外文翻译基于ZigBee无线传感器网络的矿工的位置探测研究.docx

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外文翻译基于ZigBee无线传感器网络的矿工的位置探测研究

文献翻译

二级学院电子信息与自动化学院

班级108070102

学生姓名学号10807010213

译文要求

1、译文内容必须与课题（或专业）内容相关，并需注明详细出处。

2、外文翻译译文不少于2000字；外文参考资料阅读量至少3篇（相当于10万外文字符以上）。

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译文评阅

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指导教师：

年月日

基于ZigBee无线传感器网络的矿工的位置探测研究

张秀萍,韩广杰,朱昌平,窦燕,陶剑锋

河海大学计算机与信息工程学院

中国常州

E-mail:

zhangxiup@Zhucp315@

摘要：

随着计算机的飞速发展，通信和网络技术，特别是无线传感器和嵌入式技术的应用，使得无线传感器网络（WSNs）技术在产业领域和我们的日常生活得到了广泛关注。

基于ARM7TDMI-S CPU和ZigBee的WSNs在提速和优化网络移动节点的应用，丰富的信息采集中，以及在通信中实时时间的协调均有可取之处，具有低功耗连续作业特点，因此它是非常适合用于确定矿工在地下的位置。

本文提出和分划WSN的网络计划及信息处理与通信技术，重点专注于实时协作。

通过传感器准确获得矿工的移动信息。

之后的位置信息传送可靠的监控中心。

不断变化的运行测试结果表明没有信息丢失或者没有未被采集到的信息。

因此，这个计划是稳定和有效的，将在煤矿安全中发挥积极作用，在我看来这正是Zigbee无线传感器网络的正确特点。

关键词：

ZigBee的ARM7TDMI-S内核; CC2420的;无线传感器网络;矿工位置确定

一、简介

无线传感器网络（WSNs）是规模大，无线自组织网络。

它是整合计算机通信，网络技术，嵌入式MCU和无线传感器技术，具有感知和沟通能力。

【1】节点有低

低成本，小尺寸特点。

其中大部分可以工作区域传播，收集数据，并进行处理数据和通信。

无线传感器节点通常工作在无线电频率（RF）频段。

节点构成一个分层架构现场监测数据的网络。

它通常适用在工业，农业，远程医疗和环境监测。

我们都知道，煤炭生产中的威胁复杂的工作条件，如有毒气体，透水，塌陷，顶板等。

【2】一旦发生事故发生时，它会危及矿工的生命。

因此它是地面人员的当务之急，要明确矿工的确切位置，以便为及时采取措施。

因此为矿工成立一个无线传感器网络监控矿井有很大的应用价值。

二、方案优选

矿工的位置监测系统主要技术规范要求归纳如下：

（1）定位精度为10米。

煤矿巷道狭窄，弯曲复杂所以安全监控系统需要捕捉监测点。

（2）低数据速率。

发送数据的量要小，但必须具有高可靠性。

（3）低功耗。

事实上较大的电源在地下是不允许使用的（4）成本低监控系统设备。

【3】

几种无线传输模式的比较如表1所示。

ZigBee技术是复杂性低，低功耗，低数据速率，低成本，无线通信技术，它采用IEEE802.15.4协议。

它可以嵌入在设备中，具有地理位置的功能。

它工作在数据传输速率为250kbps。

每个节点的范围是通常在10〜100米。

范围可高达有1〜3公里通过增加RF发射功率。

它可以迅速作出反应。

从睡眠状态只需15ms的工作状态和30ms的访问网络。

那定义了三个网络拓扑结构，包括星型拓扑结构，集群拓扑和网状拓扑结构。

节点多达65000，可以组织大容量数据传输网络平台。

三级安全模式，使用灵活，以确定其安全属性。

免费的专利协议，免执照频段。

 ZigBee的工作在2.4GHzISM频段，采用直接序列扩频频谱（DSSS）调制。

