-PAGE1-某煤粉濃度檢測系統(tǒng)的設計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u5261.1系統(tǒng)硬件總體框架 1155521.2系統(tǒng)硬件總體方案設計 2277061.2.1傳感器節(jié)點 3144781.2.2協(xié)調(diào)器節(jié)點 1158851.2.3路由節(jié)點 11302991.3系統(tǒng)軟件設計 12228961.3.1開發(fā)環(huán)境與協(xié)議棧 1264161.3.2系統(tǒng)軟件總體設計 1667231.3.3協(xié)調(diào)器軟件 1698251.3.4路由節(jié)點軟件 1889821.3.5終端傳感器節(jié)點軟件 1964631.3.6網(wǎng)絡測試 211.1系統(tǒng)硬件總體框架現(xiàn)有的煤粉檢測定位系統(tǒng)主要包括傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[31]、大型移動機器人的搜索定位[32]、小型移動機器人的定位和無線傳感器粉塵檢測定位[33]。鑒于上述特點和要求，最后選擇了無線傳感器網(wǎng)絡技術作為煤粉泄漏源檢測系統(tǒng)的構建技術。為了更好地應用于空曠環(huán)境的檢測，無線傳感器網(wǎng)絡中大量的傳感器節(jié)點分布在探測區(qū)域內(nèi)，各節(jié)點之間采用基于Zigbee通信協(xié)議的無線通信方式組成自組網(wǎng)，最終實現(xiàn)對探測環(huán)境下煤粉濃度的監(jiān)測和煤粉泄漏源的定位。對于煤粉檢測定位系統(tǒng)，設計了一種基于煤粉濃度檢測部分、中心節(jié)點和上位機的煤粉泄漏源檢測以及定位系統(tǒng)，就像下圖1.1所示。圖1.1煤粉泄漏源檢測與定位系統(tǒng)總體示意圖Fig.1.1Thediagramofpulverizedcoalleaksourcedetectionandlocationsystem煤粉濃度傳感器承當采集監(jiān)控空間煤粉濃度信息的任務，再經(jīng)由無線傳感器收集傳輸至收集傳輸部分；中間節(jié)點模塊就會將煤粉濃度感知模塊傳輸?shù)接泄潭ㄒ?guī)律的數(shù)據(jù)傳輸過程，并運轉研究的定位算法，確定煤粉泄漏源的位置，提供給主機；上位機負責收集煤粉濃度數(shù)據(jù)，繪制各種監(jiān)測曲線，發(fā)送預警等。1.2系統(tǒng)硬件總體方案設計本論文利用Zigbee無線傳感網(wǎng)技術[34]構建了一個以煤粉傳感器節(jié)點為探測節(jié)點的定位檢測裝置。紫峰技術具有電量耗損少、原理簡單、花費少的固有長處，而且又擁有傳輸距離不遠、數(shù)據(jù)速率不高的特點，見表1.1。根據(jù)以上特點和要求，本文設計了一種基于Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡能夠滿足設計系統(tǒng)的基本要求，通過這些節(jié)點間的能量消耗較小，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的傳輸處理。總的方案設計見圖1.2：表1.1Zigbee無線傳感網(wǎng)絡特點Table1.1ThecharacteristicsofZigbeewirelesssensornetwork特點表現(xiàn)傳輸速度低20kb/s-250kb/s完成一些小數(shù)據(jù)的傳輸，對視頻、音頻等數(shù)據(jù)不適合頻段多可以隨便在1.5GHz、867MHz以及816MHz等頻段工作，并有多個擴頻通信信道容量很高網(wǎng)絡最多容納55000多個節(jié)點，對于大部分的分布，優(yōu)勢大動態(tài)組網(wǎng)、自動路由網(wǎng)絡是動態(tài)的，支持動態(tài)網(wǎng)絡、自動路由、支持正在進行的工作、添加和退出節(jié)點功耗低待機時功率為μW，僅幾十兆瓦（用于短距離通信），兩個干式電池供電時間最長可達8個月安全性能高借助硬件內(nèi)置的CRC控制和AES-128加密實現(xiàn)全面的數(shù)據(jù)控制覆蓋范圍廣通過轉發(fā)，路由節(jié)點之間的多個過渡，通信距離可以從兩個節(jié)點之間的幾十米增加到幾百米，甚至1000米圖1.2總體方案示意圖Fig.1.2Thediagramoftheoverallschematic上位機監(jiān)控中間首要由上位機監(jiān)控中間和Zigbee傳感器收集組成，首要完成煤粉泄露數(shù)據(jù)的顯現(xiàn)、存儲和統(tǒng)計闡發(fā)處置等。