基于Zigbee的井下长距离无线通讯系统

2007年 第 23期总 第 262 基于Zigbee的井下长距离无线通讯系统 康跃明，吴燕清 (中南大学 信息物理工程学院 湖南 长沙 410083) 摘 要：目前，煤矿井下工作面基本靠人工通讯，很难满足企业高效生产， 安全管理 企业安全管理考核细则加油站安全管理机构环境和安全管理程序安全管理考核细则外来器械及植入物管理 的需求。特别是大矿的工作面，迫切 需要 建立一套轻便 高效的无线通讯 系统 。提 出了基 于 Zigbee的 井下长距 离无线通讯 系统的设 计，详细介 绍 了系统组成 、硬 件结构，并对实验结果进行 了的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 。系统采用链式组网，能够满足井下通信的要求，整个系统结点具有能量检测功能，通 过信号指示灯可以很直观地了解接收机的信号强度，为井下快速布网提供 了强有力的保证。实验 系统 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 ，整个系统在井 下 工作 面具有 良好 的通信效果 ，通信距 离达到 了 2 km，基本 可以满足井 下工作面的通信要求 。 关键词 ：Zigbee技 术 ；井下无线通讯 ；能量检 测；CC2420 中图分类号 ：TP919 文献标识码 ：B 文章 编号 ：1004—373X(2OO7)23—051—03 Long Distance W ireless Communication System Underground M ine Based on Zigbee KANG Yueming。W U Yanqing (School of Info—physics and Geomatics Engineering，Central South University．Changsha，410083，China) Abstract：At present，the communication in mines based on the human，it is difficult to satisfy the need of enterprises effi— cient production and safety management．Especially large mining operations urgently need to establish an efficient set of porta— ble wireless communication systems．This paper proposes a long—distance wireless communications systems based on!Ztgbee underground design．The component of system and structure of hardware are discussed in detail in the paper、The results of ex— periment are given a detailed analysis．Chain network systems satisfy the requirement of underground communications．The en— tire system has energy node detection function and can be very intuitive understanding the intensity of light signals through the receiver signal which guarantee the rapid distribution of network underground、Experiments prove that the whole system has good communication results in underground work．The communications distance reached 2 km that meet the basic communiea— tion requirements、 Keywords：Zigbee technology；wireless communication under the mine；energy detection；CC2420 1 引 言 近年来，随着国家对能源需求的不断增加，国家加大 了对煤炭资源的开采力度，建立一套完整的井下无线通讯 系统将在矿井安全、高效生产中发挥十分重要的作用。特 别是在矿井事故发生时，一套轻便高效的无线通讯系统显 得尤为重要。但由于井下环境的特殊性，无线电波在巷道 中传播遇到很大困难 ，井下无线通讯很难实现。现有煤矿 井下无线通信系统存在设备制造成本高、抗干扰能力差、 携带不方便、使用范围局限性大等问题 。长期 以来，人们 为改善煤矿井下通信的落后现象一直在不断地探索和研 究，Zigbee 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 正式问世后，建立一套轻便高效的井下无 线通讯系统成为了可能。