毕业设计(论文)-关于矿井下环境监测的论文.doc

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1、摘要(Miracle)提供全套毕业论文图纸，欢迎咨询摘要随着煤炭技术的发展，煤炭开采量的不断增加，保证矿井下工作人员的安全是不可忽视的。那么，对矿井下各种环境条件进行监测，就能有效预防矿井事故的发生。在信息时代，人们的社会活动将主要依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理，而传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段。矿井环境的监测主要包括气体浓度（O2、CO等）、温度等，可以使用气体浓度传感器和温度传感器采集相关信息。论文首先介绍了选题的目的与意义、国内外的发展现状、课题的内容；之后完成系统模块各器件的选型，包括核心芯片的介绍、电源核心芯片TPS63031的介绍、KE-25氧气传感器的介绍；然

2、后说明了系统的硬件构成和软件设计，包括CC2430单片机外围电路设计、时钟部分设计、系统电源设计、氧气浓度监测；最后对系统的软件部分进行了设计，包括氧气浓度监测模块的实现、温度监测模块的实现、模数转换的过程和无线数据传输模块的实现。论文同时还对设计的整个过程进行了总结。关键词： CC2430； 氧气传感器； 温度传感器； 无线数据传输ABSTRACTABSTRACTWith the development of coal technologies, increasing the amount of coal mining, to ensure the safety of staff of th

3、e mine can not be ignored. So, for the mine to monitor various environmental conditions can effectively prevent the occurrence of mine accidents. In the information age, peoples social activities will mainly rely on the information resources development and acquisition, transmission and processing,

4、and the sensor is to obtain information in the field of major natural ways and means. The principal environmental monitoring mine gas concentration (O2, CO, etc.), temperature, etc., may be used gas concentration sensor and a temperature sensor to collect information.Firstly, introduces the purpose

5、and significance of the topic, development status at home and abroad, the subject of the content; after the completion of the selection system modules each device, including who introduced core chip, chip TPS63031s power core, KE-25 oxygen sensor introduction, PT100 temperature sensor introduced; th

6、en explains hardware configuration and software design of the system, including CC2430 single-chip peripheral circuit design, the clock part of the design, the system power supply design, oxygen concentration monitoring; and finally the software part of the system has been designed, including oxygen

7、 achieve concentration monitoring module for temperature monitoring module, to achieve analog to digital conversion process, and wireless data transmission module.Paper but also on the entire design process are summarized.Keywords: CC2430; oxygen sensor; temperature sensor; wireless data transmissio

8、n目录目 录1 绪论11.1 选题的目的与意义11.2 国内外现状与发展21.3 课题主要研究内容42 系统模块各器件选型52.1 核心芯片的介绍52.1.1 CC2430简介52.1.2 ZigBee技术简介82.2 电源核心芯片TPS63031介绍112.3 KE-25氧气传感器介绍122.4 PT100温度传感器介绍142.4.1 测温基本原理142.4.2 线制的确定163 系统硬件构成183.1 系统硬件框架183.2 CC2430单片机外围电路设计183.2.1 时钟部分设计193.2.2 射频天线单元设计193.2.3 串口通信单元设计203.3 系统电源设计203.3.1 电源

9、模块电路设计213.4 氧气浓度监测模块设计223.4.1 氧气浓度检测与处理电路设计223.5 温度监测模块设计244 系统软件设计264.1 系统的整体设计方案264.2 氧气浓度监测模块的实现274.3 温度监测模块的实现284.3.1 主程序设计说明284.3.2 测量温度信号子程序294.4 模数转换模块的实现304.5 无线数据传输模块实现315 结论35致谢36参考文献37绪论1 绪论1.1 选题的目的与意义煤炭是我国的主要能源，在一次性能源中，所占比例在70%以上。我国煤田遍布全国，但煤层的赋存条件和地质情况差异很大，很多矿井自然环境恶劣，受到水、火、瓦斯、粉尘、顶板事故等自然

