XBee

XBee（共4篇）

XBee 篇1

0 引言

我国是一个水资源相对匮乏的国家,人均占水量仅有2 300m3; 是世界人均用水的1 /4。在全国总用水当中,农业用水就占73% ,且有效利用率差,浪费严重[1]。我国灌溉水的利用率只有30% ~ 40% ,而发达国家可达70% ~ 80%[2],与发达国家相比还有较大差距。因此,采取一切提高水资源利用率的方法来保障粮食安全生产已成为我们每个人的责任和义务[3]。

鉴于以上原因,本文设计的智能水田水位控制器可通过对水位高度信息进行采集,校准节气时间,针对水稻不同叶龄期[4]进行自动灌水、排水。为了保障粮食产量,农户需要时刻关注水田的水位、水温及作物长势等信息。由于采用有线数据传输存在布线困难、费用高、线路易损坏及维护困难的劣势,本文利用Xbee无线通讯模块来解决此问题。Xbee被设计成Zig Bee协议下的无线传感器网络,可实现自组网,并具有低功耗、传输距离远的特点,能够快速、稳定地实现数据和控制信号传输。

1 硬件设计

11总体方案设计

智能水田水位控制器主要包括格田控制器和手持终端两部分。格田控制器由单片机、电源模块、XBee无线通讯模 块、超声波模 块、温度传感 器模块、12V20AH的蓄电池及控制阀组成。超声波液位传感器和温度传感器对水位和水温信息进行采集,采集完成后单片机对超声波液位传感器和温度传感器进行解析,将水位、水温信息上传至手持终端设备,并根据水田所需水位控制阀门开关。电源采用12V20AH的蓄电池保障阀的稳定运转。手持终端采用7寸液晶触摸屏,内部嵌入ARM7芯片,具有运算速度快、功耗低等特点。整体控制系统硬件原理图如图1所示。

1. 2 设备选取

为了实现系统的稳定运行,需对智能水田水位控制器的元器件进行选取。格田控制器部分选用STC公司生产的具有双串口STC12C5A60S2单片机作为主控处理器,在控制系统中接收手持终端设备发来的指令信号并将格田控制器采集完成的水田数据和阀的信息上传给手持终端。因此,选用双串口单片机控制芯片可以简化软件编程的过程。选用Xbee通讯模块作为控制阀与手持终端的无线通讯芯片,其单跳距离达10km,能解决水田管理中信号受障碍物遮挡,通讯距离受限等无线传输问题。手持终端选 用嵌入以ARM7为核心控制器的触摸屏,具有运算速度快的特点,其自带WIN. CE系统更加方便软件程序的编写。

1. 2. 1 Xbee 无线通讯模块

Xbee被设计成运行在Zig Bee协议下的无线传感器网络[5]。Xbee模块只需少量电量就提供了远程设备间的数据传递。选择Xbee作为水田水位控制器通信模块的主要原因是其具有低功耗、低成本、可靠性高及高性能等一系列优点。Xbee的封装形式无需要添加任何驱动程序,在配对成功后可直接进行数据传输,使用方便快捷,且小尺寸设计在保证高可高性的同时节省了空间。Xbee的应用电路如图2所示。

1. 2. 2 LJD - e Win7000Ls 触摸屏

智能水田水位控制器的手持终端设备采用LJD e Win7000Ls触摸屏。该设备支持多任务切换,主要用于可控制系统平台上的人机界面。目前,通常采用的人机界面大多是组态或类似模式,虽然这种模式显示方便,操作简单,但具有一 定的局限 性LJD e Win7000Ls触摸屏基于EVC或Visual Studio使用的语言,可使用BASIC,C#或是VC + + ,因此在可编写出更加完善的人机界面系统的同时更具有强大的移植性。

LJD - e Win7000Ls触摸屏具有超高集成度,自带完整的嵌入式结构,方便用户现场安装固定,其特点如下:

1) 接口丰富,带有USB DVICE、USB HOST、SD卡等接口。

2) 采用低功耗32位高速ARM芯片构成,主频为400MHz;

3 ) 系统内存 为SDRAM 64MB、NAND FLASH128M。

4) 采用7寸高清彩数字屏,输出分辩率为800×480,带有LED背光。

5) 可直接支持四线电阻式触摸,精确方便。

6) 带有2个RS232借口和1个RS485接口,可以和PC或者单片机、PIC、AVR、DSP等控制芯片等完美结合。

1. 2. 3 传感器选择

智能水田灌溉系统需要对格田的水温、水位信息进行采集,所以传感器的选择必不可少。目前常用的温度传感器有热电偶温度传感器、集成温度传感器及模拟集成温度传感器,选择传感器是应按照稳定性、精度、灵敏度及安装环境依次排列的进行选择。本设计选用DS18B20数字型温度传感器,此无需AD转换,具有体积小、抗干扰能力抢、精度高的特点,该传感器是智能水 田灌溉系 统采集水 温的最佳 选择。DS18B20的硬件结构图如图3所示。

常用的测量水位的设备和传感器种类繁多,根据农田实际环境,本控制系统选用超声波液位传感器为测量格田水位的元器件。由于发生的超声波脉冲有一定的宽度,使距离传感器较近小段区域内的反射波与发射波向重叠,无法识别,应在安装时留有一定的发射开角。超声波在空气中有一定的衰减,所以反馈信号的大小与液面位置有关: 液面位置越高信号越大,反之则信号越小。将接收后的信号进行放大、整流从而实现格田水位的采集。超声波时序图如图4所示。

1. 3 阀门设计

根据智能水田水位控制器应用的现场应用环境,对于格田控制器的阀门设计应达到成本低廉、防水、防潮及阀门动作迅速的要求,同时还需要方便安装、拆卸,便于第2年继续投入使用。

为了让格田控制器能够做到自身防水防潮,并且能将水有效地拦截,阀的外表和闸板采用硬塑制作而成,内部核心轴承( 驱动杆,阀门固定杆) 由不锈钢制作而成。将橡胶包裹在阀门边框的四周,避免材料变形时,发生挡水板漏水的情况。

为了保障格田控制器的长久稳定运行,阀门动作采用12V20Ah的可充电蓄电池进行供电。将12V减速直流电机与驱动杆对接,通过电机的正反转来实现阀门开启和关闭,同时阀门内部留有一部分空间为排除淤泥和草棍做了充分的准备。图5为采用SOLIDWORKS软件绘制的格田控制器阀门的结构示意图。

2 软件设计

2. 1 控制阀程序

智能水田水位控制器下位机部分的编写语言为C语言,控制系统由主程序、信号采集程序、中断程序,以及实现不同功能的子程序组成。通过对超声波模块采集的信号进行解析,控制下位机的阀门开关; 把温度传感器采集的信息通过Xbee无线通讯模块上传至手持终端,同时接收手持终端的对下位机的操作指令。软件流程图如图6所示。

2. 2 手持终端程序

手持终端触摸屏主板上设有两个RS232接口和一个RS485接口。将Xbee与RS232接口相连接,通过Visual Studio软件编写操作程序,实现生成设备编号,采集设置农田水位高度,采集农田水位、水温信息,时间日期校准与设定,以及存储数据等功能。手持终端控制流程图如7所示。

2. 3 Xbee 网络节点的参数配置

Xbee无线模块自带Zig Bee协议栈的程序,只需利用程序来改变模块参数就可实现自组网通信[6]。在本设计中采用4块Xbee收发模块,将1块设置成路由器,另外3块设置成终端。通过X - CTU软件对这一对Xbee模块进行设置,ID是局域网的标识符,在同一网络下ID需要相同,NI是节点标识符,利用它来配置远程地址; JN是允许加入网络使能端; SP是睡眠周期,路由器需要设置为0,持续工作,接收模块可以睡眠; SN是循环周期数,作用是计算机终端向前一级节点反馈时间,如果大于这个时间,终端将离开上级节点找新的节点。Xbee配置参数如表1所示。

