基于nRF24L01无线巷道离层仪设计.pdf

2 0 0 8年 第 1 期 福建 电脑 1 7 基于 n R F 2 4 L 0 1 无线巷道离层仪设计 陈新兴 ，林其伟 ，高银 华侨 大 学信息 学院福建 泉 州 3 6 2 0 2 1 【 摘要】 介 绍 了基 于单 片无线收发芯 片 n R F 2 4 L 0 1的短距 离无线巷道 离层 仪 本安 ， 对该 系统的软硬件结构进 行 了 详 细的描述。 以短距 离无 线通信 的方式传送数 据， 具有使 用方便 、 操作 简单等特点 。 关键 词n R F 2 4 L 0 1霍 尔传 感器 无 线 离层 仪 0 ．引 言 顶板离层监测 是全锚 支护巷 道掘进过程中综合监测和 日常 监测 的一项重要内容．为了解巷道围岩变形 和破坏提供重要 参 数． 是提供巷道初始设计和保证巷道安全的重要 依据。顶板离层 仪是对巷道进行顶板离层 监测的主要仪器，它 的使 用贯穿于巷 道施工的全过程 新开巷道开 口、 交岔点 、 测站布置 、 过地 质构 造 带． 以及正巷每隔 3 0 ～ 5 0 m 均需 安设顶板离层仪 。可见， 顶板 离 层仪在全锚支护巷道中使用频度较大。现有的离层仪基本上都 是用有线 方式进行 采集 井 下条 件恶 劣 。 温 度 、 湿度 、 粉 尘很 严 重 ． 造 成采集难度 ， 同时接 口经 常插拔容易损坏仪 器 ， 因此本 文 提 出了基于 N R b -2 4 L 0 1 无线巷道离层仪 本安型 的设计[ 1 】 。 1 ． n R f 、 2 4 L D 1 芯 片工作原理 n R F 2 4 L 0 1是单片射频 收发芯 片 ，工作 于 2 ． 4 ～ 2 ． 5 G I -I z I S M 频段 ． 芯片 内置频率合成 器、 功率放 大器 、 晶体振荡 器和调制 器 等功能模块 ． 输出功率 和通 信频道 可通过程序进行配置 。 芯片能 耗非常低 ． 以 0 d B m 的功率 发射时 ， 工作 电流只有 1 1 ． 3 mA， 接收 时工作 电流只有 1 2 ． 3 mA， 多 种低功率工 作模式 ． 节 能设 计更 方 便。 支 持六路通道 的数据 收发 。高达 2 M b p s的传输速率 ， 空中传 输时间短 ． 降低了无线传输 中的碰撞 现象。共有 1 2 5个频点 。 满 足多点通信和跳频 通信的需要 。当工作 在应答模 式通信时 ， 快 速 的空 中传输及启动时 间 。 极大 的降低 了电 流消耗 ， 同时链路 层完全在模块上 易于开发 。 具有 自动重发 ， 自动应答 ， 硬件 C R C 检错和点对多点通信地址控制等功能 。 所有这些保证 了数据 传 输 的可靠性 。典型应用电路如图 由图可知 ， 其只需要 1 5个外 围元件。 n R F 2 4 L 0 1 应 用电路一 般工作于 3 V，它 可用 多种 低功耗 MC U进行控制 。在设计过程 中， 设计者可使用单鞭天线 、 环形天线或 P C B天线 。在使用不 同 的天线时 ， 为了得到尽可能大 的收发距离 ， 电感 电容 的参数应适 当调整。 n R F 2 4 L 0 1工 作 模 式 由 C E 和 内 部 寄 存 器 的 P WR_U P、 P R I M _R X位共同控制 ． 见下表 模 式 P 峨U P P 只 I H R x C E F I F D 寄 存 器 状 态 接 收 模 式 1 1 1 发 射 模 式 1 0 1 数 据 送 到 发 送 寄 存 器 中 发 射 模式 1 0 1 0 处 在 发 射 模 式 ， 直 到 数 据 发 遥 完 毕 特 机 崔 式1 】 0 发 送 寄 存 器 无 数 据 特 机 模 武 II 1 0 1 无 正 在 传 精 的 数 据 捧电 模 式 0 基金项目 国 务院侨办科研基金项 目 O 6 Q Z a O 3 n R F 2 4 L 0 1的收发模式有 S h o c k B u r s t T M收 发模 式和直接收 发模式 两种 ． 收发模式由器件 配置字决 定 S h o c k B u r s t T M 收发模 式下 ． 使用片 内的先人先 出堆栈 区， 数据低速从单 片机送人后 ， 高速发射 ， 这样 可以尽量节能 ， 因此 ， 使用 低速 的单片 机也能得 到很 高的射 频数 据发射速率 。