10、灾害的威胁。在这些自然灾害所造成的事故中，瓦斯事故死亡人数占总死亡人数的30%40%。特别是瓦斯煤尘爆炸事故，危害更为严重。因此，预防事故是煤矿安全工作的重点。要保证井下工作的安全，井下温度、氧气浓度、二氧化碳浓度的检测也是非常重要的。因为井工开采是地下作业，井下作业场所的新鲜空气是依靠通风不断地供给的，并不断地把污浊空气排出至地面，以保持作业场所有良好的作业环境。煤矿安全规程第一百条规定的氧气最低浓度、二氧化碳和其他有害气体的最高允许浓度主要是针对井下工作地点空气的质量提出的环保要求 国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程.北京:煤炭工业出版社,2011.。人呼吸所需要的氧气取决于人的体质、

11、劳动强度和精神紧张程度，当静止状态时约需0.25Lmin，工作时为13Lmin，劳动强度大则需3Lmin以上，呼吸所能吸人的氧量取决于空气中氧气的浓度(或氧气的分压力)。当氧气浓度下降至17时，工作时会出现喘息和呼吸困难，下降到15时，就会失去劳动能力；1012时会丧失理智，时间稍长就有死亡危险。因此世界主要采矿国家对井下空气中的氧气浓度均作了规定。国际劳工局(International Labour Organization)制定的煤矿安全与健康实用规程(1985年5月，日内瓦)规定了“任何地点空气中的氧气成分低于19，二氧化碳和瓦斯浓度超过国家法规的规定，都不适于人员作业和通过。”(9.1

12、.2条)；俄罗斯、德国等国家规定了进风流的氧气浓度不得低于20；美国、日本等国规定了人员通过的巷道中氧气浓度不得低于19。井下二氧化碳的来源主要是煤和有机物的氧化、人员呼吸以及爆破等。二氧化碳对人体的呼吸有刺激作用，刺激人体的中枢神经，使呼吸加速，加剧身体疲劳。当浓度达到12并持续作用，会破坏人体电解质的平衡，影响身体健康；当浓度达到5时，就会出现耳鸣呼吸困难等症状。为此我国根据保障矿工的身体健康和劳动安全，规定了“采掘工作面的进风流中，氧气浓度不得低于20，二氧化碳的浓度不得超过0.5” 国际劳工局.煤炭安全与健康实用规程.北京:中国劳动出版社,1987. 。位于进风井口之下的空气温度（干球

13、温度，下同）必须在2以上。生产矿井采掘工作面空气温度不得超过26；当空气温度超过时，必须缩短超温地点工作人员的工作时间，并给予高温保健待遇。采掘工作面的空气温度超过30、机电设备硐室的空气温度超过34时，必须停止作业。井下温度、二氧化碳浓度、氧气浓度监测对于现代煤矿生产是非常重要有意义的工作。之前煤矿采用的很多氧气浓度传感器是模拟式的，技术和设备等因素的限制，造成仪器精度不高，且没有数字显示, 所以本课题研究的是由CC2430为核心芯片的氧气传感器系统，目标是实现氧气浓度数据的及时采集，准确可靠的无线传输，可以集中或分散显示控制。传统的有线传输方式在煤矿井下这种特殊环境中，实现起来困难非常大，

14、不便于布线。无线传输方式给我们煤矿井下的远距离数据传输带来了很多便利。在这种特殊的环境中，无线传输方式比传统的有线传输方式更加适用，更加灵活。1.2 国内外现状与发展21世纪社会发展的三大支柱之首的是信息技术。信息技术的基础包括传感器、通信、计算机等技术。传感器是信息采集尤为必不可少的重要工具。国外传感器市场规模，全世界现在有很多国家将近5000余家企业单位从事传感器的研制、生产工作，研发、生产。其中美国、欧洲、俄罗斯和日本占居大部分市场。日本传感器产品达20000多种。美国约有17000种传感器产品。传感器是一个非常有潜力和未来的行业，由于很多因素，往往最新的传感器的生产和研发都是在国外进行