Zigbee技术是一种具有统一技 术标准的短距离无线通信技术 ，具有如下几个特点： (1)在组网性能上，可构造星型网络或者点对点_网 络，可容纳的最大设 备个数 为 2。 个，具有 较大 的 网络 容量。 收稿 日期 ：2007一O6一O7 (2)在无线通信技术上，采用 CSMA～CA方式，有效 地避免了无线电载波之间的冲突。此外，为保证传输数据 的可靠性，建立了完整的应答通信协议。 (3)抗干扰性好。由于 CDMA经过扩频处理，故抗 干扰性能好，可和同频带 的窄带共存 ，而不影响其正常 工作。 (4)低功耗，其发射输出为 0～3．6 dBm，通信距离为 30～70 m，具有能量检测和链路质量指示能力 ，根据这些 检测结果 ，设备可 自动调整设备的发射功率 ，在保证通信 链路质量的条件下，最小地消耗设备能量。 (5)高安全保密性，采用密钥长度为 128位的加密算 法，对所传输的数据信息进行加密处理。 以上几个优点刚好可以满足井下无线通信系统的 要求。 2 系统网络结构 Zigbee技术是基于 IEEE 802．15．4协议标准的短距 离无线通信技术。然而，井下通信要求通信距离比较长， 单个结点通信很难满足要求。利用 Zigbee技术组网灵活 51 维普资讯 http://www.cqvip.com 康跃明等：基于 Zigbee的井下长距离无线通讯系 的特点，系统采用链式组网方式来扩大通信距离。系统网 络结构如图 1所示。 ))) 移动通信头 中继结点l，2，⋯，， ：⋯ ⋯ ．．．⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ．．．⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ．： 图 1 系统 网络 结 构 示 意 图 系统传输距离除了通过提高每个结点模块接收灵敏 度和发射功率外，整个网络采用链式组网结构，传输距离 得到成倍向外延伸 。系统采用全双向通信，移动通信头把 语音信号发送给中继结点 ，中继结点收到信号后再把信号 依次传给下一个结点直到移动通信尾接收到信号，反之亦 然。从理论上讲，传输距离可以无限制延伸。实验系统证 明，在传输介质好的条件下 ，两中继结点最大可 以传输 90 nl，在井下工作面，中继结点平均传输 30 m左右。拐点 处，通过放置一对中继结点完全可以实现稳定通信。通过 放置多对中继结点，系统可以实现 2～3 km的井下工作面 通信。实验证明只要合理地布置中继结点，通信效果完全 不受地形限制。 3 系l统功能实现 移动通信头和移动通信尾负责语音信号的处理、发送 和接收，由语音处理模块、微处理器、液晶显示模块和 RF 发射接收模块组成。功能框图如图 2所示。 图 2 移动通信 头、尾功能框 图 微处理器把接收的 RF信号经处理后转化为数字信 号再送给语音处理模块进行语音处理 ，从而得到清晰的语 音信号 液晶显示模块用来显示系统通信状态和显示各 结点的信号强度，从而可以使通话指挥员实时了解整个网 络的通信状况。RF信号调制采用 O—QPSK调制，在调 制前，将数据信号进行转换处理，每 4位信息比特组成一 个符号数据，然后将符号数据信号调制到载波信号一k。其 中，编码为偶数的码元调制到 I相位的载波上，编码为奇 数的码元，调制到 Q相位的载波上。为了使 I相位和 Q相 位的码元调制存在偏移，Q相位的码元相对于 I相位 的码 元要延迟 秒发送 ， 是码元速率的倒数。如图3所示。 52 图 3 O—QPSK码 元相位偏移 中继结点接收到移动通信端发出的请求联通信号后， 立即与其建立信号联通链路并发出回应信号。同时，搜寻 下一个通信 目标直到整个通信链路联通。中继结点的功 能框图如图 4所示。 信号指示 十 微控制器 十 l RF发射接收模块 图 4 中继结点功能框 图 微控制器为发射接收模块提供初始化程序，并对接收 信号进行能量检测，信号指示灯实时显示信号强度。接收 机的能量检测是信道选择算法 中的一个重要组成部分，为 对网络进行连接管理而提供的一种信道测量。能量检测的 时间为 8个符号周期，检测的结果为 0x00~0xFF的8 b的 整数，最小值(0)代表接收功率小于接收机灵敏度的 10 dB， 并且用能量检测值来描述接收功率的范围至少为 40 dB。 在这个范围之内，接收功率的分贝与能量检测之间呈线性 映射关系，其精度为士6 dB。实验系统采用 10格信号来表 示 85 dB，每减少一格代表信号能量降低 6 dB。实验证明， 两格或两格信号以上系统具有良好的通话效果，这为了解 网络的通信状态提供了方便的通道。 4 硬件设计 本 系 统 采 用 Silicon I aboratories公 司 提 供 的 802．15．4和 Zigbee ”无线个域 网硬件开发平台。该平台 主要 由 C805IF121 MCU 和 Chipcon公 司的 CC2420 RF 收发器 组 成。具有 完整 的 Zigbee协 议栈 。系统通 过 JTAG连接器在线编程和调试。连接器采用 The Silicon Laboratories USB调配器来配置工作。RF硬件 由挪威半 导体公司 Chipcon提供的 CC2420射频芯片，该芯片收发 器包含了物理层(PHY)及媒体访问控制器 (MAC)层，可 组建一个具备 65 000个结点的无线网络，并可随时扩充， 以及具有低功耗、传输速率为 250 kb／s、较低的快速唤醒 时间(小于 30 ms)、CSMA／CA信道状态侦测等特性。