与射频协议相关的所有高速信号 处理都在 片 内进行 ． 这 种做法有 三大好处 尽量节 能 ； 低 的系统 费 用 数 据在 空 中停 留时 间短 ，抗干 扰性 高 。n R F 2 4 L 0 1的 S h 0 c k B u r s t T M技术 同时也减小了整个系统的平均工作 电流 。在 S h o c k B u r 8 t T M 收发模 式下 ． n R F 2 4 L D 1自动处 理字头 和 C R C校 验码 在接 收数据 时． 自动把字头和 C R C校验码移去。 在发送数 据时 ． 自动加上字头和 C R C校验码 ， 当发送 过程完成后 ， 由 中断 引脚通 知单片机数据 发射完毕 。在接收端收到信号后如果有开 启 自动应答 ． 则接收端会发一确认信号给发送端 ， 这些都 由硬件 直接完成 ；在直接收发模 式下 ， n R F 2 4 L 0 1 与传统的射频收发器 一 样工作 [ 2 ] 。 n R F 2 4 L 0 1的所有 配置工作都 是通过 S P I 接 E l 完成 ， S P I 接 E l 由 S C K、 MI S O、 MO S I 以及 C S N组成 。 当 C S N为低 时， S P I 接 E l 开始等待一条指令 。 任何一条新指令均由 C S N的由高到低的转 换 开始 配置 时都是 由 S P I 接 口一 次性送 两个 字节 ， 两 个字节 分别为指令 字f 读写命令和寄存器地址组成 和配置 的内容。 设置 地址 时可以把指令跟地址一起送。读写 F I F O时 可以把 F I F O的 数据全部一 次性读 出或写入 。 2 ．系统 设 计 系统 由前端 位移传动结 构 、 霍尔传 感器 A 3 4 2 5和 A 3 2 1 2 、 P I C单片机 、 n R F 2 4 L 0 1 和显示部 分组成 ， 其结构 图如下 机械位移传动结构主要是负责将位移转换为转动量 当煤 层内部有变化的， 那么外表就会移动． 机械位移传动结构就把位 移量进行放大并 转为轮盘的转 动 ． 磁体外的磁场就变化了 。m． 1 e g r o公 司生 产的霍 尔传感器 A3 2 1 2用来监测轮盘有 没有转动 ． 如果有 转动就产 生一个信号给单片机 ， 产生 中断 ， 唤醒单 片机 。 而霍尔传感 器 A 3 4 2 5主要 负责对轮盘转动 圈数进行计 数 ． 并把 结果 给单片 机。 机械位移传动结构 、 A 3 2 1 2和 A 3 4 2 5就构成了位 移传感器 。 可放置在不 同地方 ． 进行多点监测 以便及早发现煤层 变化 单片机主要用来对数据进行处理 ． 并把处理后数据存储起 来 ， 以便手持设备采集。当位移量超过阀值就报警。红外模块主 要用来检测是否有人 ． 如果有就把位移数据送显示． 这样能实时 观测位移 的变化量 。 无人时则关 闭显示 ． 以降低功耗。为了满足 低 功耗 的要求 ， 软件上要把单片机和 n R F 2 4 L 0 1 周期睡眠 。 下转第 2 0页 维普资讯 福建电脑 2 0 0 8年第 l期 部最大点． 这样． 所 有的 粒子就会移动到几 个密度集 中的位置． 重 采样技术并不能减少粒子 的数 目．而仅仅是使粒子 的分布更合 理雇【 在本算法中． 由于每一步的重采样之后的 Me 8 ．／ 1 S h i f t 算法 对粒 子的收敛作用 ， 粒子 的分布更接近 目标的真实位置 『 4 1 ． 因此 我们可 以在算法 的初 始阶段． 仅仅采用少量 的粒子。因为 Me a n S h m 算法的加入。就可 以得到采样很多 同粒子的粒子滤波算 法 的同样 效果． 而由于粒子数 目的大量减少， 算法 的实时性得 到很 大的提高． 2 ． 实验结果和分析 为了验证本 文所述方法的效果 ．采用上述方法对实际拍摄 的一段 图像 序列 进行 目标跟踪实验。其 中实验平台是 I n 【 e 1 1 ． 4 G C P U微机 ， 操 作系统 为 w i n d o w X P， 运动 图像是 电影 中截取的， 分 辨率 3 0 o 3 0 o ． 田 I‰蛳 s h t f t算法对 目标 的犀 踩靛暴 田2基于l t e m a S h i f t 的粒子谴渡器算法对 目标 的跟 踪 效果 图 1是 Me a n S h i f t 算法对序列 中的 目标的跟踪， 在第 1 ， 2帧 的时候我们可 以跟踪 目标 ， 当到第 3帧时由于 目标完全被遮挡 ， 丢失 了对 目标 的跟踪 。