15、的。最新传感器技术大多首先在国外发展起来，但是我国国内有很多需要应用的地方，所以，中国是各种传感器应用的集散地，也正是这样的现状，在国内传感器的研究和发展迫切需要技术和人员的支持和跟进。在我们生活中中，每年几乎都会发生很多起触目惊心的矿井安全事故，事故往往会造成很多人员伤亡以及重大财产的损失，因此通过现代的科学技术，实现井下气体浓度检测监控，做好安全工作，已成为中小型煤矿检测监控的最迫切的任务之一。为了保障矿工生命健康和安全，设计研发出一套可靠的煤矿生产安全监控系统是非常必要的，煤矿生产安全监控系统不仅可以提高煤矿的生产率，而且还可以促进企业生产自动化程度，这些都是现代化水平管理的体现。国内很

16、多煤矿企业对于煤矿生产安全监控系统的应用并不是十分重视，这就造成了安全监控系统的效果并不好，不能有效提早及时的保证矿工的生命安全和企业的财产安全。中小型煤矿在资金和技术方面都会相对处于弱势地位，现在市面上的生产安全监控系统真正完全适用于中小型煤矿使用的并不多，现在摆在我们面前的有很多问题有待解决和完善。比如：1.造价昂贵，系统基本配置庞大，巨额的运行费用。2.复杂的系统安装和维护，操作不便，不友好的人机界面。3.传感器测量稳定性较差，调校过于频繁，寿命相对短。4.较差的系统设备可靠性。5.需要专业的维护人员，对技术水平要求较高。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式想数字式、集成化向智能化及网络

17、化的方向发展。氧气传感器的现状：1、氧气传感器新特性：检测范围宽，灵敏度高，数据可靠性准确性高，以及响应速度快互换性能好的器件。2、较长的使用寿命：抗干扰能力强，在比较特殊的恶劣的环境中依然可以准确有效的采集数据，并且使用年限较长。3、氧气传感器微型化：无论是氧气传感器还是温度传感器还是二氧化硫传感器，随着时代的不断进步发展，大规模集成，微小化是时代的必然 何道清.传感器与传感器技术M.北京:科学出版社，2003.。国内生产和使用的传感器主要是固体电解质式、钛酸钡复合氧化物电容式、电导变化型厚膜式等，这些传感器存在很多不足之处：对气体选择性差、容易出现误报，并且系统需要频繁校准，使用寿命短等缺

18、点。红外气体测量技术在我国无论是在用新技术改造传统产业，还是在替代进口各方面都有明显的优势，应用范围广泛，具有明显的经济和社会效益 王煜东.传感器应用技术M.西安:西安电子科技大学出版社,2006. 李东宏,中国传感器市场应用潜力巨大（上）J.电子元器件应用,2005,1. 李东宏,中国传感器市场应用潜力巨大（下）J.电子元器件应用,2005,1.。温度测量领域十分广泛，在工业领域、民用领域和军用领域，温度的测量与控制随处可见。本设计主要针对温度检测在工业自动化领域及民用领域的应用，在工业领域中，如电机轴温，胶带滚筒的表面温度，工业冷却的循环水温，加热设备炉温各种化工原料在化学反应时的控制温度

19、等等；在民用领域，如超市食品架内的温度，人们生活环境的温度，空调控制温度，人体体温检测，粮食部门的粮仓温度测量等均属于温度的测控范围。当然，不同的场合，对测温范围的要求是不一样的，即使是相同的测温范围，测量的对象不同，其测量的精度要求也不尽相同。譬如，人体的体温测量，测量的精度应该要求比较高，达0.1左右，但在测量电机的轴温时，测量的允差可能达1以上。我们做任何一件物品，都是在满足要求的前提下，越简单越好，成本越低越好，对于工业、民用等领域的测量，这个原则也不例外，但对于人类对客观事物的认识，从测量角度、误差概念、真值理解来看，我们应该在一定条件下尽量将测量的精度提高 徐爱均.智能化测量控制仪

