2008年第2期 中州煤炭 总第152期 基于ZigBee协议的矿用传感器设计 (1．辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛 125105；2．缋优科技(深圳)有限公司，广东深圳518001) 张勇志1，陈 磊’，雷小平2 摘要：以矿用监控系统为研究对象，结合无线传感器网络技术，阐述了无线传感器的主要优势，并简单介绍了 ZigBee协议。结合现有传感器技术的实际情况，提出一种矿用无线传感器节点的设计方案。 关键词：监控系统；传感器；无线传感器网络；ZigBee；智能节点 中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1003—0506(2008)02—0020—03 Mineral Sensor Design Based on ZigBee Specification ZHANG Yong．zhil，CHEN Leil，LEI Xiao．pin92 (1．Electricity and Control Engineering Institute Liaoningproject technology，Huludno 125105，China； 2．GUI-SOFT(SHENZHEN)Co．，Ltd．，Shenzhen 518001，China) Abstract：This article take the monitor and controller system in mine聃the research object，and joined the technology of Wireless Sen— sor Networks(WSN)，elaborated the superiority，and joined the actual situation what existing sensor technology，proposes one kind of feasible plan of wireless sensor point． Keywords：monitor and controller system；sensor；Wireless Sensor Network；ZigBee；intelligent sensor point 现有的矿用安全生产监控系统中，传感器作为 板，传感器与监控分站之间只能形成一条物理链路， 最前端的数据采集单元，是监控系统检测各种环境 如果通讯电缆损坏，通讯立即中断，且传感器数据信 参数、设备运行参数以及生产情况的组成部分。目 号不能通过其他途径传达给监控分站；④功能拓展 前，国内生产的监控系统选用的传感器包括：①用于 受到限制，不能实现对作业人员、移动目标的位置监 检测环境参数，如气体浓度、风速、温度、压力、烟雾 控等等。 等；②检测生产作业中的参数，如煤仓煤位、水仓水 研究和开发无线技术的传感器可以较好地解决 位、供电电压、供电电流、功率等模拟量；③检测水 上述问题。基于ZigBee协议的无线传感器节点，由 泵、提升机、局部通风机、主要通风机、胶带机、采煤 机、开关、磁力启动器运行状态和参数等。这些传感 于采用2．4 G的无线收发技术，具有以下优点：①不 受电缆的约束，成本低；②采用多跳路由，具有自组 器检测到的现场参数信号通过通讯电缆被传递到监 网的特点，单个节点故障不会导致系统的瘫痪；③功 控分站，再由分站传达地面监控中心站，各传感器与 耗低，适用于采用电池供电；④可以安装在作业人员 分站之间的数据多采用200—1 000 Hz的频率信号 身上，对其生理参数和地理位置进行监控。 传输。 目前使用的传感器，由于信号通过通讯电缆传 递，其存在以下不足：①安装成本高，运营和维护不 便；②传感器的安装位置相对固定，难以适用于位置 相对不固定的移动目标的检测；③组网形态单一、死 收稿日期：2007—10—30 基金项目：辽宁工程技术大学优秀青年基金资助项目(07At30) 作者简介：张勇志(1980一)。男。辽宁葫芦岛人，硕士，助教，现从事 教学工作。 1 ZigBee协议简介 1．1 ZigBee协议栈 ZigBee是基于IEEE．802．15．4基础之上的短 距离、低功耗的无线网络技术。完整的ZigBee协议 栈由应用层(APL)、网络层(NWK)、中间访问控制 层(MAC)和物理层(PHY)组成。网络层以上协议 由ZigBee联盟制定，IEEE802．15．4负责物理层和 中间访问控制层。 (1)物理层。物理层负责完成以下任务：激活 ·20· 万方数据 

2008年第2期 张勇志等：基于ZigBee协议的矿用传感器设计 总第152期 和停止无线传输；当前信道的能量探测；接收数据包 可以灵活确定其安全属性。 的连接质量指示；CSMA．CA空闲信道评估；信道频 (7)实现成本低。模块的初始成本估计在6美 率选择；数据的传输和发送。 元左右，很快就能降价，且ZigBee协议是免专利费 (2)中间访问控制层。IEEE802．15．4的MAC 的。 层能支持多种LLC标准，通过SSCS(业务相关的会 (8)协议套件紧凑而简单。ZigBee协议套件的 聚子层)协议承载IEEE802．2类型的LLC标准，同 需求估计：8位微处理器，如80c51；全协议套件软件 时允许其他LLC标准直接使用IEEE802．15．4的 需要32 KB的ROM；最小协议套件软件大约4 KB MAC层服务。MAC沿用了WLAN中802．11系列 的ROM。 标准的CSMA／CA方式，以提高系统的相容性。所 谓的CSMA／CA是在传输之前，先检查通道是否有 2基于ZigBee协议的矿用无线传感器设计 资料传输，若无资料传输，则开始进行资料传输动 矿用监控系统所适用的传感器虽种类繁多，但 作，若产生碰撞，则稍后重新再传。 结构组成基本一致，主要有检测与变换电路、MCU、 (3)网络层。ZigBee联盟制订ZigBee可支援 通讯接口以及电源电路组成，不同传感器的区别在 Star、Cluster Tree与Mesh三种网路架构，在各个节 于检测与变换电路的不同。