【4】

表1无线传输方式的比较

ZigBee

BlueTooth

UWB

Wi-Fi

cost

Lowest

Lower

Highest

Higher

Battery

lifetime

years

days

hours

days

Effective

range（m）

10~75

10

30

100

Baud

rate

20/40/

250Kbps

1M~3M

bps

40M~

60Mbps

5.5/11

Mbps

protocol

IEEE

802.15.4

IEEE

802.15.1

IEEE

802.14.3

IEEE

802.11

b

Assigned

band

868M/915M

/2.4GHz

2.4

GHz

3.1G~

10.6GHz

2.4

GHz

考虑上述因素，与ZigBee的无线传感器网络技术能适应长期的矿工位置在低成本，低数据速率，低功耗的监控消费，可靠性高，所以这项计划是通过在coalminer上的定位系统。

在设计过程中，首先确定网络结构，然后设备选择和相关电路设计，包括无线网络，接收模块采用MEGA128和CC2420，变电站模块应用LPC2114等。

最后是通信协议和相关软件设计和调试。

三、无线传感器网络设计

系统功能：

（1）实现井下矿工定位，及时却定自己的位置以便在事故发生时，提高救援效率。

（2）管理矿工进入或外出矿井的时间和频率，得到了矿工的动态位置信息，从而提高管理绩效。

（3）追溯历史数据，统计和分析决策。

A无线传感器网络结构和硬件设备的设计

我们的设计采用混合拓扑结构。

在目前比较大的电源不允许在矿井使用。

星型拓扑结构网络是比较容易控制并同步与低功率消耗，因此它在第一层应用。

总线拓扑结构应用于第二层，因为波形传输数据在这种环境下有失真。

ZigBee无线传感器网络设计矿工定位有四个部分：

1）监控和管理软件平台（主节点）：

负责收集人员从网络位置信息，追溯数据，统计和分析，并在显示结果图形的形式。

2）监视变电站：

这是全功能负责接收信息的设备节点，从无线接收器和输出的移动节点数据处理的主节点。

3）无线接收器（无线传感器节点）：

这是负责检测信息矿工的工作区域内，并把它发送到按照与通信的变电站协议。

4）无线代码发射器：

减少功能的设备节点，可以很容易地固定在矿灯盒，头盔，腰带，或放在口袋里。

代码发射器发出的射频信号进行矿工“身份信息。

当矿工是在移动中工作区的无线接收器，他的信息将由接收机接收被转移到变电站。

【5】

系统结构如图1所示。

在地面上的人员定位系统监控主机组成，备份计算机，交换机，服务器，通信接口，避雷器及其他外围设备。

监控中心PC和相应的存储和分析数据数据库系统，然后可以得到每个矿工的立场在任何时候的信息。

人员定位系统地下是无线传感器网络，它是变电站，无线接收器，代码发射器组成，矿用隔爆型和本质安全电源等，这将完成收集和传输矿工的位置，时间等信息。

硬件设计人员定位系统地下将详细介绍如下。

B.变电站设计

煤矿变电站是第一级子节点。

每变电站的设计，加载6个无线接收器。

它定期检测指令发送到接收确定无线接收的信息是要在同一时间收到的，然后接收矿工的身份从无线接收的信息。

变电站处理，存储和显示接收到的数据。

它会等待命令从主机电脑和发送在地面上的数据监控中心通过现场总线。

通常有数百名矿工在一个煤矿，矿井隧道错开在短短公里。

所以11变电站的设计，它可以加载最多66个无线接收器。

在这个方案中，LPC2114的CPU选择变电站的设计【6】。

 LPC2114是基于一个16/32-bit的ARM7TDMI-S CPU与实时仿真和嵌入式跟踪支持，其紧凑的64引脚封装，低功耗，多个32位定时器，4通道10位ADC，PWM通道和46个快速GPIO线多达9个外部中断引脚。