20、表原理与设计.北京:北京航空航天大学出版社,1995.。温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类：一类是接触式温度传感器，一类是非接触式温度传感器。接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡。这种测温方法精度比较高，并可测量物体内部的温度分布。但对于运动的、热容量比较小的及对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很大的误差。非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。常用的是辐射热交换原理。此种测稳方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测量温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。21世纪后，智能温度传感器正朝着

21、高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速发展。1.3 课题主要研究内容本课题通过对超低功耗CC2430，KE-25氧气浓度传感器、PT100温度传感器等的介绍，达到熟练掌握了解器件的性能、功能及使用方法，使用C语言编程，实现氧气浓度、温度采集模块，并通过无线传输的方式把所测得的数据输出。 课题中注意的方面：(1) 对于芯片的选用，应考虑功耗，稳定性好和外接电路少等问题；(2) 对于氧气传感器、温度传感器的选用，应考虑数据的采集精准度，真确性，抗干扰能力，信号易于处理、传送，便于多路测量，安装方便，维护简单等方面；(3) 对于硬

22、件电路和软件的设计，一定要增加抗干扰措施，提高系统的抗干扰能力，保证系统的稳定性。(4) 软件设计要有完善的思路，考虑时序问题，争取做到较为简单软件编写，方便的调试与维护。4系统模块各器件选型2 系统模块各器件选型根据本次课题设计的目的，通过学习，对核心芯片，氧气传感器、温度传感器及传输系统所需的元器件进行比较和选型。2.1 核心芯片的介绍2.1.1 CC2430简介CC2430是一款挪威Chipcon公司生产的系统单芯片，与其他芯片不同的是CC2430是该公司设计的首款符合ZigBee技术的2.4 GHz射频系统单芯片。CC2430包含了一个8051控制器和一个高性能2.4GHz DSSS(

23、直接序列扩频)射频收发器核心。CC2430是一个符合ZigBee技术的2.4 GHz射频系统单芯片。CC2430在提高了性能的同时，还满足了以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用，低成本，低功耗的优点使其更加受到大众的欢迎 王秀梅,刘乃安.2.4GHz射频芯片CC2430实现ZigBee无线通信设计J. 国外电子元器件,2005,8.。 CC2430拥有8Kbyte的RAM和强大的外围模块，三个版本的CC2430，C2430-F32/64/128分别对应32/64/128KB的不同的闪存。CC2430是一个真正的片上系统（SoC）解决方案，是针对IEEE 802.15.4和ZigB

24、ee的应用。CC2430在CC2420架构的基础上，结合了业界标准的增强8051MCU，8KB的RAM等其他强大的功能。ZigBee采用IEEE802.15.4标准，在全球共用的公共频率2.4 GHz（在我国国内采用24G频段是免申请和免使用费的频率）下，监视、控制网络，因为是借用全球公共频率，所以使其具有低成本、低耗电、网络节点多、传输距离远诸多优势，现在正一步步成为替代有线监视和控制网络领域最有前景的技术之一。 CC2430的低耗能特点，非常适合对电池使用寿命要求很长的应用，因为CC2430只需要很短的时间从休眠模式就可以转换到主动模式。CC2430包含了一个8051控制器和一个高性能2.

25、4GHz DSSS(直接序列扩频)射频收发器核心。CC2430在提高了性能的同时，也满足以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用，适用对象为各种ZigBee或类似ZigBee的无线网络节点。适用于各种ZigBee或类似ZigBee的无线网络节点，包括调谐器、路由器和终端设备。三个版本的CC2430，CC2430-F32/64/128分别对应32/64/128KB的不同的闪存。CC2430是一个真正的片上系统（SoC）解决方案，是针对IEEE 802.15.4和ZigBee的应用。CC2430在CC2420架构的基础上，结合了业界标准的增强8051MCU，8KB的RAM等其他强大的功能

