐘模塊的工作,進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲和處理；電源模塊：從井下的供電線路中獲取電源,并變換整定出穩(wěn)定可靠的直流電壓,為基站提供不同等級的電壓,滿足供電要求。由于通信模塊與井下和地面所采取的通信方式有關(guān),將其設(shè)計(jì)內(nèi)容放在第三個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中來考慮。下面分別設(shè)計(jì)基站的其他四個(gè)模塊,為了合理的選用器件,按照無線收發(fā)模塊、主控單元、時(shí)鐘模塊、電源模塊的順序依次進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖4-1基站原理框圖〔1無線收發(fā)模塊無線收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)大體有兩種方案：一是利用分立器件搭建無線收發(fā)電路,另一種是直接選用具有無線收發(fā)功能的集成芯片。從設(shè)計(jì)的方便性和可靠性來考慮,應(yīng)選用集成度較高的單片射頻收發(fā)芯片。這是因?yàn)橐环矫婵梢员苊庥梅至⒃罱o線收發(fā)電路,提高系統(tǒng)工作的可靠性；另一方面由于單片射頻收發(fā)芯片可以獨(dú)立完成無線收發(fā)任務(wù),也可以減輕傳輸控制電路的負(fù)擔(dān)。目前有多種功能不同的單片射頻收發(fā)芯片,下面介紹其中典型的幾種。1XE1202XE1202是將無線發(fā)射與接收功能集成在單一芯片上的射頻收發(fā)芯片,芯片內(nèi)集成了射頻發(fā)射、射頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制等電路,具有高速率、超低功耗等功能。可以工作在433MHz、870MHz和915MHzISM頻段,其數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到76.8kbps。XE1202采用連續(xù)相位的兩級頻移鍵控〔CPFSK方式。XE1202的接收部分集成有低噪聲放大器〔LNA和下變頻器,采用直接變頻方式,具有濾波通道和接受用的解調(diào)器,微控制器接口可以直接對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并可以產(chǎn)生同步數(shù)據(jù)時(shí)鐘〔CLKD。XE1202的發(fā)射部分可以提供一個(gè)完整的通道,完成從數(shù)據(jù)到天線的傳送,該部分帶有一個(gè)可以對頻偏進(jìn)行編程的直接上變頻器,并可以對RF輸出功率進(jìn)行控制。芯片具有3線總線接口,可以通過3線總線以及外部引腳來設(shè)置傳輸狀態(tài),僅需要極少的外部元件〔天線匹配網(wǎng)絡(luò)、振蕩電路、SAW振蕩器即可完成接收和發(fā)射的雙重功能。發(fā)射功率也可以通過總線來控制。2nRF2401nRF2401是單片射頻收發(fā)芯片,工作于2.4～2.5GHzISM頻段,芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊,輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。芯片能耗非常低,以-5dBm的功率發(fā)射時(shí),工作電流只有10.5mA,接收時(shí)工作電流只有18mA,多種低功率工作模式,節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。其DuoCeiverTM技術(shù)使nRF2401可以使用同一天線,同時(shí)接收兩個(gè)不同頻道的數(shù)據(jù)。nRF2401適用于多種無線通信的場合,如無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、無線鼠標(biāo)、遙控開鎖、遙控玩具等。nRF2401有工作模式有四種：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)機(jī)模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP、CE、TX_EN和CS三個(gè)引腳決定。nRF2401的收發(fā)模式有ShockBurstTM收發(fā)模式和直接收發(fā)模式兩種,收發(fā)模式由器件配置字決定。