在Zigbee的無線傳感收集中，監(jiān)測地區(qū)上散布著大量的煤粉濃度檢測傳感器節(jié)點，收集到大量的現(xiàn)場信息后，顛末預處置、轉換模塊的開端處置，將信息送到上位機?？偠灾?，終端傳感器節(jié)點收集的數(shù)據(jù)，調(diào)和節(jié)點盡力組網(wǎng)，路由節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)，中間節(jié)點（調(diào)和節(jié)點）搜集一切的終端節(jié)點信息，發(fā)送監(jiān)測中間處置定位泄露源，完成體系功能。無線傳感器收集體系的設想首要包含傳感器終端節(jié)點、路由器轉發(fā)節(jié)點、調(diào)和器收集節(jié)點等。在這些方式中，傳感器節(jié)點收集獲得現(xiàn)場情況信息，調(diào)和節(jié)點的功能是組建網(wǎng)絡，路由節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)，把通訊距離變得更遠，并且只要協(xié)調(diào)器節(jié)點可以組成網(wǎng)絡，一旦網(wǎng)絡搭建完成，協(xié)調(diào)器節(jié)點對路由器起功用調(diào)整的作用，上位機監(jiān)測經(jīng)由過程串口通信得到現(xiàn)場信息，并計算找煤粉泄漏源的位置。1.2.1傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)處理單元（包括控制器、存儲器）、RF收發(fā)模塊（包括系統(tǒng)傳感器節(jié)點）其中的數(shù)據(jù)處理模塊包括：傳感器、許多不同的傳感元件、煤粉采集裝置、電源部分等。下圖1.3顯示了它的具體組成結構框圖。圖1.3終端傳感器節(jié)點組成結構圖Fig.1.3theblockofterminalsensornodes1.煤粉采集裝置該煤粉收集裝配由煤粉響應室和真空泵組成，如圖1.4所示。將煤粉傳感器裝置裝配到煤粉響應室中，用于測量煤粉濃度需要有一定的流速，調(diào)節(jié)氣室內(nèi)煤粉流量的流速，以測定煤粉濃度。圖1.4煤粉采集框架圖Fig.1.4Blockdiagramofgascollection實驗結果表明，當采集裝置工作時，檢測區(qū)域的煤粉氣流進入反應腔，煤粉氣流在反應腔中流動，通過嵌入在反應室中的傳感器陣列，可感知探測煤粉氣流，并將其轉換成模擬信號輸出。1.傳感器及電路（1）不同測量原理介紹a.超聲波法[35]顧名思義，這種方法是通過超聲波來進行粉塵的檢測。具體的方法就是，在區(qū)域內(nèi)按照一定的規(guī)則放置檢測過程中所需要的發(fā)聲和接收設備，在生活中的時候，如果遇見粉塵，就會被粉塵所阻礙而造成音量的損失，然后通過計算粉塵數(shù)量和音量損失值之間的函數(shù)關系來測量粉塵濃度。這個方法測量的時候需要注意壓力，空氣的濕度，溫度，粉塵顆粒的彌散成分變化以及氣流的速度。b.激光法[36]激光法主要以光源為測量工具通過光源在待測區(qū)域中所穿透的粉塵濃度來測算出被測區(qū)域的粉塵濃度情況。這種測量法最大的優(yōu)勢就是，不需要在現(xiàn)場進行操作，就可以通過遠程操作來收獲比較精確的數(shù)據(jù)。而且操作方法比較簡單，應用起來也比較普遍。因此也備受許多需要進行粉塵濃度測量的行業(yè)的喜歡。而行業(yè)里測量粉塵濃度最常用的粉塵測量儀就是通過激光法的原理制作而成的。操作的過程中，可以收獲準確度比較高的粉塵濃度數(shù)據(jù)。即使是粉塵濃度比較低的環(huán)境也同樣不影響機器的使用以及準確性。c.過濾稱重法[37]用過濾器對本城的質(zhì)量進行稱量，也是一種比較常見的工程濃度測試方法。這種測量方法能夠用最簡單的技術收獲精確度很高的結果，所以我國的環(huán)保部門在進行粉塵檢測的時候，也很青睞這種方法。這種方法的具體原理就是在準備測量的地方提前安置一個性能很好且重量已知的過濾膜，然后在動力系統(tǒng)釋放規(guī)定的壓力和流量的作用下對數(shù)據(jù)進行采樣，然后空氣中的煤粉就會被自動吸附到過濾網(wǎng)，在對吸附了煤粉的過濾網(wǎng)稱重之后，用現(xiàn)有的重量減去過濾網(wǎng)原有的重量就能夠得出空氣中的粉塵情況。但是這種方法一般都是人工手動操作，操作過程比較繁瑣，而且數(shù)據(jù)收集的周期也比較長，所以一般不用做連續(xù)性的粉塵測量的要求。