26、。拥有的这些强大功能让CC2430在ZigBee解决方案中占有举足轻重的地位。在实现数字基带处理器，RF、模拟电路和系统存储器与一身的同时，还具有很多优点，低成本，低耗能，网络节点多、传输距离远等优势使其更多的应用于监视、控制网络。CC2430芯片还有一大优点就是在少量外围部件情况下，就能实现信号的无线传输功能。CC2430工作时的功耗高低，是根据不同的功率要求来切换不同的模式，由于几种模式的切换时间很短，成就了CC2430低耗的优良特点。CC2430芯片的主要功能：图2.1引脚分配顶视图注意：外露的芯片安装衬垫必须连接到一个固定的接地层，芯片通过该处接地。内嵌8051微控制器内核，具有高性能

27、、低功耗的特点；适应2.4GHz IEEE802.15.4 的RF收发器；34、64或128KB的系统闪存；8KB SRAM,具备在各种供电方式下的数据保持力；数字化的RSSI/LQI支持和强大的DAM功能；外接元器件极少；组网简单；低耗，电流消耗小；掉电方式下，电流消耗只有0.9uA,外部中断或者RTC能唤醒系统；挂起方式下，电流消耗0.6uA，外部中断可以唤醒系统；平均功耗小，模式（低功耗模式到活动模式）转换时间很少；硬件支持CSMA/CA功能；较宽范围的电源电压（2.0V3.6V）；抗干扰力强，无线接收灵敏度高；14位模数转换的ADC;具有电池和温度的传感器；AES安全协处理器；可编程的

28、看门狗；1个IEEE 802.5.4 媒体存取控制器（MAC）定时器；支持硬件调试；2 1个通用I/O引脚，其中 2 个具有20mA的电流吸收或电压供给能力； 强大灵活的开发工具； 小尺寸QLP48 封装，7mm7mm;CC2430芯片采用7 mm7mm QLP封装,共有48个引脚。48个引脚可分为三类,分别是I/O端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚。 I/O引脚功能 21个可编程的I/O口引脚中P0、P1口是完全的8位口，P2口只有5个可使用的位。当我们需要引脚作为通常的I/O口或作为连接ADC、计时器或USART部件的外围设备I/O口使用时，可以通过软件编程设定（SFR寄存器的位和字节）。

29、 I/O口特性： 可设置为通常的或者外围I/O口均可。 有上拉和下拉能力（在输入时）。 可以响应外部的中断。当需要外部设备时，可通过软件编程的方法对I/O口引脚产生中断，同时外部的中断事件也可以来唤醒休眠模式。 16脚（P1_2 P1_7）： 具有4 mA输出驱动能力。 8，9脚（P1_0，P1_1）： 具有20 mA的驱动能力。 1118脚（P0_0 P0_7）： 具有4 mA输出驱动能力。 43，44，45，46，48脚（P2_4，P2_3，P2_2，P2_1，P2_0）：具有4 mA输出驱动能力。 电源线引脚功能 7脚（DVDD）： 为I/O提供工作电压（2.03.6 V）。 20脚（A

30、VDD_SOC）： 为模拟电路连接2.03.6 V的电压。 23脚（AVDD_RREG）： 为模拟电路连接2.03.6 V的电压。 24脚（RREG_OUT）： 为引脚端口提供1.8 V的稳定电压（25，2731，3540脚）。 25脚 (AVDD_IF1 )： 为接收器波段滤波器、模拟测试模块和VGA的第一部分电路提供1.8 V电压。 27脚（AVDD_CHP）： 为环状滤波器的第一部分电路和充电泵提供1.8 V电压。 28脚（VCO_GUARD）： VCO屏蔽电路的报警连接端口。 29脚（AVDD_VCO）: 为VCO和PLL环滤波器最后部分电路提供1.8 V电压。 30脚（AVDD_PR

31、E）: 为预定标器、Div2和LO缓冲器提供1.8 V的电压。 31脚（AVDD_RF1）: 为LNA、前置偏置电路和PA提供1.8 V的电压。 33脚（TXRX_SWITCH）: 为PA提供调整电压。 35脚（AVDD_SW）: 为LNA/PA交换电路提供1.8 V电压。 36脚（AVDD_RF2）: 为接收和发射混频器提供1.8 V电压。 37脚（AVDD_IF2）: 为低通滤波器和VGA的最后部分电路提供1.8 V电压。 38脚（AVDD_ADC）: 为ADC和DAC的模拟电路部分提供1.8 V电压。 39脚（DVDD_ADC）: 为ADC的数字电路部分提供1.8 V电压。 40脚（AV