即使在第 4帧 目标重新 出现 ， Me a n S h i f t 算法也无法找到 目标． 图 2是基于 M e a n S h if t 的粒子滤波器算法 对 同一序列 的跟踪效果 ． 可 以看 出第 1 2帧 目标正 常跟踪， 而在 第 3帧中是 在 目标处徘徊 ， 当第 4帧 目标再次 出现 时， 能很快找 到目标并实现跟踪．实验表明该算法在遮挡时能实现很好的目 标 跟踪． 上接第 1 7页 每帧 处 理对问 粒子 数 个 粒子滤波器 1 4 0 1 6 0 综合M o a n S h i f t 算 4 5 4 0 法和粒子滤波器 ● 表 1实验结果 从该实验结果 可以看 出。相 比较粒子滤 波算 法。采用综合 Me a J l S b m 算法和粒子滤波器的方法极大的减少 了每帧的处理 时间和要处理的粒子的个数．该算法在时间复杂性和空间复杂 性上都有很大的提高． 3 ． 总结 视频监控系统在商业， 军事上有广泛的应用， 也可用于银行， 机场． 政府重要机构等公共场所 的无人值 守． 这些 系统 的一 个重 要特点是 减少对人工的依赖．系统 自动完成对 感兴趣 的 目标分 析和描述， 而实现对 目标 的跟踪是其 中的主要环节『 6 1 ． 本文所采 用的算法与传统的粒子滤波器相 比．主要是 利用 Me a l l S h i f t 算法的聚类效果 在重采样之后， 粒子集 中在测量 模型 中。 由于每个粒子表示状态更合理 ． 算法对粒子数量 的要求 大大 减少 了。 算 法的实 时性得到 了提高． 实验证明， 该算法 能够实 现对 目标 的良好跟踪． 对遮挡现象的处理效果明显优于 Me a n S h i f t 等 其他跟踪算法． 参考文献 1 ． Do u c c t ， A． ，N ． Go r d o n。a n d V． Kr i s h n a mu r t h y ， P a r t i c l e fi l t c r f o r s t a t e e s t i o n o f j u mp Ma r k o v l in e a r s y s tems ． [EE E T r a m， S i g n a l P r o c c s s i n g 。 2 0 0 1 ．4 9 ． 6 1 3 6 2 4 2 ／ Do r i n C， Pe t e r M ． M e a n S h i f t A Ro b u s t Ap p r o a c h To wa r d F e a t u r e S p a c e A n a l y 血 饥． [ E E l／ ． Tr a n s a c t i o n s o n P a t t e m a n d Ma c h i n e I n t e l l i g e n c e ， 2 0 0 2 ，2 4 5 6 o 3 6 1 9 3 ． Xi a L i mi n I ma g e r e s t o r a t i o n b a s e d o 11 p a r t i c l e岔t e r f C 1 ． I n 7 t h i n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o 1 1 S i a l Pr o c e s s i n g P r o c e e d i n g ,2 0 0 4- 0 8 1 0 8 4 1 08 7 4 ． Co ma n i c i u D ，Ra me s h V， M e e t P． R c a l Ti m e Tr a c k ing o f Non Rj g ob j e c t s Us i n g Me a n S h i f t『 c 1 ．I n P r o c o fth e耻 E Co nfe r e n c e o 1 1 Co r n - p u t r Vi s i o n a n d P a t t e r n R e c o g n i t i o n ， Hi l t o n He a d I s l a nd ， S o u t h Ca r o l i n a , 2 0 0 0 ； II 1 4 2 -1 4 9 5 ． Co ma n i c i u Da me s h V． Me a n S h i f t a n d Op ti ma l P r e d i c t i o n for E c i e n t Ob j e c t T r a c k i n g [ q．