nRF2401的所有配置工作都是通過CS、CLK1和DATA三個(gè)引腳完成,把其配置為ShockBurstTM收發(fā)模式需要15字節(jié)的配置字,而如把其配置為直接收發(fā)模式只需要2字節(jié)的配置字。由上文對nRF2401工作模式的介紹,我們可以知道,nRF2401一般工作于ShockBurstTM收發(fā)模式,這樣,系統(tǒng)的程序編制會更加簡單,并且穩(wěn)定性也會更高。3nRF9E5nRF9E5是真正的系統(tǒng)級無線射頻收發(fā)芯片,內(nèi)嵌高性能8051MCU,4通道12位ADC。內(nèi)置nRF905收發(fā)器,包括所有nRF905芯片的特性,可以工作在Shockburst模式下〔自動(dòng)處理前綴,地址和CRC,最大程度抑制了噪聲,工作電壓范圍為1.9V-3.6V。芯片的最大輸出功率為+10dBm。只需極少的外圍元件就能組建一個(gè)完整的射頻收發(fā)電路。芯片還具有載波檢測功能,能有效的減少數(shù)據(jù)的碰撞。應(yīng)用領(lǐng)域：無線數(shù)據(jù)通訊、報(bào)警和安全系統(tǒng)、自動(dòng)測試系統(tǒng)、家庭自動(dòng)化控制、遙控裝置、監(jiān)測、車輛安全系統(tǒng)、工業(yè)控制、無線通信、電信終端等。4CC1010CC1010是基于Chipcon'sSmartRF技術(shù)的單片可編程UHF收發(fā)器芯片,電路工作在315/433/868/915MHzISM頻段〔300MHz-1000MHz。在典型的應(yīng)用中,僅需少數(shù)的幾個(gè)外接元件。靈敏度為-109dBm,可編程輸出功率為-20dBm~10dBm,FSK調(diào)制,數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)76.9kbps,2.7~3.6V低電源工作。芯片內(nèi)嵌與8051兼容的微控制器〔MCU、32KBFlash、2048+128BytesSRAM、3通道10bitADC、4個(gè)定時(shí)器、2個(gè)脈沖寬度調(diào)制〔PWM輸出、2個(gè)通用異步串行收發(fā)〔UART接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘〔RTC、看門狗〔WatchDog、串行外設(shè)接口〔SPI、DES編碼,26個(gè)通用I/O口。適合與計(jì)算機(jī)遙測遙控、安放、家庭自動(dòng)化、汽車儀表數(shù)據(jù)讀取等無線數(shù)據(jù)發(fā)射/接收系統(tǒng)中使用。上面介紹的幾種射頻收發(fā)芯片都能通過簡單的外圍電路來完成無線收發(fā)功能。其中前兩種射頻收發(fā)芯片內(nèi)部沒有集成微控制器〔MCU,需要增加微控制器〔MCU來對數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收進(jìn)行控制,而且內(nèi)部硬件資源較少,但價(jià)格相對較低,適用于簡單、低成本的無線通信電路；后面兩種內(nèi)部集成有與8051兼容的微控制器〔MCU,并具有多種硬件資源,功能強(qiáng)大,但同時(shí)價(jià)格也高。由于井下環(huán)境惡劣,通信條件較差,為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃孕枰褂每煽康耐ㄐ艆f(xié)議和數(shù)據(jù)差錯(cuò)控制算法,另外還要考慮到RFID通信過程中的數(shù)據(jù)防碰撞問題,而這些都需要微處理器〔MCU來完成。如果選用內(nèi)部沒有集成MCU的射頻芯片,那么這些工作都要由基站的主控MCU來完成,這會增加主控MCU的負(fù)擔(dān),由于主控MCU還要完成其他的控制任務(wù),為了保證系統(tǒng)的可靠工作還需要增加一片MCU專門來完成無線收發(fā)的控制任務(wù),這樣就增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性,同時(shí)也增加了系統(tǒng)成本。因此考慮采用內(nèi)部集成有MCU的射頻芯片。nRF9E5和CC1010都是內(nèi)部集成有兼容8051MCU的單片射頻收發(fā)芯片,都具有豐富的硬件資源,可以完成復(fù)雜的通信任務(wù)?？紤]到CC1010雖然硬件資源較為豐富,但價(jià)格較高,因此采用nRF9E5。下面具體介紹一下這款芯片。nRF9E5是挪威NordicVLSI公司于20XX2月推出的系統(tǒng)級RF芯片。該芯片采用+3VDC供電,面積為5mm×5mm,共有32個(gè)外部引腳。