32、DD_DGUARD）: 为隔离数字噪声电路连接电压。 41脚（AVDD_DREG）: 向电压调节器核心提供2.03.6 V电压。 42脚（DCOUPL）: 提供1.8 V的去耦电压，外电路不使用此端口提供的电压。 47脚（DVDD）: 为I/O端口提供电压( 2.03.6 V )。 控制线引脚功能 10脚（RESET_N）: 复位引脚，低电平有效。 19脚（XOSC_Q2）: 32 MHz的晶振引脚2。 21脚（XOSC_Q1）: 32 MHz的晶振引脚1，或外部时钟输入引脚。 22脚（RBIAS1）: 为参考电流提供精确的偏置电阻。 26脚（RBIAS2）: 提供精确电阻，43 k，1%。

33、32脚（RF_P）: 在RX期间向LNA输入正向射频信号；在TX期间接收来自PA的输入正向射频信号。 34脚（RF_N）: 在RX期间向LNA输入负向射频信号；在TX期间接收来自PA的输入负向射频信号。 43脚 (P2_4/XOSC_Q2): 32.768 kHz XOSC的2.3端口。 44脚 (P2_3/XOSC_Q1): 32.768 kHz XOSC的2.4端口。2.1.2 ZigBee技术简介.Zigbee网络技术，通过网络节点之间信息的相互互传，来将一个信息从一个节点传输到远处的另外一个节点。大量的节点组成无线传感器网络，这些节点具有路由和感知的功能，大量传感器节点组成无线传感网络

34、，正常工作的节点是需要供电的，电池就是这些大量节点的供电源，电池的储电量是一定的，因此低功耗是设计时迫切需要解决的问题之一。由于无线传感器网络需要大量的节点，而这些节点分布广泛，一点点的采集需要大量的工作，这就需要节点具有通过无线网络更新的能力。UWB（无载波通信技术）可以利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输大量数据，数据传输速度快，消耗电能小，保密性好，带宽极宽，抗干扰性能强等优点，但是传输数据的范围小，网络容量小，成本高，只适用于短距离无线通信，用于煤矿井下安全监测系统不能充分发挥其优势。针对这些特点和要求，ZigBee技术就可以满足此类情况。ZigBee技术是一种双向无线通信技术，具有

35、近距离、低成本、低功耗、低速率，网络容量大的特点。可以在传感器之间相互协调实现高效无线通信 杨佑禄,童玲,田雨, 基于CC2430的无线传感器网络节点的硬件电路设计J. 自动化信息,2009.。Zigbee协议框架（物理层、媒体接入层、网络层和应用层）以下是Zigbee协议框架图。图2.2 Zigbee协议框架Zigbee使用了3个频段（868MHz，915MHz，2.4GHz），定义了27个物理信道，其中868MHz频段定义了1个信道；915MHz频段附近定义了10个信道，信道间隔为2MHz；2.4GHz频段定义了16个信道，信道间隔为5MHz。表2.1 信道分配信道编号中心频率/MHz信道

36、间/MHz频率上/MHz频率下/MHzk=0868.3868.6868.0k=1,2,310906+2(k-1)2928.0902.0k=11,12,13262401+5(k-11)52483.52400.0在物理层中，不同频段数据传输速率也不同。在2.4GHz频段的物理层，数据传输速率为250kb/s；在915MHz频段的物理层，数据传输速率为40kb/s；在868MHz频段的物理层，数据传输速率为20kb/s。 Zigbee技术的主要特点包括以下几个部分 吕治安.ZigBee网络原理与应用M.北京:北京航空航天大学出版社版,2008.2.： (1) 数据传输速率低：最大是250k字节/秒，

