李紀(jì)榕，李福進(jìn)*，吳艷微，尉志武

(1.河北聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北 唐山 063009; 2.燕山大學(xué)，河北省測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004; 3.太原理工大學(xué)測(cè)控技術(shù)研究所，太原 030001)

國內(nèi)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)主要以有線方式實(shí)現(xiàn)參數(shù)檢測(cè)與信息傳輸任務(wù)［1］。然而，有線監(jiān)控系統(tǒng)存在以下不足:系統(tǒng)擴(kuò)展不方便;重點(diǎn)區(qū)域存在大量監(jiān)控死角;一但有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障或遭到破壞，整個(gè)系統(tǒng)完全癱瘓，難以滿足安全監(jiān)控及時(shí)通信的需求。因此，煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)迫切需要一種結(jié)構(gòu)靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)、布設(shè)快捷、安全可靠的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［2－3］。

隨著傳感技術(shù)、MEMS技術(shù)、無線通信技術(shù)、分布式信息處理等技術(shù)的發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為解決井下煤礦安全監(jiān)控問題提供了有效技術(shù)手段和途徑［4－7］。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的快速展開、自組織、多跳路由、動(dòng)態(tài)拓?fù)涞忍攸c(diǎn)使其成為井下無線通信網(wǎng)絡(luò)的理想選擇，尤其是多跳路由的信息傳輸方式可克服因巷道彎曲、傾斜等造成的無線信號(hào)嚴(yán)重?fù)p耗問題。因此將無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入井下煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［8－9］。本文主要針對(duì)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架原理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、抗干擾算法、硬件設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了相關(guān)研究設(shè)計(jì)。

1 監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)原理

鑒于煤礦開采區(qū)域廣闊，從經(jīng)濟(jì)、適用角度出發(fā)，井上采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)傳輸采集到的信息，井下采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)獲取巷道安全環(huán)境參數(shù)及人員位置參數(shù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，在監(jiān)控系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，井下形成多個(gè)以中繼器節(jié)點(diǎn)(中心管理節(jié)點(diǎn))為中心的局部無線傳感網(wǎng)絡(luò)，這樣就存在唯一的中心控制點(diǎn)，并且是單跳通信，因此，可采用成熟的主從式無線網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議。同時(shí)，降低了對(duì)終端節(jié)點(diǎn)無線通信模塊的要求，起到了降低功耗的目的。某個(gè)終端節(jié)點(diǎn)無法工作時(shí)，不會(huì)影響整個(gè)安全監(jiān)控系統(tǒng)，重新布設(shè)也更加方便。若某個(gè)中繼器節(jié)點(diǎn)無法工作，立即啟動(dòng)自組織協(xié)議，形成無線應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，處理過程如圖2所示。由此可見，無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有有線傳輸無法代替的優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)能夠更好的適應(yīng)于煤礦井下安全監(jiān)控。

圖1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 故障發(fā)生時(shí)形成的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)

2 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

近些年，Zigbee技術(shù)由于具有近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)通信中［10－11］。該協(xié)議主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備，同時(shí)支持地理定位功能。Zigbee自組網(wǎng)通信協(xié)議是實(shí)現(xiàn)復(fù)用型、智能化煤礦井下安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的核心，主要涉及物理層(PHY)、數(shù)據(jù)鏈路層(DLL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用層(APL)等。

(1)物理層

主要負(fù)責(zé)感知數(shù)據(jù)的信息采集。煤礦井下無線通信實(shí)質(zhì)上是借用巷道的縱向?qū)w作為波導(dǎo)，電波在巷道中傳播呈現(xiàn)導(dǎo)波特性。理論研究和實(shí)驗(yàn)均表明，利用900MHZ～3000MHz這一頻段可以實(shí)現(xiàn)井下徑向無線通信。井下無線傳感網(wǎng)絡(luò)的物理層設(shè)計(jì)主要通過理論分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的方法，根據(jù)井下復(fù)雜環(huán)境和地質(zhì)條件對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，建立井下無線信號(hào)傳播模型;選擇電磁干擾和煤巖壁吸收相對(duì)較小的無線頻段及信道編碼方式。本監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)采用無線電波載波媒體，工作頻段為915MHz;采用FEC前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)降低節(jié)點(diǎn)之間通信時(shí)受到的電磁干擾，提高無線信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

(2)數(shù)據(jù)鏈路層

負(fù)責(zé)媒體訪問控制和建立節(jié)點(diǎn)之間可靠的通信鏈路，采用基于預(yù)約的MAC協(xié)議與基于競爭的MAC協(xié)議相結(jié)合，兼顧適當(dāng)?shù)牟铄e(cuò)控制機(jī)制。

(3)網(wǎng)絡(luò)層

主要任務(wù)是發(fā)現(xiàn)和維護(hù)路由，為井下動(dòng)態(tài)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)提供可靠的路由選擇。

(4)應(yīng)用層

主要負(fù)責(zé)把系統(tǒng)的應(yīng)用映射到Zigbee網(wǎng)絡(luò)，包括應(yīng)用支持層、設(shè)備對(duì)象和應(yīng)用對(duì)象。

