基于ZigBee的井下長(zhǎng)距離無(wú)線通訊系統(tǒng)
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近年來(lái),隨著同家對(duì)能源需求的不斷增加,國(guó)家加大了對(duì)煤炭資源的開采力度,建立一套完整的井下無(wú)線通訊系統(tǒng)將在礦井安全、高效生產(chǎn)中發(fā)揮十分重要的作用。特別是在礦井事故發(fā)生時(shí),一套輕便高效的無(wú)線通訊系統(tǒng)顯得尤為重要。但由于井下環(huán)境的特殊性,無(wú)線電波在巷道中傳播遇到很大困難,井下無(wú)線通訊很難實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)有煤礦井下無(wú)線通信系統(tǒng)存在設(shè)備制造成本高、抗干擾能力差、攜帶不方便、使用范圍局限性大等問題。長(zhǎng)期以來(lái),人們?yōu)楦纳泼旱V井下通信的落后現(xiàn)象一直在不斷地探索和研究,Zigbee協(xié)議正式問世后.建立一套輕便高效的井下無(wú)線通訊系統(tǒng)成為了可能。Zigbee技術(shù)是一種具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無(wú)線通信技術(shù),具有如下幾個(gè)特點(diǎn):
(1)在組網(wǎng)性能上,可構(gòu)造星型網(wǎng)絡(luò)或者點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò),可容納的最大設(shè)備個(gè)數(shù)為264個(gè),具有較大的網(wǎng)絡(luò)容量。
(2)在無(wú)線通信技術(shù)上,采用CSMA-CA方式,有效地避免了無(wú)線電載波之間的沖突。此外,為保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性,建立了完整的應(yīng)答通信協(xié)議。
(3)抗干擾性好。由于CDMA經(jīng)過擴(kuò)頻處理。故抗干擾性能好,可和同頻帶的窄帶共存。而不影響其正常工作。
(4)低功耗,其發(fā)射輸出為0~3.6 dBm,通信距離為30~70 m,具有能量檢測(cè)和鏈路質(zhì)量指示能力,根據(jù)這些 檢測(cè)結(jié)果,設(shè)備可自動(dòng)調(diào)整設(shè)備的發(fā)射功率,在保證通信鏈路質(zhì)量的條件下,最小地消耗沒備能量。
(5)高安全保密性,采用密鑰長(zhǎng)度為128位的加密算法,對(duì)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行加密處理。
以上幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)剛好可以滿足井下無(wú)線通信系統(tǒng)的要求。
2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
Zigbee技術(shù)是基于IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的短距離無(wú)線通信技術(shù)。然而,井下通信要求通信距離比較長(zhǎng),單個(gè)結(jié)點(diǎn)通信很難滿足要求。利用Zigbee技術(shù)組網(wǎng)靈活的特點(diǎn),系統(tǒng)采用鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)方式來(lái)擴(kuò)大通信距離。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
系統(tǒng)傳輸距離除了通過提高每個(gè)結(jié)點(diǎn)模塊接收靈敏度和發(fā)射功率外,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用鏈?zhǔn)浇M網(wǎng)結(jié)構(gòu),傳輸距離得到成倍向外延伸。系統(tǒng)采用全雙向通信,移動(dòng)通信頭把語(yǔ)音信號(hào)發(fā)送給中繼結(jié)點(diǎn),中繼結(jié)點(diǎn)收到信號(hào)后再把信號(hào)依次傳給下一個(gè)結(jié)點(diǎn)直到移動(dòng)通信尾接收到信號(hào),反之亦然。從理論上講,傳輸距離可以無(wú)限制延伸。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)證明,在傳輸介質(zhì)好的條件下,兩中繼結(jié)點(diǎn)最大可以傳輸90 m,在井下工作面,中繼結(jié)點(diǎn)平均傳輸30 m左右。拐點(diǎn)處,通過放置一對(duì)中繼結(jié)點(diǎn)完全可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定通信。通過放置多對(duì)中繼結(jié)點(diǎn),系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)2~3 km的井下工作面通信。實(shí)驗(yàn)證明只要合理地布置中繼結(jié)點(diǎn),通信效果完全不受地形限制。