d.射線吸收法[38]射線吸收法也是一種能夠測量粉塵濃度的方法。這種方法是按照射線的輻射性原理，在待測的區(qū)域放射具有輻射性的射線，因為粉塵會阻擋射線的輻射，讓射線的能量越來越衰弱，所以可以通過測量射線的衰弱值來判定待測區(qū)域中的粉塵濃度量。這些測量方法的優(yōu)勢就是它的輻射面積比較寬，而且一些常見的光譜范圍都可以用這種方法進行操作，精度比前一種測量方法更高，而且靈活度也比較好。而它的能量源就是釋放射線的放射性同位素，這種材料，會對人體造成輻射上的傷害，所以在使用之前必須對操作人員做好防護設置，因此導致這種方法的操作成本高，而且設備維修的過程比較復雜。e.電容法[39]電容法的具體原理就是在具有可變參數(shù)的電容器里，通過傳感器進行機械量和電容量之間的轉化。在受測量的有力壓力振動，而引起直線改變或者極軸距離變化的時候，可以采用極軸距離變化類型。如果被測直線的角度和位移存在比較大的偏差，就可以采用面積變化類型。如果測量過程中介質(zhì)的溫度濕度和密度發(fā)生變化，就會采用介質(zhì)變化類型。（2）不同測量原理的比較表格1.1為不同煤粉濃度之測定方法之比較。鑒于現(xiàn)場工作條件下煤制氣行業(yè)各測量原理的優(yōu)缺點，綜合各檢測方法的優(yōu)缺點決定采用激光電容傳感器進行研究，這類傳感器具有對測試環(huán)境適應性強的特點、信號延遲性小、測量精度高、運行維護量低等優(yōu)良特點。表1.2不同煤粉濃度測量方法比較Tab.1.2Comparisonofdifferentpulverizedcoalconcentrationmeasurementmethods超聲波法激光法過濾稱重法射線吸收法電容法技術原理超聲波激光散射重量差微波平移電荷遷移適用范圍廣廣廣廣廣現(xiàn)場適應性較差好較好較好較好信號滯后性小小較大小小測量精度差好一般差較好運行維護量較小小一般較小一般（3）激光粉塵傳感器原理選擇ZH03B激光煤粉傳感器[40]，其實物圖如圖1.5所示，是一個通用的小尺寸模塊。采用米氏散射原理，檢測空氣中存在的粉塵粒子具有均勻性、穩(wěn)定性好的特點。串行輸出、PWM輸出、操作簡單。小巧，易于集成。該系統(tǒng)具有一致性好、實時性強、數(shù)據(jù)精度高、功耗低、分辨率最小等特點，可實現(xiàn)0.3微米的分辨。圖1.5ZH03B激光粉塵傳感器實物圖Fig.1.5physicalpictureofzh03blaserdustsensorZH03B傳感器技術指標如表1.3所示。如圖1.6所示，激光塵埃傳感器的基本原理是Mie散射理論，ZH03B將傳感器漫射光的結構和參數(shù)與激光光束產(chǎn)生的散射光信號強度分布信息相結合?？梢杂嬎愠鯢~D（光通量F和粒度D）兩個光學傳感器的光通量分布曲線。其質(zhì)量濃度可由粒度分布曲線、密度、取樣體積等來計算。表1.3ZHO3B技術指標Table1.3technicalindexesofZHO3B產(chǎn)品型號ZH03B檢測種類可吸入顆粒物輸出數(shù)據(jù)UART輸出PWM輸出工作電壓5V±0.1V工作電流＜120mA休眠電流＜20mA響應時間T90＜45s工作濕度0～80％RH（無凝結）工作溫度－10～50℃存儲溫度－30～70℃外形尺寸50×31.4×21mm(L×W×H)圖1.6粉塵傳感器測量原理圖Fig.1.6schematicdiagramofdustsensormeasurementprincipleZH03B的內(nèi)對角線方向，放置有和光軸相互交錯的紅外發(fā)光二極管和光電晶體管，當攜帶煤粉的空氣通過光軸時，煤粉會反射到紅色紅外光上，反射光強與煤粉濃度成正比。由于有了光電晶體管，即使很小的微粒也能被探測出來，另一方面，來自紅外發(fā)光二極管的光照射到粉塵時會反射光。這樣，受光傳感器就會檢測反射光的強度，并輸出信號。能夠通過反饋信號強度的大小來判斷粉塵的濃度是多少，如圖1.7所示，是以輸出兩個不同的脈寬調(diào)制信號（PWM）來判斷不同的煤粉粒子的濃度。圖1.7工作原理圖Fig.1.7workingprinciplediagram圖1.8ZH03B傳感器電路圖Figure1.8ZH03Bsensorcircuitdiagram3.CC2530核心模塊[41]ZigbeeWirelessRF模塊目前市場上的主要選項包括：itcorporationcc2530、freescalecorporationMC1321x和Jennifercompanyjn5121。在選擇主要模塊時，表1.4考慮了以下因素。