所有模块的初始目标地址如下所示:

DH( Destination address high) = RT: 13A200; R1:13A200; R2: 13A200; R3: 13A200

DL( Destination address low) = RT: 40A8CE13; R1:40A8CDF8; R2: 409B23C6; R3: 40A48A49

3 实验调试

在实验过程中,选用了3块田地,温度传感器和超声波液位传感器把水田的水温以及水位高度信息采集成后,由Xbee无线模块把数据送入手持终端; 手持终端可以显示全部田地的信息,双击任意一块田地进入单一田地监控模式。手持终端可以完成存储 /读取历史数据、打开阀门、关闭阀门、打开所有阀、关闭所有阀、对农田编号管理和显示所有信息的功能。系统的界面可以显示12块田地,本实验只选用3块田地作为实验样本,监控界面如图8所示。

双击任意一块田进入对单一水田进行监控模式,单一监控模式可更加详细地了解水田和下位机的各个参数信息。其显示的信息有: 设备编号、水位高度、水温度、水渠的水位高度、阀状态、控水高度、电机状态、报警信息及电池电量的信息。点击退出窗口则返回上级监控画面,如图9所示。

4 结论

目前,我国大部分农户对农田的水位管理还限于人工灌、排水的方法,只有少数农户选用有线电动阀来进行农田管理,但存在造价昂贵,安装、维护不便,布线困难。智能水田水位控制器不仅安装简单方便,且省去了布线环节且成本低廉,同时实现了自动管理水田的水位; 并可通过Xbee无线通讯模块传输数据对水田主要参数进行检测、采集,对异常情况及时报警,以消除安全隐患。本设计极大的改善了我国水田人工灌溉的现状,提高农田管理水平并实现水资源高效利用,为水田灌溉的自动化管理提供服务。经实验表明: 其性能稳定,运行可靠,系统界面友好,操作简单,具有较高的实用价值。

摘要：设计了一种基于Xbee的智能水田灌溉控制系统,该系统可以根据水稻不同生长时期的需水量自动调节格田水位。控制系统由格田控制器和手持终端组成:控制器对水温、水位、阀运行状态、剩余电量等相关信息进行采集,并通过Xbee无线传输模块发送到手持终端设备;手持终端设备对数据进行存储及处理,然后向控制器发送阀门的控制信号并自动建立数据库生成数据报表。农户可对数据库进行访问、排序、查询,从而实现格田的智能灌溉和远程监控。

关键词：无线通信,Xbee,水位控制,远程监控,水田

XBee 篇2

随着企业信息化应用的不断深入,车间现场生产数据的采集和及时传输已成为企业全面信息化集成的瓶颈。它是实现车间生产实时监控和管理、企业敏捷化生产的基本要求。在离散制造企业中,车间生产状态数据不连续,各环节数据变化频繁、随机,因而车间现场的生产信息的及时采集和传输非常重要。针对数控设备车间,可以通过开发分布式数控系统(DNC)来实现设备的实时动态信息采集;对于普通设备车间,目前常采用定期的报表采集,或者开发专门的数据采集器。例如,北京机床研究所开发的JCSDNC网络系统可进行数控机床的联网,并构建一个车间生产现场综合数据交换平台[1];广东工业大学将RFID技术运用于车间生产管理系统,开发了系统智能数据采集终端[2],实现生产计划、生产工艺、生产状态、生产设备、质量分析等信息的在线查询/显示/录入,实现车间的无纸化作业;吴建中等基于单片机开发了便携式数据采集系统[3]。另外国内外也有类似掌上机(PDA)的数据采集系统,例如日常生活中常见的水电煤气的读表机等。