3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)
移動(dòng)通信頭和移動(dòng)通信尾負(fù)責(zé)語(yǔ)音信號(hào)的處理、發(fā)送和接收,由語(yǔ)音處理模塊、微處理器、液晶顯示模塊和RF發(fā)射接收模塊組成。功能框圖如圖2所示。
微處理器把接收的RF信號(hào)經(jīng)處理后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)再送給語(yǔ)音處理模塊進(jìn)行語(yǔ)音處理,從而得到清晰的語(yǔ)音信號(hào)。液晶顯示模塊用來(lái)顯示系統(tǒng)通信狀態(tài)和顯示各結(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度,從而可以使通話指揮員實(shí)時(shí)了解整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信狀況。RF信號(hào)調(diào)制采用O-QPSK調(diào)制,在調(diào)制前,將數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理,每4位信息比特組成一個(gè)符號(hào)數(shù)據(jù),然后將符號(hào)數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制到載波信號(hào)上。其中,編碼為偶數(shù)的碼元調(diào)制到I相位的載波上,編碼為奇數(shù)的碼元,調(diào)制到Q相位的載波上。為了使I相位和Q相位的碼元調(diào)制存在偏移,Q相位的碼元相對(duì)于I相位的碼元要延遲Tc秒發(fā)送,Tc是碼元速率的倒數(shù)。如圖3所示。
中繼結(jié)點(diǎn)接收到移動(dòng)通信端發(fā)出的請(qǐng)求聯(lián)通信號(hào)后,立即與其建立信號(hào)聯(lián)通鏈路并發(fā)出回應(yīng)信號(hào)。同時(shí),搜尋下一個(gè)通信目標(biāo)直到整個(gè)通信鏈路聯(lián)通。中繼結(jié)點(diǎn)的功能框圖如圖4所示。
微控制器為發(fā)射接收模塊提供初始化程序,并對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行能量檢測(cè),信號(hào)指示燈實(shí)時(shí)顯示信號(hào)強(qiáng)度。接收機(jī)的能量檢測(cè)是信道選擇算法中的一個(gè)重要組成部分,為對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接管理而提供的一種信道測(cè)量。能量檢測(cè)的時(shí)間為8個(gè)符號(hào)周期,檢測(cè)的結(jié)果為0x00~0xFF的8 b的整數(shù),最小值(0)代表接收功率小于接收機(jī)靈敏度的10 dB,并且用能量檢測(cè)值來(lái)描述接收功率的范圍至少為40 dB。在這個(gè)范圍之內(nèi),接收功率的分貝與能量檢測(cè)之間呈線性映射關(guān)系,其精度為±6 dB。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用10格信號(hào)來(lái)表示85 dB,每減少一格代表信號(hào)能量降低6 dB。實(shí)驗(yàn)證明,兩格或兩格信號(hào)以上系統(tǒng)具有良好的通話效果,這為了解網(wǎng)絡(luò)的通信狀態(tài)提供了方便的通道。
4 硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用Silicon Laboratories公司提供的802.15.4和ZigbeeTM無(wú)線個(gè)域網(wǎng)硬件開發(fā)平臺(tái)。該平臺(tái)主要由C8051F121 MCU和Chipcon公司的CC2420 RF收發(fā)器組成。具有完整的Zigbee協(xié)議棧。系統(tǒng)通過JTAG連接器在線編程和調(diào)試。連接器采用The SiliconLaboratories USB調(diào)配器來(lái)配置工作。RF硬件由挪威半導(dǎo)體公司Chipcon提供的CC2420射頻芯片,該芯片收發(fā)器包含了物理層(PHY)及媒體訪問控制器(MAC)層,可組建一個(gè)具備65 000個(gè)結(jié)點(diǎn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò),并可隨時(shí)擴(kuò)充,以及具有低功耗、傳輸速率為250 kb/s、較低的快速喚醒時(shí)間(小于30 ms)、CSMA/CA信道狀態(tài)偵測(cè)等特性。此外,CC2420可以通過4線SPI總線(SI,SO,SCLK,CSn)設(shè)置芯片的工作模式,實(shí)現(xiàn)讀/寫緩存數(shù)據(jù)及讀寫狀態(tài)寄存器等,通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射/接收緩存器,通過CCA管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制清除信道估計(jì),通過SFD管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制時(shí)鐘/定時(shí)信息的輸入。