nRF9E5嵌入了nRF905433/868/915MHz無線收發(fā)芯片、集成增強(qiáng)型MCS8051微控制器和4個(gè)通道的10位A/D轉(zhuǎn)換器,采樣速率為80kbps,內(nèi)含1.22V電壓基準(zhǔn)、電源管理、PWM輸出、UART異步串口、SPI通訊接口、邏輯接口電路、看門狗電路、多通道可編程喚醒,以及CRC檢驗(yàn)和多點(diǎn)通信控制,高頻電感和濾波器等已經(jīng)全部內(nèi)置,芯片的一致性能好、穩(wěn)定且不易受干擾。采用GFSK調(diào)制,抗擾能力強(qiáng),支持多點(diǎn)通訊,數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)0.1Mbps。具有特有的ShockBurst信號發(fā)射模式和發(fā)射信號載波監(jiān)測功能,可有效降低功耗電流、避免數(shù)據(jù)沖突。nRF9E5沒有復(fù)雜的通訊協(xié)議,完全對用戶透明,同種產(chǎn)品之間可以自由通訊,內(nèi)置的CRC糾錯(cuò)硬件電路和協(xié)議免去了軟件開發(fā)人員的軟件糾錯(cuò)編程和微控制器的糾錯(cuò)運(yùn)算,降低了無線應(yīng)用的開發(fā)難度。外圍電路連接極為簡單,只需要一個(gè)晶體管和一個(gè)電阻,nRF9E5輸出端ANT1、ANT2外接50單天線終端裝置,信號有效發(fā)射距離無遮擋時(shí)可達(dá)800m以上,樓道內(nèi)收發(fā)也可達(dá)到250m左右,對障礙物具有一定的穿透能力,且其最大發(fā)射功率僅為10DBm<10毫瓦>,收發(fā)狀態(tài)切換時(shí)間小于650ms。由于nRF905功耗低,工作可靠,因此很適用于井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)。nRF9E5的外部電路非常簡潔,除了天線輸入輸出匹配濾波網(wǎng)絡(luò)、電壓偏置控制電阻和時(shí)鐘振蕩晶振外,基本不需要其它元件。但由于nRF9E5中沒有提供程序存儲空間Flash,所以每次上電復(fù)位后它都需要通過其SPI接口從外部程序存儲空間中導(dǎo)入4K的程序存放在內(nèi)部4K的RAM中,為了適應(yīng)nRF9E5這一特點(diǎn),我們選用Microchip公司帶SPI接口的串行EEPROM25AA320芯片作為射頻卡的程序存儲器,該芯片支持低電壓工作,最低工作電壓為l.8V,且該芯片的存儲空間為4K。表4-2和表4-3分別是nRF9E5的特性和參考數(shù)據(jù)。表4-2nRF9E5的特性Tab.4-2FeaturesofnRF9E5內(nèi)置nRF905433/868/915MHz頻率可調(diào)收發(fā)器內(nèi)嵌兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8051微控制器4輸入10位80kspsAD轉(zhuǎn)換器工作電壓：1.9~3.6V封裝：32pinQFN〔55mm只需極少的外圍元件內(nèi)置VDD電源監(jiān)控模塊掉電模式時(shí)工作電流：2.5最大輸出功率：+10dBm頻道切換時(shí)間：650s低MCU供電電流：1mA,4MHz@3V適合高頻應(yīng)用具有載波檢測功能低供電電流,發(fā)射時(shí)的典型值：11mA@-10dBm,接收時(shí)的典型值：12.5mA對于nRF9E5而言,其最大的優(yōu)點(diǎn)是具有載波檢測功能。在ShockBurst接收方式下,當(dāng)出現(xiàn)nRF9E5工作信道內(nèi)的射頻載波時(shí),載波檢測引腳<CD>被置高,這個(gè)特性很好的避免了同一工作頻率下不同發(fā)射器數(shù)據(jù)包之間的碰撞,有效的防止了信號的干擾。當(dāng)收發(fā)器準(zhǔn)備發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí),它首先進(jìn)入接收方式并探測所工作的信道是否空閑。載波檢測的標(biāo)準(zhǔn)一般比靈敏度低5dB,比如,靈敏度為-100dBm,載波檢測功能探測低至-105dBm的載波。也就是說,載波低于-105dBm,載波檢測信號為低<一般為0>,高于-95dBm,則載波檢測信號為高<一般為VDD>,介于-105~95dBm之間,載波檢測信號可能為低也可能為高。nRF9E5的內(nèi)部主要由微控制器〔MCU模塊和射頻模塊〔nRF905組成,圖4-1為nRF9E5的結(jié)構(gòu)框圖。下面簡單介紹一下這兩個(gè)模塊。