目前许多企业的车间现场的网络基础很差,重新敷设网络成本太大,周期太长。因此,采用无线数据传输技术具有积极意义。另外条形码技术作为一种自动识别技术,提供了快速、准确的条码数据采集手段,并且在许多企业都有一定的应用基础。本研究开发一种集成有条码阅读器、小键盘和无线数据传输功能的手持式车间现场数据采集系统,实现企业车间现场多种状态数据的及时采集和即时无线传输。

1 设计原理

1.1 离散制造车间数据采集需求

在离散制造车间,生产过程涉及到车间进度、加工质量、生产设备、工装夹具、人员等状态数据。因此,离散型制造企业的信息化系统需要采集的数据主要包括:生产设备的状态信息、在制品的状态信息、加工工人的信息、车间里的物流信息以及生产过程中的一些动态信息等,如图1所示。

1.2 数据采集系统规划

对于离散型制造企业,数据采集系统是制造执行系统的一个底层的子系统,该系统不仅要完成对数据的采集,还要将采集到的数据实时的发送出去。生产车间一般包含数控机床车间和普通机床车间,在车间中以无线数据采集器为中心,建立的车间数据采集系统模型如图2所示。

在该模型中,以手持无线数据采集器为核心,集成了多种采集方式,可实现对数控机床车间和普通机床车间内各种离散数据的采集,并通过XBee无线网络实现数据的实时无线传输。条码数据可由条码读取模块读入,而一些无法用条码编码的生产状态数据则由小键盘输入,经过单片机的分析处理,最后由无线通讯模块发送至车间服务器。

2 无线数据采集系统的总体设计

该无线数据采集系统分为手持移动无线采集器和固定安装在数据服务器上的无线接收器两个部分,系统总体结构如图3所示。

手持无线采集器以单片机为控制核心,集成了小键盘输入、条形码输入、XBee无线通讯、液晶显示等模块,可通过键盘输入和条码阅读器输入采集数据信息,并通过XBee无线通信模块实时发送采集信息。

无线接收端主要由XBee无线通讯模块组成,通过RS232接口连接到企业数据服务器计算机,用于接收由手持无线采集器发送过来的数据信息。

3 手持无线数据采集器硬件设计

手持无线采集器(如图4所示)包括:微处理器、复位电路、晶振电路、存储器、电池及电源电路、键盘模块、条形码扫描模块、显示模块、内部通讯模块、无线通讯模块。

在该系统中,单片机选用华邦W78E516B。单片机与条码扫描模块通过PS/2协议连接,其中P3.3是单机中断引脚INT1输入端口,与扫描模块的时钟线相连,初始化为下降沿触发方式,以便在时钟下降沿时进入条码数据读取程序;P2.7与条码阅读器的数据线相连,用于读取各位数据。

单片机系统采集到的数据必须传递到XBee模块才可无线发送。因为XBee模块只能通过串口DI接收需要无线发送的数据包,并且XBee模块的工作电压是3.3 V,不同于单片机的5 V,因此单片机串口输出的数据包不能直接输入到XBee模块。虽然原理上可以通过电位器、三极管等构造简易转换电路,或通过类似74LVC4245的芯片直接进行电平转换[7],但是由于XBee模块对串口信号时序及其电平的要求较高,经过多种方法实验,都没有达到可靠、稳定的连接要求。最终,本研究采用串口转换芯片MAX232和SP3202,把5 V和3.3 V的串口数据流都转化为标准的RS232数据流,从而实现两模块间的数据传递,如图5所示。

根据相同原理,通过将MAX232芯片接口与数据服务器计算机的RS232串口相连,可实现数据服务器端的XBee无线接收器与计算机的通信。

4 软件设计

该系统的软件设计主要包括两部分:一部分是手持无线数据采集器的程序,另一部分是远程数据服务器(上位机)中的无线接收器上的程序。前者用Keil C51编写,后者用面向对象的可视化语言VC++编写。