多个串行接口，包括两个UART（16C550），快速I2C和两个SPI。

随着广泛的串行通信接口，这是非常适合接收数据。

C.无线接收器设计

当矿工与无线移动代码发射通过一个无线接收器，代码发射器矿工的身份证号码的信息传递到无线接收器，然后开始分析信息。

当检测指令到达​​时，它会按照数据发送到变电站建立协议。

 Atmel的ATmega128的芯片公司用于微控制器，智能射频Chipcon公司的CC2420芯片ZigBee功能是用来作为无线收发器。

ATmega128是一个低功耗的CMOS8位增强的AVRRISC微控制器的基础上结构。

 CC2420是一个真正的单芯片2.4GHz的IEEE

802.15.4标准的射频收发器的低功耗设计与低电压无线应用。

它包括一个数字直接序列扩频提供有效数据速率为250kbps。

这是适合两个全功能设备（FFD）和减少无线传感器功能设备（RFD）网络【7】。

配置接口和CC2420的发送/接收FIFO的访问通过4线SPI接口（SI，SO，SCLK，CSN）。

如上面提到的，很多优秀的功能使CC2420的和MEGA128特别适合我们的立场系统。

 MEGA128和CC2420之间的接口如图2所示。

无线接收器沟通与变电站通过RS485。

数据传输波特率设置为1200bps。

最大通信距离之间变电站和无线接收到5公里。

75LBC184芯片采用的是电压的接收器转换之间以RS485和RS232UART的CPU引脚传输数据。

当DE引脚75LBC184的高层次，转递是有效的，后，CPU的UART引脚传输数据的无线接收器。

当/RE的75LBC184针是低层次的，接受是有效的，那么CPU可以接收数据从RS485。

如果接收机的地址符合检测指令的地址，将接收器配置发送状态和发回数据块变电站。

图2 CC2420的单片机接口

D.电源的设计

防爆和安全电源常用在可燃气体和煤尘的危险环境。

它采用双重保护措施过电压和过电流，三18DC电压输出，500〜千毫安的电流输出。

它可以提供功率为1变电站和6接收器，在同一时间，紧凑的尺寸和重量轻。

E.无线代码发射器

矿井代码发射器传输识别独立的数字代码的时间间隔（每3秒）。

代码用于识别人员信息。

代码发射器组成的高频发射（调制器），微控制器，电池和天线。

这使得利用ZigBee技术，2.4GHz的发射频率，FSK调制，传输功率小于0 dBm时，电源电压2.0〜3.4V。

它有两种状态：

工作与睡眠。

目前的工作是少小于1mA，休眠电流小于10，以降低其耗电量。

与微型封装可固定在矿工鈥檚灯箱，头盔，腰带，或口袋里。

如果车辆使用的，它应该被固定在非金属零件上，以及尽可能高的安全地带。

四、通信软件设计变电站和无线接收器

A.时间调整

实时通信之间的合作节点是必需的，因此需要时间同步。

时间调整过程：

系统启动时，变电站将收到指令调整时间。

然后将它发送到一号接收机。

收到后从1号确认，然后将它发送到2号接收机，依此类推，直到最后一个。

如果有不承认从一个接收器，变电站将等待一段时期时间，然后去到下一个。

如果一个接收器没有承认的3倍，它会被标示“故障”的和变电站液晶显示。

调整时间后，变电站检测反过来接收机并收集矿工的身份识别信息。

接收器发送数据块到变电站，同时变电站传输接受信息以相应的接收器。

只有接受信息被接收器成功接收，变电站确认数据块是否是有效的。

B.通信软件设计

通信软件的设计应考虑到以下三个因素：

1）无线接收器接收无线电信号代码发射器，并分析成数字信号。

微接收器控制单元（MCU），有4线SPILPC2114的CPU接口，具有2线SPI接口，所以数据通过SPI总线传输到变电站形式的外部中断。

2）发送数字信号显示电路。

LPC2114器件支持I2C总线传输，所以可以传输数据，显示驱动电路通过I2C总线。

3）包装数据。

如果监控中心发出定期检测的指令，将数据传输到变电站。

实时坐标是整个系统所必需的，使数据传输实时。

考虑代码发射器传输数据之一时间每3秒，数据打包，每8秒钟根据协议，在定时器中断，使接收到的数据可以传输到变电站的CPU时间。