nRF9E5內(nèi)嵌的微控制器兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8051,典型的指令周期為4~20個(gè)時(shí)鐘周期,與標(biāo)準(zhǔn)8051的12~48個(gè)時(shí)鐘周期相比,運(yùn)算速度要快的多。另外微控制器模塊還比標(biāo)準(zhǔn)8051多了5個(gè)特殊的中斷源：ADC,SPI,2個(gè)射頻相關(guān)中斷,一個(gè)喚醒功能。模塊具有3個(gè)與8052兼容的定時(shí)器,在采用串口通信〔UART時(shí)波特率可以用定時(shí)器1也可以用定時(shí)器2生成。同時(shí)微控制器的時(shí)鐘由外部晶振得到,時(shí)鐘頻率控制靈活。表4-3nRF9E5的參考數(shù)據(jù)參數(shù)值單位最低供電電壓1.9V溫度范圍-40~+85發(fā)射功率為-10dBm時(shí)的發(fā)射電流11mA接收模式下的電流12.5mA微控制器4MHz@3volt時(shí)的供電電流1mAADC工作電流0.9mA最大發(fā)射功率10dBm數(shù)據(jù)傳輸率100Kbps靈敏度-100dBm低功耗模式下的工作電流2.5AnRF9E5內(nèi)嵌處理器的存儲單元比較特殊,它是由一塊與80C52兼容的256個(gè)字節(jié)RAM和512個(gè)字節(jié)ROM及一個(gè)4K的RAM組成。512個(gè)字節(jié)的ROM中包含一個(gè)初始裝載程序,當(dāng)系統(tǒng)上電或程序復(fù)位時(shí),這個(gè)初始裝載程序?qū)⒁龑?dǎo)系統(tǒng)通過SPI接口將用戶編寫的放在一塊外部串行EERPMO程序存儲器中的程序調(diào)入內(nèi)部4K的RMA中,然后系統(tǒng)在根據(jù)調(diào)入到RAM中的程序運(yùn)行。對于外部EEPROM中存放的程序格式,nRF9E5系統(tǒng)也專門做了規(guī)定。在nRF9E5中,除了內(nèi)置8051單片機(jī)外,另一個(gè)重要模塊就是射頻收發(fā)單元,該模塊電路與單芯片射頻收發(fā)器nRF905一樣,它與內(nèi)嵌MCU是通過內(nèi)部并行口P2和內(nèi)部SPI模式進(jìn)行通信的。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好、載波檢測、地址匹配都能通過程序控制引起相應(yīng)中斷。4Kbyte4KbyteRAMBootLoader256byteRAM7-channelinterruptionUART0Timer0Timer1Timer2CPU8051compatiblemicrocontrollerA/DconverternRF905433/868/915MHzreadiotranceiverBIASXTALoscillatorpowermgmtResetRegulatorsPortlogicPWMlowpowerRCoscillatorWatchDogRTCTimer8.chprogrammablewakeupSPIAIN3<26>AINT1〔20AINT2〔21VDD_PA〔19AIN2<27>AIN1<28>AIN0<29>AREF<30>IREF〔23XC2〔15XC1〔14VSS<5>VSS<16>VSS<18>VSS<22>VSS<24>VDD<4>VDD<17>VDD<25>DVDD_1V2<31>P00<32>P01<1>P02<2>P03<3>P04<6>P05<7>P06<8>P07<9>SDI25320SDOSCKCSNMISO<11>SCK<12>MOSI<10>圖4-2nRF9E5的結(jié)構(gòu)框圖nRF905是一個(gè)可工作于433/868/915MHz的射頻收發(fā)器,它內(nèi)部帶有完整的頻率合成單元,功率放大器,FSK調(diào)制和接收單元。該射頻收發(fā)器的輸出信號功率和載波頻率都可以方便的編程并通過SPI口傳送給nRF905內(nèi)核。當(dāng)信號輸出功率為-10dBm時(shí),射頻模塊電路的電流消耗僅為9mA,當(dāng)接收信號時(shí),射頻模塊電路的電流消耗僅為12.5mA。同時(shí)為了節(jié)省功耗,射頻模塊還可以由程序控制開啟和關(guān)斷。為了實(shí)現(xiàn)微控制器〔MCU對射頻收發(fā)單元的控制,nRF9E5定義內(nèi)嵌的8051MCU的P2口專門用于控制射頻收發(fā)模塊nRF905.因此射頻模塊的工作受特殊功能寄存器P2和SPI_CTRL控制。P2寄存器的每一位對應(yīng)射頻收發(fā)模塊nRF905的相應(yīng)引腳。nRF9E5采用32引腳的QFN封裝,引腳分配圖如下：圖4-2nRF9E5的引腳圖下面是nRF9E5的引腳工能列表。