手持无线数据采集器的程序主要用于采集车间现场的离散数据,包括某些条码数据,并实现数据的实时无线发送。软件采用模块化设计,包括初始化程序、键盘录入程序、条码扫描程序、无线发送程序、液晶显示程序等。其流程如图6所示。

手持采集器上条码阅读器集成软件的开发关键在于通过编程实现PS/2协议[8]。PS/2协议主要包括两个部分:①模拟I/O接口时序,读取原始数据;②解读原始数据,识别所收到的信息。程序流程图如图7所示。

无线数据采集系统上位机上的接收器的程序主要用于接收手持移动式采集器发送过来的无线数据,并判断数据的准确性,最后将接收到的数据写入企业数据库中。其接收程序的流程图如图8所示。

5 无线数据采集系统的应用

笔者在浙江省重大科技攻关项目《离散制造业生产过程信息智能监控系统的研发和应用》的研究和开发实施过程中,结合企业实际以及项目需要,研究开发了上述无线数据采集系统,并在企业进行实施应用。

实际开发的手持数据采集器如图9所示。该无线数据采集系统可采集生产现场的工票信息、班次信息、进度信息、工件加工质量信息等。操作过程包括:工票号→操作工号→班次→报废数量→报废物号→报废原因代号→回用数→试料数→合格数→检验员,等等。无线数据的有效传输距离可达200 m以上,通过软、硬件设计,保证了很高的数据传输正确率。

该数据采集系统在企业生产车间的架构如图10所示。企业车间包括数控车间和普通机床车间,负责生产各种各样的汽轮机叶片。通过利用本研究开发的无线数据采集系统,实现了车间离散数据的方便采集和及时上报,提高了车间实况数据的采集速度,缩短了管理部门了解车间实际加工情况的时间周期,为企业的生产调度控制奠定了坚实的基础。

6 结束语

为了及时、方便地获取车间现场数据,研究开发了一种手持式无线数据采集系统。该无线数据采集系统成本低、功耗小、使用方便,适用于制造企业生产现场离散数据的现场采集和实时无线发送。通过在生产车间的实施应用,实现了车间现场数据的及时采集和即时无线上传,为上层的企业信息化系统奠定了基础。

摘要：为了及时、方便地获取车间现场数据,研究开发了一种基于XBee模块的无线数据采集系统,包括手持式数据采集器及连接数据服务器的接收器。手持数据采集器以8052单片机为控制核心,集成了XBee无线通信模块以及满足PS/2协议的条码阅读模块,可通过数字小键盘、条码阅读器在车间现场采集各种工票及其进度等离散数据,并实现实时无线传输。介绍了该数据采集系统的设计原理及其软硬件系统,以及在某企业生产车间的实际应用。实际应用结果表明,该系统使用方便,安全性好,适用于生产现场的离散数据采集和无线传输。

关键词：现场数据采集,无线数据传输,XBee模块

参考文献

[1]唐华.JCSDNC数控车间综合数据交换平台[J].CAD/CAM与制造业信息化,2005(7):63-67.

[2]熊春如,冯峻域,戴青云,等.射频识别(RFID)数据采集系统终端设计[J].新余高专学报,2006,11(2):89-93.

[3]吴建中,顾大强.便携式数据采集处理系统[J].机电工程,2002,19(1):18-21.

[4]王成岭,陈一健,陈兆安.无线数据采集系统设计[J].机械工程与自动化,2007(6):63-65.

[5]陈景运,周祥平.ZigBee技术在工业控制领域的应用[J].无线电工程,2006(6):61-64.

[6]王静霞.一种与ZigBee/802.15.4协议兼容的RF模块XBee/XBee Pro及其应用[J].电子工程师,2007,33(3):24-27.

[7]梁军兵,赵鸿鸣,金建祥.基于ARM处理器的PC/104处理器模块的开发[J].工业控制计算机,2004,17(12):19-20.