这里以温度传感器为 点之角色方面，可分为全功能设备(FFD)与精简功 例，说明无线传感器的设计方法(图1)。 能设备(RFD)。与FFD相比，RFD的电路较为简单 图l中的温度检测元件采用Dalls／Maxim公司 且记忆体较小。FFD的节点具备控制器之功能提供 的一线制集成温度检测模块DSl8820，其外部电路 资料交换，而RFD则是只能传送资料给FFD或是从 简单，功耗低，特别适合应用于低功耗和分布式的数 FFD接收资料。 据检测场合。图1中的DSl8820采用寄生供电方 (4)应用层。应用汇聚层主要负责把不同的应 式，DSl8820的电源从数据线DQ端获得。 用映射到ZigBee网络上，具体而言包括：安全与鉴 CC2430是基于IEEE802．15．4的2．4 G的SOC 权；多个业务数据流的汇聚；设备发现；业务发现。 1．2 ZigBee协议的优势 (1)功耗低。由于工作周期较短，且采用了休 眠模式，故收发信息功耗较低。 (2)数据传输可靠性高。采用了碰撞避免机 (System．On．Chip)，内部整合了8052的内核和 IEEE802．15．4无线收发器(RF)的全部功能。其中 RF功能还包括能量觉察Energy detection／RSSI (Receive Signal Strength Indicator)功能，可用于短距 离无线定位。另外，CC2430还具有超低功耗的优 制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时 点，休眠模式电流仅0．9 p．A；具有电池电压检测和 隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。中间访问控 温度监控功能，是较佳的ZigBee节点的解决方案。 制层采用了完全确认的数据传输机制，发送的每个 数据包都必须等待接收方的确认信息。 3 程序说明 (3)网络容量大。一个ZigBee网络可以容纳最 图1所示电路已经实现ZigBee协议的最下面2 多65 536个从设备和一个主设备，一个区域内可以 层，即IEEE802所包含的物理层和中间访问控制 同时存在最多100个ZigBee网络。 层，ZigBee除IEEE802．15．4所包含的2层外，网络 (4)时延小。针对时延敏感的应用做了优化， 层和应用层需要由软件来实现。IC的供应商以库 通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。设备搜 索时延典型值为30 ms，休眠激活时延典型值为15 ms，活动设备信道接人时延为15 ms。 文件的形式向用户提供完整ZigBee协议栈，用户仅 仅完成应用程序的设计便可。应用程序包括各部分 功能模块的初始化，中断处理和读写DSl8820的温 (5)兼容性。与现有的控制网络标准无缝集 度检测程序。其中初始化程序包括系统主时钟源设 成。通过网络协调器(Coordinator)自动建立网络， 置、ADC初始化、串口(UART)初始化、时钟模式初 采用CSMA—CA方式进行信道存取。为了可靠传 递，提供全握手协议。 始化、AES(Advanced Encryption Standard)初始化、 RF初始化、中断初始化和DSl8820初始化等。由 (6)安全性。ZigBee提供了数据完整性检查和 于文章篇幅限制，这里给出主程序的流程图，如图2 鉴权功能，加密算法采用AES一128，同时各个应用层 所示。 ·21· 万方数据 

2008年第2期 中州煤炭 总第152期 圈1温度传感器电路 络拓扑、系统的构成等。 参考文献： 孙继平．煤矿安全监控新标准、新规程汇编及煤矿安全监控系 统设计与选型手册[M]．北京：中国矿业大学，2002． [2】 孙君顶，李长青，毋小省．KJ93煤矿安全、生产监控系统中数据 传输的研究[J】．焦作工学院学报(自然科学版)，2001(1)：58 —61． [3】 李长青，朱世松，赵建贵．煤矿安全和生产监控系统的现状与 未来发展趋势[J】．焦作工学院学报(自然科学版)．2000(2)： 44-48． [4】 CuiLi ere．Overview of Wireless Sensor Networks，Journal of Cam· purer Research and Development，2005．42(1)：163—174． [5] Ren Fengyu¨，Hung Haiming，Lin Chu蚰g．Wireless Sensor Net- works[J]．Journal of Computer，2003，14(7)． 【6】 Dynamic sensor network(DSN)【EB／OL]．http：／／www．east． isi．edu／projects／DSN／． [7] Sinhua A．Chandrakasan A．Dynamic power management in wire· less S4ellsor network[J】．IEEE Desi@n and Test ofComputer，2001， 圈2主程序流程 18(2)：62—74． 4 结语 设计其他传感器时，仅仅需要改变图l中的检 测与变换模块电路；设计检测与变换电路时，要4电jj0 注意功耗要求，应选择低功耗元件；组成完整的监控 系统，除了节点设计外，还需研究设计无线传感器网 ·22· 万方数据 [8】 [9】 【lO】 …、 IEEE Std 802．15．4-2006[OL】．http：／／www．ieee．o曙． ZigBee Specification 2005[OL]．http：／／www．zigb∞．org． Chipcon AS．Texas Instruments，CC2430 User Manual。http：／／ WWW．ti．tom，http：／／www．chipcon．com Dallas，Maxim。DSISB20 User Manual，http：／／www．maxim—ic． (责任编辑：鄞海霞)