表4-4nRF9E5的引腳功能列表引腳名稱功能說明1P01數(shù)字輸入輸出雙向數(shù)字輸入輸出2P02數(shù)字輸入輸出雙向數(shù)字輸入輸出3P03數(shù)字輸入輸出雙向數(shù)字輸入輸出4VDD電源工作電源〔+3VDC5VSS電源地〔0V6P04數(shù)字輸入輸出雙向數(shù)字輸入輸出7P05數(shù)字輸入輸出雙向數(shù)字輸入輸出8P06數(shù)字輸入輸出雙向數(shù)字輸入輸出9P07數(shù)字輸入輸出雙向數(shù)字輸入輸出10MOSISPI接口SPI輸出11MISOSPI接口SPI輸入12SCKSPI時(shí)鐘SPI時(shí)鐘13EECSNSPI使能SPI使能,低有效14XC1模擬輸入晶體振蕩器1腳/外部時(shí)鐘輸入腳15XC2模擬輸出晶體振蕩器2腳16VSS電源地〔0V17VDD電源電源〔+3VDC18VSS電源地〔0V19VDD_PA電源輸出給nRF905功率放大器提供的+1.8V電源20ANT1RF-端口天線接口121ANT2RF-端口天線接口222VSS電源地〔0V23IREF模擬輸入?yún)⒖茧娏?4VSS電源地〔0V25VDD電源電源〔+3VDC26AIN3模擬輸入ADC輸入327AIN2模擬輸入ADC輸入228AIN1模擬輸入ADC輸入129AIN0模擬輸入ADC輸入030AREF模擬輸入ADC參考電壓31DVDD_1V2電源輸出數(shù)字電源去耦輸出32P00數(shù)字輸入輸出雙向數(shù)字輸入輸出下面是nRF9E5的應(yīng)用電路圖4-3nRF9E5的應(yīng)用電路由應(yīng)用電路圖可以看出,nRF9E5的外圍元件很少,只需外接晶振電路、天線、外部存儲器和電源電路。芯片的引出腳可以方便的與MCU進(jìn)行接口。由于內(nèi)部嵌入了微控制器〔MCU因此數(shù)據(jù)的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)的防碰撞算法都可以由射頻芯片完成,從而減輕了主控芯片的負(fù)擔(dān)?！?主控單元主控單元主要管理無線數(shù)據(jù)的收發(fā),以及與地面的有線通信,同時(shí)還要執(zhí)行地面發(fā)送的命令。根據(jù)功能要求可以選擇一款合適的單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)傳輸控制。目前市場上常用的單片機(jī)有：MCS-51系列、AVR單片機(jī)、PIC單片機(jī)。151系列單片機(jī)MCS-51單片機(jī)是美國Intel公司于1980年推出的產(chǎn)品,典型產(chǎn)品有8031〔內(nèi)部沒有程序存儲器,實(shí)際使用方面已經(jīng)被市場淘汰、8051〔芯片采用HMOS,功耗是630mW,是89C51的5倍,實(shí)際使用方面已經(jīng)被市場淘汰和8751等通用產(chǎn)品,一直到現(xiàn)在。MCS-51內(nèi)核系列兼容的單片機(jī)仍是應(yīng)用的主流產(chǎn)品〔比如目前流行的89S51、已經(jīng)停產(chǎn)的89C51等。MCS-51單片機(jī)影響極深遠(yuǎn),許多公司都推出了兼容系列單片機(jī),就是說MCS-51內(nèi)核實(shí)際上已經(jīng)成為一個(gè)8位單片機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)。2AVR單片機(jī)AVR單片機(jī)是1997年由ATMEL公司研發(fā)出的增強(qiáng)型內(nèi)置Flash的RISC<ReducedInstructionSetCPU>精簡指令集高速8位單片機(jī)。AVR的單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。AVR單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)采取8位機(jī)與16位機(jī)的折中策略,即采用局部寄存器存堆<32個(gè)寄存器文件>和單體高速輸入/輸出的方案<即輸入捕獲寄存器、輸出比較匹配寄存器及相應(yīng)控制邏輯>,提高了指令執(zhí)行速度<1Mips/MHz>,克服了瓶頸現(xiàn)象,增強(qiáng)了功能；同時(shí)又減少了對外設(shè)管理的開銷,相對簡化了硬件結(jié)構(gòu),降低了成本。故AVR單片機(jī)在軟/硬件開銷、速度、性能和成本諸多方面取得了優(yōu)化平衡,是高性價(jià)比的單片機(jī)。3PIC單片機(jī)PIC單片機(jī)是MicroChip公司生產(chǎn)的一種RISC單片機(jī)。