[8]李秀梅,李学华,陆坤.PS/2协议的研究及其在单片机系统中的应用[J].微型机与应用,2003,22(2):22-23.

XBee 篇3

关键词：XBee模块,ZigBee协议,多协议转换

0 引言

ZigBee是一种基于IEEE802.15.4标准的短距离、低速率无线网络技术,该无线连接技术主要解决低成本、低功耗、低复杂度、低传输速率、近距离的设备联网应用,主要用于无线传感器网络和测量控制方面。而Digi公司的XBee模块内置了ZigBee协议,不仅使用更加方便,而且功耗,成本更低。目前,ZigBee技术已被视为替代有线监视和控制网络领域最有前景的技术之一。

基于Xbee模块的多协议转换器具有很大的优越性,文中介绍了一种可以将RS232/RS485/ SPI/AD/IO转换成ZigBee通信的方法,通过多协议转换器可以将不同接口设备组网,实现设备间的互操作,以更好的解决建立无线通信网络的问题。

1 ZigBee概述

ZigBee是一种基于IEEE802.15.4标准的短距离、低速率无线网络技术,该无线连接技术主要解决低成本、低功耗、低复杂度、低传输速率、近距离的设备联网应用,主要用于无线传感器网络和测量控制方面。ZigBee具备了强大的设备联网功能,并支持三种主要的自组织无线网络类型,即星型结构、网状结构(Mesh)和簇状结构(Cluster tree),其中网状结构具有很强的网络健壮性和系统可靠性。

2 系统设计方案

基于XBee模块的多接口协议转换器可以组成无线网络,网络的拓扑结构有星型、网状(Mesh)或簇状(Cluster)。转换器是以MSP430F1232为控制核心,另外有稳压电源电路、状态指示灯电路、传感器接口电路、SPI接口电路、模拟信号采集AD接口、可用于控制或监控的IO接口以及可由模拟开关控制选择的XBee模块与MSP430或是XBee模块直接与PC机通信的RS232接口电路。转换器系统的结构框图如图1所示。

2.1 系统硬件电路设计

2.1.1 控制模块电路设计

MSP430F1232是TI公司推出的超低功耗MSP430系列单片机中的一种。16位的CPU和16位的总线宽度使得数据的处理更加高效。用于边界扫描的JTAG接口对片上8k的Flash在线编程和调试,非常方便软件开发。28个管脚的IPW封装使得芯片占用的空间很小,内部集成了丰富强大的硬件接口电路,如具有比较/捕获功能的16位定时/计数器、快速PWM通道、12位A/D转换器、可编程的USART(SPI或UART)接口、看门狗、可编程的片内振荡器以及片内模拟比较器等。这些为设计提供了灵活而低成本的解决方案。其主控电路如图2所示,其中Acclerration_sensor是预留的SPI接口的加速度传感器接口电路,控制电路中加入了4路AD接口。

2.1.2 串口通信模块电路设计

基于XBee模块的多接口协议转换器可以实现RS232转ZigBee,XBee模块经过电平转换芯片SP3202芯片之后可实现与PC的双向通信,另外完整的UART接口可以完成对XBee模块的固件更新。串口通信模块电路设计如图3所示。

2.1.3 XBee模块接口电路设计

XBee模块是系统的核心部分,完成无线数据的收发。其内置了ZigBee协议,支持低成本、低功耗的应用需求,模块只需要很小的发射功率,便可以提供远程设备之间可靠的数据传输。无线通信采用的是直序扩频(DSSS)技术,16路软件可选的直接序列频道,且每个序列频道可容纳超过65000个设备,数据传输速率最高可达250kbps。XBee模块接口电路设计如图4所示,其中的LED0是模块状态指示灯(正常工作状态或睡眠状态)。