表1.4核心模塊選型因素Table1.4Thefactorsofcoremoduleselection指標描述集成控制器減少系統(tǒng)復雜度，一般選擇控制器與射頻模塊能夠集成在一起存儲器大小Zigbee協(xié)議堆棧通常會占用更多空間防止存儲擴展，選擇更大的存儲量的型號外圍借口集成定時器、串口、A/D轉換、看門狗等發(fā)出功率考慮到通信距離和可靠性，請選擇具有更高傳輸功率的模型公司服務考慮生產(chǎn)公司售后服務是否為完善價格鑒于成本的考慮，價格也是一個重要考慮因素最后，決定采用TI公司的CC2530無線模塊使之成為我們所設計的傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的中樞。CC2530具有的優(yōu)點是256KB的閃存、位置辨別的能力更強和對數(shù)據(jù)的處理能力更好以及封裝更加精簡。另外，對于我們手上現(xiàn)存的的CC2430板，只需要用一個新的PCB板對其進行加工就達到CC2530所具有的功能。此外，CC2530可以與任何兼容良好的CC2430設備進行通信，表1.5顯示了這一點?？傮w而言，CC2530具有很高的可操作性，硬件設計很容易，封裝精簡，非常容易上手使用，在無線傳感器網(wǎng)絡技術方面的應用越來越廣泛。CC2530芯片的結構見圖1.9。表1.5CC2530特性Table1.5ThecharacteristicsofCC2530模塊描述中央處理器及內(nèi)存一個周期8051兼容的內(nèi)核、三種內(nèi)存訪問的總線、單個調(diào)試接口、18個輸入擴展中斷單元時鐘電源低壓穩(wěn)壓器為數(shù)字內(nèi)核和外圍設備提供電源，并幫助降低功耗外部設備21個GPIO、看門狗定時器、AES128協(xié)同處理器、8路輸入可配置的12位ADC、8位和16位定時器、2個USARTCC2530所具有的功能很多，操作起來很簡單，對于一般的簡單通信，只要有極少的外圍電路就能實現(xiàn)；對于通信距離比較遠的情況，可附加RF模塊，如圖1.10所示。4.電源模塊圖1.11中顯示的電源模塊原理圖是整個系統(tǒng)的能量核心，它為不同的系統(tǒng)提供了不同的環(huán)境條件下不同的供電。由于電池容量有限，一般情況下，即使設計節(jié)點功率很小，特別是在煤粉濕度高在保護措施缺失的情況下，干電池漏電也會使電池壽命受到限制，或者電池質(zhì)量有問題的情況下，由于電力供應不足，節(jié)點將無法工作，因此一般的干電池供電方式更適合于更換節(jié)點電池。另一種改進的電池供電方式是采用高容量可充式挪動電源供電，這類體例容量大，利用利便，具有簡樸的轉換模塊輸出。也有一種圖1.9CC2530片內(nèi)功能模塊結構圖Fig.1.9CC2530modulestructurefunctioninchipdiagram圖1.10CC2530外圍接口電路Fig.1.10TheperipheralinterfacecircuitCC2530方式是操縱監(jiān)測情況中的反射光或折射光，將太陽能轉化為電能充電電池提供電源，再把節(jié)點和充電電池連接為之供電，這類方式還能夠按照現(xiàn)實環(huán)境節(jié)制太陽能供電體例，經(jīng)由過程檢測節(jié)點的電量，設定適合的閾值，當電量小于此閾值時，起頭利用太陽能為電池供電，當節(jié)點的電量大于此門限值時，不再提供電源，一次又一次就可以了。另外，本體系還斟酌到了龐大的事情情況，必要較長的續(xù)航時候，并且，簡樸利便地挑選了以充電式挪動電源作為供電體系的焦點，該表1.6中列出了電源的詳細參數(shù)。表1.6電源具體參數(shù)Table1.6Thespecificparametersofpower電源名稱電池容量輸出電壓鋰聚合物電池5000mAh5V或12V圖1.11電源模塊原理圖Figure1.11Schematicdiagramofpowersupplymodule因為ZigBee模塊必須加3.3v電源，而開關穩(wěn)壓器LM1575-3.3可以將5v轉到到3.3v電源，所以選用該開關穩(wěn)壓器即可達到要求。LM1575-3.3采用TO-220芯片封裝形式，共有5個功能引腳。如圖1.12所示，LM1575-3.3芯片的開關插口與微型計算機的輸入輸出口P14連在一起，當P14插口處于低電狀態(tài)時，電路工作，當接高電時，穩(wěn)壓電路停止工作，ZigBee模塊停止工作，降低節(jié)點功耗。