主要有是PIC16C系列和17C系列8位單片機(jī),CPU采用RISC〔精簡指令集結(jié)構(gòu),分別僅有33,35,58條指令,采用Harvard雙總線結(jié)構(gòu),運(yùn)行速度快,低工作電壓,低功耗,較大的輸入輸出直接驅(qū)動(dòng)能力,價(jià)格低,一次性編程,小體積。適用于用量大,檔次低,價(jià)格敏感的產(chǎn)品。在辦公自動(dòng)化設(shè)備,消費(fèi)電子產(chǎn)品,電訊通信,智能儀器儀表,汽車電子,金融電子,工業(yè)控制不同領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用,PIC系列單片機(jī)在世界單片機(jī)市場份額排名中逐年提高發(fā)展非常迅速。通過對上述單片機(jī)的比較發(fā)現(xiàn)：51系列單片機(jī)應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟、資料詳細(xì),但明顯的不足是片上資源較少,且運(yùn)行速度不快,從基站的功能考慮還要加入較多外部設(shè)備,因此增加設(shè)計(jì)復(fù)雜度,不予考慮；PIC單片機(jī)型號眾多,產(chǎn)品有不同的層次可以使用不同要求的場合,而且抗干擾能力較好,但無論是芯片還是開發(fā)工具都較貴,因此也不予考慮；AVR單片機(jī)的功能比較適中,性價(jià)比高,而且開發(fā)方便,綜合成本低,因此選擇AVR單片機(jī)做基站的傳輸控制MCU。AVR單片機(jī)有多種型號,功能有所差異,這里選擇Atmega162,該型號單片機(jī)有雙串口和SPI接口,方便MCU的通信和控制。下面介紹一下AVR單片機(jī)Atmega162。Atmega162是一款基于AVR增強(qiáng)型RISC結(jié)構(gòu)的采用CMOS工藝的高性能低功耗8位微控制器〔MCU。芯片內(nèi)集成有16K字節(jié)Flash,512字節(jié)EEPROM,1K字節(jié)RAM,外部存儲器擴(kuò)展最大可達(dá)64K字節(jié)。具有ISP〔InSystemProgrammable功能,在16MHz晶振下全速工作時(shí)指令指令速度可以達(dá)到16MIPS,同時(shí)芯片具有豐富的外設(shè)資源。Atmega162有PDIP和TQTP兩種封裝形式,圖4-4是其PDIP封裝的引腳分配圖。圖4-4Atmega62PDIP封裝引腳分配表4-5是Atmega162的特性參數(shù)。表4-5Atmega162特性高性能低功耗的8位AVR微控制器〔MCU先進(jìn)RISC結(jié)構(gòu)131條功能強(qiáng)大的指令,大部分指令的執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期。32個(gè)8位通用寄存器,全靜態(tài)工作,工作于16MHz時(shí)性能高達(dá)16MIPS,片上兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器16K字節(jié)系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash,擦/寫壽命：10,000次,具有獨(dú)立鎖定位的可選Boot代碼區(qū),通過片上Boot程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程,真正的同時(shí)讀寫操作。512字節(jié)的EEPROM,擦/寫壽命：100,000次。1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM?？蓴U(kuò)展至64K字節(jié)的外部存儲空間?？梢詫︽i定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)用戶程序加密。JTAG接口〔與IEEE1149.1兼容符合JTAG標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能,支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試功能,通過JTAT接口可以實(shí)現(xiàn)對Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程外設(shè)特點(diǎn)兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器、比較功能和捕獲功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