2.1.4 指示灯电路设计

该系统不仅要完成设备与设备之间的无线通信,而且每个模块都能够完成与PC之间的串口通信。而模块与PC是否有通信,模块之间无线通信的信号是否稳定等是我们无法实际的观察到得,本设计中加入了指示灯电路。指示灯电路设计如图5所示,其中左边的电路分别是设备状态指示灯(如是否加入到一个网络,是协调器、路由器还是终端设备),串口数据输入状态指示,串口数据输出状态指示;右边的电路是XBee模块通信时的信号强度指示电路,XBee模块在通信时,RSSI管脚会根据设备间无线通信信号的强度输出不同脉宽的波形信号,经过RC电路简单的处理之后,可输出不同的电压信号,将此电压信号经过比较器比较后,确定信号强度处于哪个范围并相应的点亮LED灯,完成信号强度的指示。

2.1.5 电源模块电路设计

整个系统工作在3.3V,而XBee模块对电源的要求比较高,并且在一些情况下的电池供电更是对电源模块的要求比较高。这里采用低功耗、低压差稳压器SP6205,它在输出300mA的电流时,压差只有0.3V,完全可以满足电池供电的情况。电源模块电路如图6所示,D4是电源指示灯。

2.2 系统软件设计

系统的软件设计采用C语言编程,由于系统要实现MSP430与XBee模块之间的通信,又要能实现PC与XBee模块之间的通信,而XBee模块只有一个串行接口,如果直接相连接势必会造成数据传输冲突,本设计中采用模拟开关(74HC4053)实现软件可选的串口通信。软件在一开始运行时就选择XBee模块与PC之间可实现串口通信,这样,此时MSP430就无法与XBee模块之间进行通信。当需要把MSP430读取到得传感器数据发送到协调器时,就需要选通XBee模块与XBee设备的通信。此外MSP430软件实现数据帧的建立是软件设计的重点。XBee模块的API数据传输方式要求数据必须满足规定的数据帧格式。单片机工作流程如图7所示。软件设计中针对不同格式的数据帧分别编写了相应的函数模块,方便了阅读与功能扩展。图8是利用VS2010编写的上位机软件。

3 软硬件调试及实验数据分析

在测试中,分别在多种情况下对模块之间的通信速率等进行了一些测试。实际测试环境是在室内和室外,室内(不可见)平面图如图9所示,实验测试结果如表1所示。

4 结束语

文中采用内置ZigBee协议的XBee模块设计多接口协议转换器,充分地利用了XBee模块的优点。而可选的电池供电方式,使得该方案可以应用在一些便携式设备中。系统预留的AD,数字I/O接口可以用于远程控制或模拟信号的采集等。

参考文献

[1]沈建华,杨艳琴,翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理及应用[M].北京:清华大学出版社,2006.

[2]翟雷,刘盛德,胡咸斌.ZigBee技术及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[3]Digi International Inc.XBee ZNet 2.5/XBee-PRO ZNet 2.5 OEMRF Modules[R].2008.

XBee 篇4

目前,煤矿安全事故时有发生,为此,煤矿普遍使用了安全监控系统,但是该系统存在很多不足:1由于井下环境复杂以及技术与成本的限制,存在着一些监控死角;2使用有线通信的方式对井下监控信息进行传输,该方式的安全性不高,维护起来很困难,而且线路很容易出现问题造成系统瘫痪,使用无线通信的方式又面临着通讯距离太短、传输困难等问题;3在设计地面监控软件时很少能与三维地质图形支撑软件无缝融合,地面监控中心对井下实时情况不能很好地掌握。

1ZigBee技术与XBee-Pro技术

ZigBee是一种比较新的短距离无线通信技术,是基于IEEE 802.15.4标准的低功耗个域网协议、使用扩展频谱(DSSS)的传输技术[1]。ZigBee的优势为:1功耗低;2成本较低;3传输范围大并且支持无限扩展;4扩展性好,最多可组成65 000个节点的大网;5抗干扰能力强,安全性较好[2]。