圖1.12電壓轉換原理圖Figure1.12Voltageconversionprinciplediagram1.2.2協(xié)調(diào)器節(jié)點協(xié)調(diào)節(jié)點最重要的作用就是承當網(wǎng)絡的自我組織和自我恢復、管理節(jié)點的各種操作、任務分配等，核心部分是由CC2530構成的，還供給了電源轉換模塊把5v電源改通過電路降到3.3v，達到適于CC2530的供電的要求，使用串行模塊與頂部計算機的串行端口通信，并通過液晶屏模塊查看節(jié)點參數(shù)的狀態(tài)。圖1.13顯示了具體的構成結構。圖1.13協(xié)調(diào)器節(jié)點結構框圖Fig.1.13Theblockdiagramofthecoordinatornode1.2.3路由節(jié)點因為Zigbee節(jié)點發(fā)送功率的限定，傳感器收集中的路由節(jié)點要對數(shù)據(jù)轉發(fā)賣力，單個節(jié)點之間的通訊距離也要遭到節(jié)點轉發(fā)的影響，是以，在通訊距離較遠時，需求擴亨衢由節(jié)點的通訊距離。本論文中所設想的路由器節(jié)點首要由CC2530模塊作為焦點，完成數(shù)據(jù)的處置，停止收集的處理，在不相同的調(diào)和器節(jié)點下，5V的3.3V的電壓轉換模塊，LCD顯現(xiàn)網(wǎng)絡連接狀況和節(jié)點通信狀況，串口部門完成PC調(diào)試和通訊，其布局框圖見圖1.14。圖1.14路由器節(jié)點結構框圖Fig.1.14Theblockdiagramoftherouternodes基于上述協(xié)調(diào)節(jié)點、路由節(jié)點和傳感器終端節(jié)點，形成無線傳感器網(wǎng)絡，實現(xiàn)了對泄漏煤粉進行監(jiān)測和通過上位機位置算法對泄漏源進行定位，如圖1.15所示。圖1.15傳感器網(wǎng)絡節(jié)點實物圖Fig.1.15Thephysicalmapofsensornetworknodes1.3系統(tǒng)軟件設計1.3.1開發(fā)環(huán)境與協(xié)議棧目前，開發(fā)EW嵌入式系統(tǒng)最完整的工具是C/C++交叉編譯器和調(diào)試器[42]，它還包括編譯、編輯和項目管理程序等等。為了便于用戶使用，EW可以為不同的MCU提供相同的接口，EW集成編譯器與C語言完全兼容，能夠進行浮點計算，代碼效果很好，而且很容易中斷處理等。此外，產(chǎn)生的程式碼遠比其他開發(fā)工具更有效率，并使用適合不同晶片的最佳化技術?？傊?，考慮到EW開發(fā)環(huán)境的優(yōu)勢，本文采用EW開發(fā)環(huán)境。協(xié)議棧是通訊兩邊實現(xiàn)詳細通訊尺度的一種狀態(tài)[43]，換一種說法，也就是用一套代碼實現(xiàn)一系列具有必然通訊功用的通訊。Zigbee和協(xié)議棧是一組基于OSI模子條理布局設想的Zigbee和談函數(shù)實現(xiàn)的函數(shù)庫。Zigbee和協(xié)議棧與其他無線通訊尺度比較，具有分層簡樸、利用利便的特性，其分層布局如圖1.16所示。圖1.16Zigbee協(xié)議棧的構成Fig.1.161CompositionofZigbeestack本文中Z-Stack-1.4.0-1.4.0的協(xié)議棧[44]符合最新TI標準Zigbee2007，與CC2530芯片上的處理方案兼容，從而既便利了節(jié)點的軟件設想和實現(xiàn)，又有必然的通用性和開辟性。這個協(xié)議棧是以函數(shù)庫的情勢分層封裝的，具有很好的條理性。具體的層次性結構見表1.7。Zigbee協(xié)議棧[45]能很好地體現(xiàn)Zigbee的功能，并根據(jù)自身需求，在應用層編寫相應的函數(shù)和任務，從而實現(xiàn)新的項目。Z-stack是Zigbee協(xié)議的一個具體實現(xiàn)，它能夠利便地辦理Zigbee和協(xié)議棧，并在基于和協(xié)議棧的開辟利用中引入利用框架。若是把特定的利用程序工具作為一個目標來處置，那么所需求實現(xiàn)的利用程序框架包括了撐持多使命的目標分派機制，以是Zigbee和協(xié)議棧必要OSAL來履行多使命。表1.7Zigbee協(xié)議內(nèi)容及功能Table1.7ThecontentandfunctionofZigbeeprotocolZigbee協(xié)議棧引入了操作系統(tǒng)的概念，并在協(xié)議棧的OSAL層進行了實現(xiàn)。OSAL就像圖1.17中顯示的那樣，它只需要完成從事件到任務的調(diào)度，然后根據(jù)特定的事件由相應的事件處理器來解決。