器RTC,6通道PWM,兩個(gè)可編程串行USART〔通用同步/異步收發(fā)器,可工作主機(jī)/從機(jī)模式的SPI串行接口,具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器,片內(nèi)模擬比較器特殊的微控制器特點(diǎn)上電復(fù)位和可編程的掉電檢測,片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的RC振蕩器,片內(nèi)/片外中斷源,5種睡眠模式：空閑模式、省電模式、掉電模式、Standby模式以及擴(kuò)展Standby模式I/O和封裝35個(gè)可編程I/O口,40引腳PDIP封裝,4引腳TQFP封裝,44引腳MLF封裝。工作電壓Atmega162V：1.8~5.5V；Atmega162：2.7~5.5V速度等級Atmega162V：0~8MHzAtmega162：0~16MHz表4-6是針對圖4-3的ATmega162芯片引腳功能列表。表4-6Atmega162引腳功能列表VCC數(shù)字電路電源GND地端口A〔PA0~PA7雙向8位I/O口,具有內(nèi)部上拉電阻。輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動(dòng)特性,可以輸出和吸收大電流,作為輸入時(shí),若內(nèi)部上拉電阻使能,端口外部電路拉低時(shí)將輸出電流。復(fù)位過程中,即使系統(tǒng)時(shí)鐘未起振,端口A處于高阻狀態(tài)。端口A也可以用作其他不同的特殊功能。端口B〔PB0~PB7雙向8位I/O口,具有內(nèi)部上拉電阻。輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動(dòng)特性,可以輸出和吸收大電流,作為輸入時(shí),若內(nèi)部上拉電阻使能,端口外部電路拉低時(shí)將輸出電流。復(fù)位過程中,即使系統(tǒng)時(shí)鐘未起振,端口B處于高阻狀態(tài)。端口B也可以用作其他不同的特殊功能。端口C〔PC0~PC7雙向8位I/O口,具有內(nèi)部上拉電阻。輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動(dòng)特性,可以輸出和吸收大電流,作為輸入時(shí),若內(nèi)部上拉電阻使能,端口外部電路拉低時(shí)將輸出電流。復(fù)位過程中,即使系統(tǒng)時(shí)鐘未起振,端口C處于高阻狀態(tài)。如果JTAG接口使能,即使出現(xiàn)復(fù)位,引腳PC7<TDI>、PC5〔TMS、PC4〔TCK的上拉電阻也會被激活。端口C也可以用做JTAG接口和其他不同的特殊功能。端口D〔PD0~PD7雙向8位I/O口,具有內(nèi)部上拉電阻。輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動(dòng)特性,可以輸出和吸收大電流,作為輸入時(shí),若內(nèi)部上拉電阻使能,端口外部電路拉低時(shí)將輸出電流。復(fù)位過程中,即使系統(tǒng)時(shí)鐘未起振,端口D處于高阻狀態(tài)。端口D也可以用做其他特殊功能。端口E〔PE0~PE2雙向3位I/O口,具有內(nèi)部上拉電阻。輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動(dòng)特性,可以輸出和吸收大電流,作為輸入時(shí),若內(nèi)部上拉電阻使能,端口外部電路拉低時(shí)將輸出電流。復(fù)位過程中,即使系統(tǒng)時(shí)鐘未起振,端口E處于高阻狀態(tài)。端口E也可以用做其他特殊功能。復(fù)位輸入引腳。持續(xù)時(shí)間超過最小門限時(shí)間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。XTAL1反向振蕩放大器與片內(nèi)時(shí)鐘操作電路輸入端XTAL2反向振蕩放大器輸出端圖4-5為Atmega162的結(jié)構(gòu)框圖。portadrivers/buffersportadrivers/buffersportcdrivers/buffersportedrivers/buffersportadigialinterfaceportedigialinterfaceportcdigialinterfacepa0~pa7pe0~pe2pc0~pc7programcounterprogramflashinstructionregisterinstructiondocoderstackpointerSRAMgeneralpurpo