I n P r o c o f t h e[EE E I n t e rna t i o n a l Co nfe r e n c e o n I ma g e P r o c e s s i n g ，Va n c o u v e r ， Ca n a d a ， 2 0 0 o ； m 7 0 7 3 6 ． 张清。视频 网络 中目标跟踪技术的研 究【 D】 ． 西安 西北工业大学， 2 0 0 5 7 ． 江宝安． 卢 焕章． 粒子滤波器及其在 目标跟踪 中的 应用． 雷达科 学与技 术 ．2 0 0 3 ，VD 1 ． 1 ， No ， 1 7 0 - 1 7 8 8 ． 胡士 强． 教忠 良． 粒 子滤波算法 综述． 控制 与决策． 2 0 0 5 Vo 1 2 0 ， No 4 ．3 6 1 3 71 9 ．M．S a n j e e v ， S imo n Ma s k e l l ，Ne ff Go r d o n ，T．蚰 C h p p ．A T u t o r i a l o n P a r ti c l e Fil ter s f o r On l i n e N o n l i ne r／ N o n g a ms i a n Ba y e s i a n Tr a c k o n g ．I EE E T* s c a t i o n s o n s i Pr o c e s s i n g 2 0 0 2，Vo l S 0 ． N o ．2． 1 2 3 1 2 8 为 了提高采集 的精度 ， 主要采取 以下措施 1 ． 硬件方面 接 地使传感 器、 系统和地 之间建立低 阻抗传导通路 ， 消 除传 导耦 合 加屏蔽外壳 ； 选用 某一有用信号 的带通滤波器来代替抑制噪 声的带阻滤波 器 ．同时去耦 电容 器直接接在芯 片的电源地上 。 f 2 1 ． 软件方面对采集 的数据进行平均 ， 并参考传感器 的曲线 ， 在 数值上进行矫正『 3 1 。 由于外部环境恶劣， 最终的产品的p C B部分要用树脂进行 灌封。因此只能使用外置天线。 P C B设 计对 n R F 2 4 L 0 1的整体性 能影响很大 ， 在 P C B设计 时， 必须考虑到各种电磁干扰 ， 注意调 整电阻、 电容 和电感 的位置 ， 特别要注意电容 的位 置。n R F 2 4 L 0 1 的 P C B一般都 是双层板 。 底层一般不放置元件 ， 为地层 ， 顶层 的 空余地方一般都敷上铜 。 这些敷铜通过过孔与底层的地相连。 直 流电源及电源滤波电容尽量靠近 V D D引脚。n R F 2 4 L 0 1的供 电 电源应通过电容隔 开 ．这样有利于给 n R F 2 4 L 0 1提供稳定 的电 源 。在 P C B中， 尽量多打一些通孔 ， 使顶层和底层 的地能够充分 接触 。这样有效地保证传输 的距离。 3 ． 结束语 由于离层仪是 在巷道正常 掘进过程 中紧 跟工作 面安装使 用． 其安装速度将制约正常掘进， 基于 N R F 2 4 L 0 1的无线离层仪 可使安装速度大大提升 ，而且携带方便 ，同时也降低 了采集难 度 ． 延长了仪器 的使用寿命 。 参考文献 1 ． 徐建平． 仪表本安 防爆技术． 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 2 ． 4 2 ．Da t a r e f e r r e n c e n R ． F 2 4 L 0 1 fz 】No r d i c S e mi c o n d u c t o r ．n KF 2 4 L 0 1 d a c a s h c c c R e v i s i o n 1 ． 2 M arc h 2 0 0 6 ． 3 ．高茜． 提高霍 尔传感器精确度 的研 究Ⅱ 1 沈 阳电力高等专科 学校 学报， 第 4卷第 1期。 2 0 0 2年 1月． 维普资讯