圖1.17OSAL的任務調(diào)度機制Fig.1.17ThetaskschedulingmechanisminOSAL雖然OSAL層根據(jù)操作環(huán)境封裝了協(xié)議規(guī)范和一些軟件，但實際上，只要調(diào)用OASL提供的接口（ApplicationProgrammingInterface,API),OSAL層各個API函數(shù)就可以實現(xiàn)特定的功能，如表1.8所示。表1.8OSAL層API函數(shù)比較Table1.8ComparisonoftheAPIfunction函數(shù)描述信息管理API提供一種管理機制，用于外部級別的事件或任務之間交換信息任務同步API可以為任務指定一個事件，在安裝其中一個事件后進行編輯時間管理API允許計時器用于內(nèi)部任務和外部任務。該系統(tǒng)實現(xiàn)了計時器的啟動和停止功能，計時器可以通過ms進行設置中斷管理API在界面之外，可允許和禁止的操作斷任務管理API管理和添加OSAL中的任何角色內(nèi)存管理API描述了大量淺存儲分配系統(tǒng)電源管理APIOSAL電力處理系統(tǒng)簡介Zigbee和協(xié)議棧在事務輪回處置機制的根本上撐持OSAL層操縱體系。它的主函數(shù)存在于ZMain表中，整體來講，主函數(shù)首要完成了硬件的系統(tǒng)上電操作，同時也完成了軟件架構各個模塊的初始化和OSAL層的主輪回程序[45]。就像圖1.18所示，ZigBee和協(xié)議棧的事情流程由兩個初始化部門和OSAL操縱體系部門組成,初始化部門最重要的是初始化時鐘，還有就是檢測芯片電壓，每個定時器的初始化等，這部分也用于制備系統(tǒng)；進入操作系統(tǒng)后，確定任務的優(yōu)先級，并調(diào)用任務事件處理程序，完成相應目的的目的。圖1.18Z-Stack系統(tǒng)運行流程圖Fig.1.18FlowchartofZ-Stacksystemoperation1.3.2系統(tǒng)軟件總體設計系統(tǒng)的軟件設計包括三個主要部分:傳感器終端節(jié)點編程、路由節(jié)點編程和協(xié)調(diào)器節(jié)點，如圖1.19所示，組成Zigbee傳感器網(wǎng)絡。圖1.19系統(tǒng)軟件總體結構Fig.1.19SoftwarearchitectureofZigbeenetwork在功用上，從圖1.19中能夠看出，體系軟件分為三個方面：協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由節(jié)點和傳感器節(jié)點，并將其分別為收集辦理和數(shù)據(jù)收集傳輸。此中，網(wǎng)管部門首要完成調(diào)和組網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)的搭建、結點的進來、結點上的結點綁定、各結點之間的數(shù)據(jù)傳輸調(diào)和等。在煤粉濃度信息收集過程中，以數(shù)據(jù)傳輸為焦點，同時停止收集辦理，保管了數(shù)據(jù)的不變、靠得住傳輸。在數(shù)據(jù)收集傳輸部門，對應著三個硬件節(jié)點的功用。終究的傳感器節(jié)點判定收到的指令是不是為收集信息，若是獲得煤粉濃度信息，則終端傳感器節(jié)點挪用數(shù)據(jù)收集功用收羅濃度信息，挪用數(shù)據(jù)發(fā)送程序發(fā)送封裝數(shù)據(jù)包，若終端節(jié)點與調(diào)和器節(jié)點通訊距離充足遠，還需求轉發(fā)路由節(jié)點，不然將由調(diào)和器節(jié)點作為匯聚節(jié)點，同一領受各終端節(jié)點、路由節(jié)點發(fā)送的煤粉濃度信息，然后統(tǒng)一上傳上位機中的處置。1.3.3協(xié)調(diào)器軟件無線傳感器網(wǎng)絡的核心是協(xié)調(diào)器節(jié)點。其功能分為兩個主要方面:第一，整個網(wǎng)絡的初始裝配和對其他節(jié)點的訪問；第二代是作為聚合節(jié)點作為聚合節(jié)點收集路由節(jié)點和終端傳感器。節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)將上載到主計算機。當然，如果有多個終端節(jié)點同時，請求網(wǎng)絡，坐標未來得及處理節(jié)點就可能會放棄部分處理，此時，終端節(jié)點就會不斷發(fā)送請求，直至處理完畢。這一節(jié)還將從兩方面介紹協(xié)調(diào)節(jié)點的軟件設計，如圖1.20所示，它協(xié)調(diào)了節(jié)點的工作流程。1.