基于ZigBee的井下長距離無線通訊系統(tǒng)

近年來，隨著同家對(duì)能源需求的不斷增加，國家加大了對(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，無線電波在巷道中傳播遇到很大困難，井下無線通訊很難實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)有煤礦井下無線通信系統(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。長期以來，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)在無線通信技術(shù)上，采用CSMA-CA方式，有效地避免了無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，具有能量檢測和鏈路質(zhì)量指示能力，根據(jù)這些 檢測結(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)的短距離無線通信技術(shù)。然而，井下通信要求通信距離比較長，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)語音信號(hào)的處理、發(fā)送和接收，由語音處理模塊、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)再送給語音處理模塊進(jìn)行語音處理，從而得到清晰的語音信號(hào)。液晶顯示模塊用來顯示系統(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，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量。能量檢測的時(shí)間為8個(gè)符號(hào)周期，檢測的結(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，并且用能量檢測值來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、16 b CRC校驗(yàn)、電源檢測、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)連接原語如下：

具體程序設(shè)計(jì)在這里不做一一講述。

6 系統(tǒng)測試

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)行多次測試，系統(tǒng)語音通信效果良好。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)了井下長距離無線通訊。

7 結(jié) 語

本文講述了基于Zigbee技術(shù)的井下長距離無線通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用Zigbee技術(shù)來實(shí)現(xiàn)井下無線通訊是完全可能的，并成功地實(shí)現(xiàn)了井下無線通訊的設(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)測試。