37、在低传输速率方面应用较广泛； (2) 功耗低：其工作功耗远小于WiFi的工作功耗，ZigBee技术传输速率低，传输数据量小，因此信息的收发时间很短。在非工作模式时，ZigBee节点处于休眠模，节点的电池使用时间会很长。普通干电池可使用半年到两年以上，经常更换电池会消耗大量人力物力，低功耗的模式可避免频繁更换电池带来的很多不便； (3) 抗干扰性强：在低信噪比的环境下，Zigbee具有很强的抗干扰性能；在相同的环境中，与蓝牙和WiFi相比Zigbee抗干扰性能更加优越 龙承志,马玉秋,沈树群,基于低速率的短距离无线通信网络新技术ZigBeeJ.数据通信,2005,12.； (4) 成本低：因为Z

38、igbee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且Zigbee协议不要收专利费； (5) 时延短：通常时延都在15ms至30ms之间； (6) 高安全性：Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时可以灵活确定其安全属性。在数据传输中提供了三级安全方式。第一级是无安全方式，对于某种安全并不重要的应用或者上层已经提供足够的安全保护的应用，器件就可以选择这种方式来转移数据。在第二级安全级别中采用不加密措施，器件接入控制清单(ACL)来防止非法器件获取数据。第三级安全级别，采用AES加密算法，这种算法不近可以起到保护数据净荷而且还可以防止攻击者冒充合法器件；

39、(7) 高可靠性：ZigBee的媒体接入控制层(MAC层）采用talk_when_ready的碰撞避免机制。当有数据需要传送时则立刻传送该数据，发送的每个数据包只有接收到确认信息后，才停止再次传输若没有得到确认信息的反馈，就表示有可能发生了数据碰撞，系统将再传一次原数据包，采用这种反馈的方法可以提高系统信息传输的可靠性，避免一些数据的丢失。Zigbee在这种应答的机制下，保证了通信在物理层的高可靠性，对要求较高的工业级应用起到了非常重要的作用；(8) 网络容量大：一个ZigBee的网络最多包括有255个ZigBee网路节点，其中一个是主控(Master)设备，其余则是从属(Slave)设备。若

40、是通过网络协调器(Network Coordinator)，每个Zigbee网络最多可支持65535个设备，换句话来说，每个Zigbee设备可以与另外65535台设备相连接； (9) 优良的网络拓扑能力：ZigBee具有星型、树型和网格网络的拓扑结构，并且ZigBee无线网路具有自组织和自愈的能力，这就体现了他的网络拓扑能力的强大； (10) 有效范围灵活、布网容易：Zigbee网络有效覆盖范围有很大的灵活性，从标准的75米，到后来的几百米，有时甚至几公里，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定。另外通过Zigbee采用了无线路由器，无线路由器的使用极大降低了Zigbee网络布网的

41、难度同时也减少了调试的难度和时间，并对无线通信死角也有很好的改善； (11) 兼容性：ZigBee技术与现有的控制网络标准无缝连接，互相兼容。通过网络协调器(Coordinator)自动建立网络，采用载波侦听冲突检测(CSMACA)方式进行信道接入。提供全握手协议保证数据的可靠传递。(12) 工作频段灵活：使用的频段分别为2.4GHz(全球)、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。使用此频段不需许可证，只需遵守一定的发射功率（一般低于1W，并且不要对其它频段造成干扰即可)、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)。而不同频段可使用的信道不同，他们分别是16、l、10个，

42、在我国国内采用24G频段是免申请和免使用费的频率。2.2 电源核心芯片TPS63031介绍在电池驱动的应用中使用buck-boost拓扑技术可以化学反应转化为电能。芯片TPS63031属于转换器中的一个典型代表，当输入电压为 1.8 V 至5.5V间输出电压会自动调节预置的电压。通过升压或者降压工作模式实现输出3.3 V电压，在固定3.3V输出的情况下，当输入电压 3.3V，TPS63031工作于降压模式。当输入电压 3.3 V时，TPS63031在无需任何外部控制信号或电路情况下自动转换到升压模式。TPS63031包含完全集成的升压降压稳压器，无需外接即可在输入电压为1.8 V 至5.5V之