協(xié)調(diào)器節(jié)點組網(wǎng)在系統(tǒng)通電后，協(xié)調(diào)器開始工作，起初，對軟硬件架構進行初始化，配置傳感器網(wǎng)絡。普遍景況下，協(xié)調(diào)器用電后，最先要進行能量掃描，判斷附近沒有網(wǎng)絡，假設附近已經(jīng)有網(wǎng)絡，只需選擇父節(jié)點添加網(wǎng)絡就可以了；倘若在功耗測試中沒有出現(xiàn)其他網(wǎng)絡，請樹立一個網(wǎng)絡作為協(xié)調(diào)節(jié)點。協(xié)調(diào)程序結束自己的初始化任務后，將處于掛機狀態(tài)，當收到另一個節(jié)點的請求時，將允許該節(jié)點加入網(wǎng)，并將網(wǎng)絡地址分配給該節(jié)點，如圖1.21所示。一般而言，協(xié)調(diào)程序的初始化工作包括硬件的初始化、界面的初始化和軟件架構的初始化。同時，協(xié)調(diào)器還需要完成自己配置的初始化，比如信道編號、PANID設置等。如表1.9所示。表1.9協(xié)調(diào)器初始化參數(shù)配置Table1.9Coordinatorparameterconfiguration參數(shù)默認值備注網(wǎng)絡信道號2011-26任意值PANID0x1230x0000-0x3FFF接收緩沖區(qū)大小1024BYTE1.協(xié)調(diào)器節(jié)點接收數(shù)據(jù)從終端傳感器節(jié)點和路由節(jié)點接收數(shù)據(jù)信息后，協(xié)調(diào)器節(jié)點將確定有效的數(shù)據(jù)信息，并通過串行端口將其上載到上層計算機，如圖1.22所示。從協(xié)議堆棧的最低MAC層到最高APP層[46]，每個層都使用解析函數(shù)以特定幀格式解析包。圖1.20協(xié)調(diào)器工作流程圖Fig.1.20Flowchartofcoordinatorwork圖1.21協(xié)調(diào)器組網(wǎng)流程圖Fig.1.21Flowchartofrealizingnetworkcoordinator圖1.22協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)流程Fig.1.22Flowchartofreceivingdatainacoordinator1.3.4路由節(jié)點軟件在網(wǎng)絡中，除了數(shù)據(jù)傳輸路徑，轉發(fā)分組之外的路由節(jié)點擴展了通信距離，并且具有網(wǎng)絡管理的功能并保持無線傳感網(wǎng)絡的正常操作。其程序配置和協(xié)調(diào)節(jié)點有些不一致，本文中使用的基礎知識只是下載程序的不一致。在路由節(jié)點的電流作用下，發(fā)現(xiàn)該網(wǎng)絡要求進入該網(wǎng)絡并與第一個響應該網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)者或路由節(jié)點結合，然后將該路由節(jié)點作為路由節(jié)點等待其他節(jié)點加入，如圖1.23所示。圖1.23路由節(jié)點的工作流程圖Fig.1.23Flowchartoftheroutingnodes1.3.5終端傳感器節(jié)點軟件最首要的功用就是終端傳感器節(jié)點能夠搜集現(xiàn)場情況數(shù)據(jù)并發(fā)送到路由器或調(diào)和器，同時還能夠領受和諧器或路由器的節(jié)制號令。軟件設想中可按照終端傳感器節(jié)點的功用分為：體系初始化、數(shù)據(jù)收集傳輸、休眠。圖1.24顯示了終端傳感器節(jié)點的工作流程。圖1.24傳感器節(jié)點工作流程圖Fig.1.24Flowchartofsensornode1.終端傳感器節(jié)點入網(wǎng)實際上，對終端傳感器節(jié)點進行電氣初始化之后，請求接入網(wǎng)絡的節(jié)點或路由節(jié)點被綁定到響應它們的第一聯(lián)系人，并且僅在綁定之后才彼此通信。一般來說，終端傳感器節(jié)點的登錄過程是，終端節(jié)點首先在整個網(wǎng)絡上發(fā)送登錄請求，等待接收協(xié)調(diào)器或路由器的響應，接收到響應后再發(fā)送連接請求，然后改請求等到有效響應，這樣的節(jié)點就成功入網(wǎng)，具體流程見圖1.25。1.