基于上述分析，有4个中断传感器节点软件

1）外部中断数据传输。

2）数据显示I2C中断。

3）包的定时器中断。

4）UART中断接受定期检测指令。

5）变电站的CPU收到的数据块需要有时间的数据，所以在变电站和接收时间应该是相同的。

时间数据来自监测中心通过LPC2114的CPU MEGA128单片机。

C.数据包装协议

变电站和接收器之间的数据封装协议【8】设计的两个方面。

1）变电站发出了如下的说明。

a）调整指令。

框架结构：

帧头（5 FF）+接收号（1字节）+指令（23）号（1字节）+年+月（1字节）+日（1字节）+时间（1字节）+分钟（1字节）+（1字节）+检查（2个字节）。

b）定期检测指令。

框架结构：

帧头（5 FF）+接收号（1字节）+指令第（20）+检查（2个字节）。

c）确认指令的信息。

帧结构：

帧头（5 FF）+接收器号（1字节）+指令号（21）+检查（2个字节）。

2）接收器发回如下说明

a）调整时间指令的识别。

帧结构：

帧头（5 FF）+接收器号（1字节）+指令号（23）+检查（2个字节）。

b）定期检测指令的识别。

帧结构：

帧头（5 FF）+号接收器（1字节）+指令号（20）+天（1字节）+（1字节）+分钟（1字节）+第二（1字节）+人数（1字节）+识别编号1（2字节）+...+识别码数n（2字节）+检查（2字节）。

c）信息识别确认指令。

帧结构：

帧头（5 FF）+号接收器（1字节）+指令号（21）+检查（2个字节）。

D.网络演习

在这个人员有11个变电站全球定位系统，可以最多装入一个变电站6接收机。

因此，网络最多可以监测11x6xn矿工。

随着变电站和无线接收器之间的沟通，接收器可能随机下降。

一旦下降，将不再是检测中断接口。

这种现象是长时间的沟通后发现，这是很难确定是所使用仿真工具的原因。

通过查找表和分析，可以发现故障原因。

在时间序列故障如图3所示。

图3故障的时间序列

由于程序的运行时间是不一样的在不同的接收器，时间上分析通讯协议指令也不同。

有人完成早一点，而其他一点点更高版本。

例如，变电站发送出查询在T1，接收指令0X01地址饰面分析T2指令。

如果它的地址符合查询条件，它开始响应时间t3，而0x04的完成接收分析指令T4。

接收与回应0X01结束在T5。

在时间T3和T4，数据发送0X01不能接收0x04的。

当结束的象征从0x01，它被认为是一个新的框架0x04的接收，然后再开始分析。

有时候，它可以分析故障帧“成功”奇偶检查，限制在这样的方案，最终会导致混乱和下降。

图状态机流程图

通过深入分析，发现有一些通讯程序的结构缺陷：

发送缓冲区和接收缓冲区的份额同一个LPC2114的CPU。

虽然这种方法可以节省大量的RAM的单位，多接收器的情况下，会出现问题。

为了改善它，队列被用于串行缓冲器，因为有足够的RAM单位LPC2114。

发送缓冲区和接收缓冲区分隔。

状态机的方法是用来发送和接收数据，在这种方式，它可以解决两个问题：

频繁通断中断处理和解码错

流程图加入错误控制措施，如图4所示。

这个状态机的方法，很好地解决了问题接收果酱。

一个星期后，被测试，所有接收机工作正常，无堵塞发生。

另一个明显的问题是变电站收到失真的波形。

脉冲匹配电阻RS485的两端，波形得到改善。

它显示在图5。

大量的测试结果证明，数据从代码发射器发射，可接收和检测传送到监控中心率达到100％，该系统是稳定的和有效的。

五、结论

无线传感器网络将对21世纪的行业和我们的日常生活有很大的影响。

这提出了基于ZigBee的WSN的项目技术，它是在煤矿行业中使用。

WSNs的硬件和软件设计详细。

系统测试证明该系统能正常工作可靠。

基于ZigBee人员定位系统在煤矿行业中具有很大的价值。

这是一定会在煤矿安全生产中发挥积极作用。

图5改进的波形

六、参考文献

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[2]张修平.矿井监控系统的研究葫芦及其实现[J].工矿自动.feb.2007.78-79