此 外，CC2420可以通过 4线 SPI总线(SI，SO，SCLK，Csn)设 置芯片的工作模式 ，实现读／写缓存数据及读写状态寄存 器等，通过控制 FIFO和 FIFOP管脚接口的状态可设置发 射／接收缓存器，通过 CCA管脚状态的设置可以控制清除 信道估计，通过 SFD管脚状态的设置可以控制时钟／定时 信息的输入。 CC2420的主要性能参数如下 ： (1)工作频带范围：2．400~2．483 5 GHz； (2)采用 IEEE802．15．4 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 要求 的直接序列扩频 方式 ； (3)数据速率达 250 kb／s码片速率达 2 MChip／s； 维普资讯 http://www.cqvip.com 2007年 第 23期总 第 262 (4)采用 O—QPSK调制方式； (5)超低电流消耗(RX：19．7 mA，TX：17．4 mA)； (6)高接收灵敏度(一99 dBm)； (7)抗邻频道干扰能力强(39 dB)； (8)内部集成有 VCO，LNA，PA以及电源整流器； (9)采用低电压供电(2．1～3．6 V)； (10)输出功率编程可控； (11)IEEE802．15．4 MAC层硬件可支持 自动帧格式 生成、同步插入与检测、16 b CRC校验、电源检测、完全 自 动 MAC层安全保护(CTR，CBC—MAC，CCM)； (12)与控制微处理器的接口配置容易(4总线 SPI接 口 )： (13)采用 QI P一48封装 ，外形尺寸只有 7×7 mm 。 移动通信端电源部分采用锂电池 I P188270—3．8 V／ 5 AhX4节供电，电池输 出经过两级限流保护，然后用环 氧树脂灌封 为一体，构成 本安 电池 组件。电池组 符合 GB3836．4—2000中 7．4的要求。本安输出：A组最高输 出电压 5．3 V，最大输 出电流 2 A；B组 输 出最 高电压 5．3 V，最大输出电流 2 A。通信结点 电源采用 NiMh一 1．2 V／2AhX4节供电，电池输出经过 1 Q／30 W 限流电阻 保护，然后用环氧树脂灌封 为一体 ，构成本安电池组件。 电池组应符合 GB3836．4—2000中 7．4的要求。本安输 出：最高输出电压 ：5．4 V，最大输出电流 I。：5．4 A。整 个系统达到井下安全设备要求。能够在井下连续工作8 h 以上，基本具有一个工作 日的工作时间。 5 软件开发 软件开发采用 Chipcon公司提供的配套开发工具 ，包 括 ：评估软件-- SmartRFStudio。通信流程图如图 5所 示 。网络连接原语如下 ： NI ME—JOIN．request( PANId， ；网络标识符 JoinAsRouter， 。 ；路 由器接入设置参数 RejoinNetwork， ；网络连接方式设置 ScanChannels； ；信道扫描设置 ScanDuration， ；计算信道扫描时间 PowerSource， ；动力源设置 RxOnWhenldle， ；超帧空闲期接收设置 MACSecurity， ；连接成功回应原语 ) 具体程序设计在这里不做一一讲述。 6 系统测试 装配成功后 ，系统具有一85 dBm的分辨率和 l0 dBm 的发射功率。在实验巷道和松藻煤电集团一号矿井] 作 面进行多次测试 ，系统语音通信效果 良好。实验巷道两结 点最远能传输 80 rll，14个通讯结点能进行 800 nl清晰语 音传输，在井下工作面 16个结点可传输 500 1"11，成功实现 了井下长距离无线通讯。 7 结 语 本文讲述了基于 Zigbee技术 的井下长距离无线通讯 系统的设计。实验结果表明，利用 Zigbee技术来实现辩 下 无线通讯是完全可能的，并成功地实现了井下无线通汛的 设想。在实验过程 中，为了进一步扩大系统的功用，在语 音通信的同时，系统增加了采集、传输多个传感器的实测 数据这一功能。实验表明，两者完全可以通信而互不影 响。当然，实验系统还存在有一些不足之处，例如：系统带 网能力还需加大，以便使传输距离更一步增大。性能的增 强还需进一步研究和更多的实验测试。 图 5 系统通 信流程 图 参 考 文 献 [1]蒋挺，赵成林．紫蜂技术及其应用[M-1．北京：北京邮电大学 出版社 ，2006． [2]孙利民，李建中，陈渝，等．无线传感网络[M]．北京：清华大 学出版社 ，2005． [3]李文仲，段朝玉．短距离无线数据通信入门与实战[M]．北 京：北京航空航天大学出版社 ，2006． [43张立科．单片机典型模块设计实例导航[Mj．北京：人 民邮 电出版社 ，2004． [5]柯建华，申红军，魏学业．基于 ZigBee技术的煤矿井下人员 定位系统研究I-J]．现代电子技术，2006，29(23)：12—14． 作者简介 康跃明 男，1981年出生，湖南娄底人，中南大学硕士研究生，地球探测与信息技术专业。主要研究方向为智能仪器 仪表 ，无 线通讯技术 。 吴燕清 男，1961年出生，江苏无锡人 ，中南大学教授、博士生导师；煤炭科 学研究总院重庆研究院研 究员，岩土工程 研 究所所长 。 维普资讯 http://www.cqvip.com