終端傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)這一節(jié)以終端傳感器節(jié)點和協(xié)調(diào)人節(jié)點之間的通信為例，介紹了一種終端傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送程序。實際上，聯(lián)想到無線傳感器開發(fā)的低功耗情況下，當傳感器節(jié)點沒有發(fā)送請求或不需求發(fā)送數(shù)據(jù)時，傳感器節(jié)點就會進入休眠狀況，從而導致系統(tǒng)功耗增加。在休眠期，當節(jié)點受到干擾時，該節(jié)點就會恢復到工作狀態(tài)。Terminal[47]傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖見圖1.26。圖1.25終端節(jié)點入網(wǎng)流程Fig.1.25FlowchartofEnd-pointjoining圖1.26終端節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送流程Fig.1.26Flowchartofdatasendinginaterminalnode1.3.6網(wǎng)絡測試根據(jù)傳感器網(wǎng)絡的硬件平臺，分別對協(xié)調(diào)程序、路由節(jié)點程序和終端傳感器節(jié)點程序進行了下載量測試，并對整個無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)進行了通信拓撲分析和網(wǎng)絡結構分析。該方式起始對節(jié)點范例通過預定義，然后由終端傳感器節(jié)點主動拔取路由節(jié)點，自構造網(wǎng)絡，最初經(jīng)由過程串口調(diào)試助手對網(wǎng)絡進行驗證，并按照每個節(jié)點的父節(jié)點繪制分歧環(huán)境的網(wǎng)絡拓撲圖。協(xié)調(diào)器節(jié)點作為會聚節(jié)點向上位機發(fā)送附加的終端傳感器節(jié)點和路由節(jié)點的數(shù)據(jù)，后者經(jīng)過進程MT(MonitorandTest）協(xié)議進行處理，數(shù)據(jù)包按其幀格式分為以下幾種：SOF(StartofFrame)、可變長度數(shù)據(jù)包以及FCS(FrameCheckSequence）如表1.10所示。表1.10幀的格式Table1.10FrameformatSOFMT數(shù)據(jù)包FCS1字節(jié)3-256字節(jié)1字節(jié)在這些方式中，字節(jié)的SOF模塊代表了幀的開端，但凡0xFE；字節(jié)FCS作為幀的校驗序列用于檢查數(shù)據(jù)包的完整性，而可變長度數(shù)據(jù)包則是3~256字節(jié)，MT和和協(xié)議數(shù)據(jù)包的款式見表1.11。表1.11MT數(shù)據(jù)包的格式Table1.11FormatofMTpacketLENCMDDATA1字節(jié)2字節(jié)0-250字節(jié)LEN是數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)長度，如果沒有通過數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)，則LEN為0。CMD（命令）是該消息的命令ID（標識符），而DATA是不同的命令ID，可以執(zhí)行不同的操作；DATA是指實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。本論文采用一種包含頭部、尾部和尾部的結構體來實現(xiàn)每一節(jié)點傳輸?shù)貓笪?，還包括該節(jié)點設備類型、節(jié)點網(wǎng)絡地址、父節(jié)點網(wǎng)絡地址和采集的粉塵數(shù)據(jù)，第一數(shù)據(jù)用兩&個字符表示，后面使用一個&表示，如表1.12所示。表1.12節(jié)點數(shù)據(jù)包DATA的結構Table1.12StructureofnodeDATApacket頭設備類型節(jié)點網(wǎng)絡地址父節(jié)點網(wǎng)絡地址傳感器數(shù)據(jù)尾&&ROU/ENDXXXXXXXXXXXX&當終端傳感器節(jié)點毗連到收集時，調(diào)和器會為終端傳感器節(jié)點分派16位邏輯地點。使其辨認收集中的分歧設備，并在數(shù)據(jù)傳輸中指定源地點和方針地點。本論文采用一臺協(xié)調(diào)器、兩臺路由器、三臺終端節(jié)點進行組網(wǎng)驗證。將