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研究面临的挑战“，特设网络（ELSEVIER）2006年（4）.669-686

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[5]李滨，田亚平.ZigBee无线传感器中的应用网络在工业领域的研究[J].山西科技大学。

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[7]曲磊,刘晟德,胡贤斌.ZigBee技术和apllication.北京航空航天大学

航天大学出版社

[8]任秀丽,于海斌.实现技术的研究ZigBee无线通信协议.计算机

工程与应用.2007,43（6）:

143-145

附（外文文献原文）：

ResearchofWirelessSensorNetworksbasedonZigBeeforMinerPosition

XiupingZhang,GuangjieHan,ChangpingZhu,YanDou,JianfengTao

CollegeofComputer&InformationEngineering,HohaiUniv.

Changzhou,China

E-mail:

zhangxiup@Zhucp315@

Abstract—Withtherapiddevelopmentofcomputercommunicationandwebtechnology,especiallythewidelyapplicationofwirelesssensorandembeddedtechnology,WirelessSensorNetworks（WSNs）havebeenpaidgreatattentioninindustryfieldandourdailylife.WSNsbasedonARM7TDMI-SCPUandZigBeedevicehasmeritofrapidandsimpleinnetworking,nodemovableinapplication,abundantinformationinacquisition,realtimecollaborationincommunication,lowpowerconsumptionincontinuousoperation,soitisverysuitablefortargetingminer’spositionunderground.Inthispaper,networkingschemeoftheWSNispresented,anddistributedinformationprocessing,communicationtechnologyandrealtimecollaborationarefocusedon.Miner’sinformationinmobileisobtainedaccuratelybysensor.Afterthatpositioninformationistransmittedreliablytomonitoringcenter.Testresultincontinuousoperationshowsthereisnoinformationlossorundetected.Thereforethisschemeisstableandeffective,whichwillplayapositiveroleforsecurityincoalminebyrightofcharacteristicsofZigbeeWSNsinmyopinion.

Keywords-ZigBee;ARM7TDMI-S;CC2420;WSNs;Minerpositionning

I.INTRODUCTION

WirelessSensorNetworks（WSNs）isalargescale,wireless,self-organizationnetwork.Itisintegrationofcomputercommunication,webtechnology,embeddedMCUandwirelesssensortechnologywhichhastheabilitytosenseandcommunicate[1].Nodesareoflowcost,smallsize.Mostofwhichcanspreadintheworkregion,collectdata,processdataandcommunicate.WirelesssensornodesusuallyworkatRadioFrequency（RF）band.Nodesconstituteatieredarchitecturenetworksonsitedatamonitoring.Itisusuallyappliedinindustry,agriculture,telemedicineandenvironmentalmonitoring.Weallknowthatcoalproductionisinthethreatofcomplexworkingconditions,suchaspoisonousgas,pervious,collapse,apicalplate,etc[2].Onceaccidentoccurs,itwouldendangerthelivesofminers.Thereforeitisurgentforthegroundstafftomakecleartheminers’exactlocationsoastotakemeasuresItime.ThefoundingofaWirelessSensorNetworkforminerpositionmonitoringhasgreatapplicationvalueinmine.

II.SCHEMESELECTION

Maintechnicalspecificationrequirementsofminerpositionmonitoringsystemaresummarizedasfollows:

（1）Positionprecisionis10meters.Coalmineroadwayisnarrow,crookedandcomplicated,sosafetymonitoringsystemneedstocapturemoreofthe

monitoringpoints,

（2）Lowdatarate.Theamountofdatatobetransmittedissmall,howev