XBee-Pro技术是与ZigBee/IEEE 802.15.4兼容的解决方案,可以满足低成本、低功耗无线传感网络的需求。它易于使用,建立RF通信无需任何配置,具有自动组网功能,在传送范围上可以超越标准ZigBee模块2倍~3倍。

2矿井人员定位管理系统结构

煤矿安全监控系统的总体结构如图1所示。井下无线检测网络呈树状结构,由协调器、路由器和终端组成。

(1)协调器(Coordinator):每个ZigBee网络只允许有一个协调器,协调器具有网络的最高权限,负责选择一个信道和一个新的PAN ID,随后启动一个新的PAN。启动之后,协调器允许路由和终端连接到PAN中,它可以发送和接收射频数据,也可以参与网络的数据路由。

(2)路由(Router):作为井下无线监测网络的定点,用来扩展无线网络的传输距离。路由在运行前必须连接到一个ZigBee PAN中。连接到PAN之后,路由允许其他路由和终端连接到其中。

(3)终端(End Device):智能终端主要负责信号或图像的采集、处理与传送,接收井上工作站的控制命令,实现井下环境监测。终端也必须连接到一个ZigBee PAN。

3系统硬件设计

3.1智能终端的设计

智能终端使用MSP430F169作为主控制器,主要由传感器电路板与XBee-Pro模块组成,智能终端的电路连接框图如图2所示。

MSP430F169是16位超低功 耗MCU,具有60 kB闪存、2 048BRAM、12位ADC、双DAC、2个USART、I2C、HW乘法器和DMA,是当前较新的一种电擦写16位单片机,采用精简指令集(RISC),大量的寄存器以及片内数据存储器可参加多种运算;还有高效的查表处理指令;有较高的处理速度。

3.2XBee-Pro模块的设计

XBee-Pro模块以Freescale MC13193芯片为核 心。XBee-Pro无线通信模块中集成有一个UART接口,能够直接连接到模块的相应引脚,其结构如图3所示。

MSP430F169的P4.6/TB6、RST、VCC、P4.5、 P3.6/UTXD1、P3.7/URXD1、GND引脚分别 与XBee-Pro模块的CTS、RST、VCC、SLEEP_RQ、DIN、 DOUT、GND引脚连接,通过控制SLEEP_RQ高低电平来控制XBee-Pro模块的空闲发送模式从而达到降低功耗的目的。

4系统软件设计

系统的软件设计包括智能终端、路由程序、协调器程序和地面监控中心的软件设计。

4.1无线智能终端的程序设计

在井下监测系统中,无线智能终端是通过硬件和软件的共同作用实现其功能的,而传感器模块的信息采集就是软件要实现的一个重要功能。系统上电后, 首先进行初始化,然后进入休眠模式,等待中断;当接收到中断请求后,运行数据采集程序,处理采集的数据并与内存的预设值进行比较,根据比较结果生成警报, 并将采集到的数据与警报信号发送到路由器进行下一步的发送;在发送数据之前模块应先保证一个16位的网络地址和到达目标节点的路由建立完毕,否则会进行网络地址搜索和路由搜索;如果未找到与模块匹配的网络地址,数据包会被丢弃,一旦确立了路由数据就会被传出;如果建立路由的搜索失败,数据包同样会被丢弃[3]。传感器采集程序流程图见图4。

4.2协调器程序的设计

协调器程序流程图如图5所示。

4.3地面监控中心软件设计

地面监控中心软件程序是在Windows操作系统环境下,以Visual Studio C# 为软件开 发工具,以SQL Server 2007为数据库系统开发的基于WEB的应用管理软件平台,它能够与三维地质图形支撑软件3DMine无缝融合,利用三维地理建模软件进行矿用对象的表述与存储,并在此基础上实现对井下煤矿生产的可视化监控与跟踪[4]。

5结束语