CC2420的主要性能參數(shù)如下:
(1)工作頻帶范圍:2.400~2.483 5 GHz;
(2)采用IEEE802.15.4規(guī)范要求的直接序列擴(kuò)頻方式;
(3)數(shù)據(jù)速率達(dá)250 kb/s碼片速率達(dá)2 Mchip/s;
(4)采用O-QPSK調(diào)制方式;
(5)超低電流消耗(RX:19.7 mA,TX:17.4 mA);
(6)高接收靈敏度(-99 dBm);
(7)抗鄰頻道干擾能力強(qiáng)(39 dB);
(8)內(nèi)部集成有VCO,LNA,PA以及電源整流器;
(9)采用低電壓供電(2.1~3.6 V);
(10)輸出功率編程可控;
(11)IEEE802.15.4 MAC層硬件可支持自動(dòng)幀格式生成、同步插入與檢測(cè)、16 b CRC校驗(yàn)、電源檢測(cè)、完全自動(dòng)MAC層安全保護(hù)(CTR,CBC-MAC,CCM);
(12)與控制微處理器的接口配置容易(4總線SPI接口);
(13)采用QLP-48封裝,外形尺寸只有7×7 mm2。
移動(dòng)通信端電源部分采用鋰電池LP188270-3.8 V/5 Ah×4節(jié)供電,電池輸出經(jīng)過兩級(jí)限流保護(hù),然后用環(huán)氧樹脂灌封為一體,構(gòu)成本安電池組件。電池組符合GB3836.4-2000中7.4的要求。本安輸出:A組最高輸出電壓5.3 V,最大輸出電流2 A;B組輸出最高電壓5.3 V,最大輸出電流2 A。通信結(jié)點(diǎn)電源采用NiMh-1.2 V/2Ah×4節(jié)供電,電池輸出經(jīng)過1 Ω/30 W限流電阻保護(hù),然后用環(huán)氧樹脂灌封為一體,構(gòu)成本安電池組件。電池組應(yīng)符合GB3836.4-2000中7.4的要求。本安輸出:最高輸出電壓Uo:5.4 V,最大輸出電流Io:5.4 A。整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到井下安全設(shè)備要求。能夠在井下連續(xù)工作8 h以上,基本具有一個(gè)工作日的工作時(shí)間。
5 軟件開發(fā)
軟件開發(fā)采用Chipcon公司提供的配套開發(fā)工具,包括:評(píng)估軟件——SmartRFStudio。通信流程圖如圖5所示。網(wǎng)絡(luò)連接原語(yǔ)如下:
具體程序設(shè)計(jì)在這里不做一一講述。
6 系統(tǒng)測(cè)試
裝配成功后,系統(tǒng)具有-85 dBm的分辨率和10 dBm的發(fā)射功率。在實(shí)驗(yàn)巷道和松藻煤電集團(tuán)一號(hào)礦井工作面進(jìn)行多次測(cè)試,系統(tǒng)語(yǔ)音通信效果良好。實(shí)驗(yàn)巷道兩結(jié)點(diǎn)最遠(yuǎn)能傳輸80 m,14個(gè)通訊結(jié)點(diǎn)能進(jìn)行800 m清晰語(yǔ)音傳輸,在井下工作面16個(gè)結(jié)點(diǎn)可傳輸500 m,成功實(shí)現(xiàn)了井下長(zhǎng)距離無(wú)線通訊。
7 結(jié) 語(yǔ)
本文講述了基于Zigbee技術(shù)的井下長(zhǎng)距離無(wú)線通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,利用Zigbee技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)井下無(wú)線通訊是完全可能的,并成功地實(shí)現(xiàn)了井下無(wú)線通訊的設(shè)想。在實(shí)驗(yàn)過程中,為了進(jìn)一步擴(kuò)大系統(tǒng)的功用,在語(yǔ)音通信的同時(shí),系統(tǒng)增加了采集、傳輸多個(gè)傳感器的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)這一功能。實(shí)驗(yàn)表明,兩者完全可以通信而互不影響。當(dāng)然,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還存在有一些不足之處。例如:系統(tǒng)帶網(wǎng)能力還需加大,以便使傳輸距離更一步增大。性能的增強(qiáng)還需進(jìn)一步研究和更多的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。