43、间时，调节输出电压，简化了电路设计，便携式器件可以工作更长的时间，充分使用全部电池电量，保持高效率。通过查询，决定采用芯片TPS63031 ，TPS63031 在输入电压在1.8 V5.5 V 范围之间，可作为3.3 V 输出的电压转换芯片，通过升压或者降压工作模式实现输出3.3V电压。输出电流高达800 mA ，在节能模式下，当输出电流在100 500 mA 之间变化时，效率均在80 % 以上。Io - 输出电流-mA图2.3 TPS63031效率与输出电流电气特性：输入电压范围：1.8 V 5. 5 V启动最小输入电压：1.6 V 1.8 V 1.9V （0C TA 85C）输出电压范围：

44、1.2 V 5. 5 V最小占空比：30% 40%反馈电压：495mV 500mV 505mV输出电压：3.267V 3.3V 3.333V振荡器频率：2200kHz 2400kHz 2600 kHz同步频率范围：2200kHz2600 kHz平均开关电流限制：900mA 1000 mA 1100 mA（VIN = VINA = 3.6 V, TA = 25C）高边开关电阻：200 m（VIN = VINA = 3.6 V ）关断电流： - 0.1mA 0.9mA（VEN = 0 V, VIN = VINA = 3.6 V）欠压锁定阈值：1.4V 1.5V 1.6 VEN, PS/SYNC 同

45、步输入低电压：0.4 VEN, PS/SYNC 同步输入高电压：1.2 V过热保护：140 C温滞：20 C2.3 KE-25氧气传感器介绍氧气传感器种类繁多，根据不同的需求不同的环境，有测气体氧含量，有测溶解氧含量，在一定的环境中需要大范围内探测氧含量，还有只需要微量氧气测量，针对不同的需求选择不同的氧气传感器。氧气传感器的分类,可以按工作原理分为三类：分别是浓差电池型、半导体电阻型和极限电流型。浓差电池型氧气传感器，是基于化学反应，固体电解质两边氧气含量的差异，从而产生电位差，来识别氧气含量的多少。半导体电阻型氧气传感器，中低温范围之内，原理是利用带电子的氧化物半导体，随着表面化学吸附等一

46、系列反应而变化，使得材料的导电性能发生变化，从而等到氧含量。极限电流型氧气传感器工作原理是是给二氧化锆固体电解质一定的电压，则氧离子会流向一侧，当增大电流超过一定数值时，电流达到极限值，此后，电流的大小与继续增大的电压无关，而是与被测气体中氧气分压成正比。通过这个原理就可以计算出氧气含量。氧气传感器KE-25产品品牌:日本FIGARO 所属分类:电化学气体传感器主要用于测量环境中氧气气体浓度，根据测量范围的不同和工作寿命的长短，氧气传感器有多个型号，比如：长寿命氧气传感器（O2-A3）、氧气传感器（O2-A2）、氧气传感器O2-A1(1年寿命) 、氧气传感器O2-G2（小尺寸）、氧气传感器（K

47、E-25 KE-50）、氧气传感器O2-C2 、氧气传感器O2-C3等。一、氧气传感器KE-25特性：（1）长寿命（5年）（2）不受CO2，CO，H2S，NOx，H2影响（3）低成本（4）在常温下工作（5）信号输出稳定（6）无需外部电源（7）不需加热 二、氧气传感器KE-25 性能：（1）测量范围0-100O2（2）精度KE-25：1（全量程）；（3）工作温度540 （4）储存温度-2060（5）响应时间KE-25：142秒；（6）初始输出KE-25：10.015.5mv；（7）期望寿命KE-25：5年；三、氧气传感器KE-25 应用范围： 氧气传感器应用广泛，在煤矿，钢铁，石油化工，医疗，电力等都大量使用四、气传感器KE-25 典型应用： 氧气报警器，氧气分析仪，氧气检测仪器图2.4 KE-25氧气传感器实物图2.4 PT100温度传感器介绍14系统硬件构成