3 前向糾錯(cuò)編碼(FEC)抗干擾算法

由于煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，無線電信號(hào)在巷道內(nèi)傳播時(shí)，易受到煤礦井下高電磁干擾，為保證監(jiān)控系統(tǒng)工作時(shí)的穩(wěn)定性及可靠性。在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議物理層設(shè)計(jì)中通過選擇電磁干擾和煤巖壁吸收相對(duì)較小的無線頻段僅能夠在一定程度上降低電磁干擾，因此對(duì)煤礦井下無線網(wǎng)絡(luò)抗干擾算法進(jìn)行研究是非常必要的，對(duì)于提高無線通信模塊接收信號(hào)的正確率具有十分重要的意義。本文通過采用FEC前向糾錯(cuò)編碼算法來提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_率。

3.1 FEC 概述

糾錯(cuò)編碼也稱為差錯(cuò)控制編碼。在實(shí)際信道上傳輸信號(hào)時(shí)，由于信道傳輸特性不理想以及加性噪聲的影響，接收端所收到的信號(hào)不可避免地會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。但實(shí)際上，在許多系統(tǒng)中的比特誤碼率并不能滿足實(shí)際的需求。此時(shí)則必須采用信道編碼才能將比特誤碼率進(jìn)一步降低，以滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

FEC系統(tǒng)中，發(fā)送端發(fā)送能糾正錯(cuò)誤的編碼，在接收端根據(jù)接收到的碼和編碼規(guī)則，能自動(dòng)糾正傳輸中的錯(cuò)誤。其特點(diǎn)是糾錯(cuò)碼信息不需要存儲(chǔ)、不需要反饋信道、實(shí)時(shí)性好。同時(shí)，F(xiàn)EC編碼可以通過軟件實(shí)現(xiàn)，降低了系統(tǒng)的成本與復(fù)雜性。在工業(yè)無線控制系統(tǒng)中，比較常用的差錯(cuò)控制方式是FEC編碼方式，本文將該糾錯(cuò)方式應(yīng)用到無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中進(jìn)行差錯(cuò)控制，用來提高無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3.2 FEC編碼算法

FEC編碼技術(shù)是以信道模型為依據(jù)的，有了信道的模型，就能對(duì)不同碼長和糾錯(cuò)能力的碼進(jìn)行分析，進(jìn)而進(jìn)行FEC差錯(cuò)控制系統(tǒng)的性能分析和糾錯(cuò)碼地設(shè)計(jì)。

(1)GBSC信道模型

GBSC信道模型［12］錯(cuò)組率如式(1)所示:

其中:

n:碼組長度

m:n長碼組內(nèi)出現(xiàn)的隨即錯(cuò)誤

α:錯(cuò)誤密度指數(shù)

pe:誤碼率

p(n，≥1)=n1－αpe

p(n，m)=p(n，≥m)－p(n，≥m+1)

由式(1)可以看到，應(yīng)用GBSC模型只要知道兩個(gè)參數(shù):誤碼率pe和錯(cuò)誤密度指數(shù)α，就可計(jì)算錯(cuò)組率。誤碼率是無線信號(hào)傳輸中一個(gè)最主要的質(zhì)量指標(biāo)。測(cè)試誤碼率可以由發(fā)射端發(fā)射測(cè)試數(shù)據(jù)，然后接收端接收下來，并對(duì)接收的數(shù)據(jù)和發(fā)送的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較得到。

(2)FEC算法

設(shè)FEC系統(tǒng)中使用能糾正t個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤的(n，k，2t)線性分組碼，發(fā)送端等概率發(fā)送2k個(gè)碼字中的每一個(gè)，則碼字通過誤碼率為pe的有擾信道后，譯碼器輸出的碼字錯(cuò)誤概率(誤碼率)是:

式中:0≤αm≤1稱為糾錯(cuò)系數(shù)，它的取值與所采用的譯碼方式有關(guān)。對(duì)一般的線性分組碼，誤碼率上限為:

對(duì)于GBSC模型，將式(1)代入式(3)得:

如果(m/n)＜0.3，式(1)可進(jìn)一步簡化為:

將式(5)代入式(3)得:

由式(5)和式(6)可得，GBSC的誤碼率與錯(cuò)組率p(n，≥m)有直接的關(guān)系，并和碼長n與糾錯(cuò)位數(shù)t的比值有關(guān)。

由表1可以看出，碼長n與t+1的比值越小，誤碼率越低;相同碼長，糾錯(cuò)能力越強(qiáng)，誤碼率越低，糾錯(cuò)能力是以犧牲編碼效率為代價(jià)的。隨著編碼的增加，糾錯(cuò)能力也逐漸增加，同時(shí)組錯(cuò)率也增加。因此，綜合考慮以上因素，本系統(tǒng)采用(255，223)形式的FEC編碼來糾正突發(fā)錯(cuò)誤或隨機(jī)錯(cuò)誤。該種糾錯(cuò)編碼技術(shù)能夠極大地提高系統(tǒng)的可靠性。

表1 不同碼長及糾錯(cuò)能力的錯(cuò)組率

4 傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)無線接收模塊采用nRF401芯片，這是Nordic公司推出的一款真正的單片UHF無線收發(fā)芯片，采用藍(lán)牙技術(shù)設(shè)計(jì)［13］。nRF401采用間歇供電方式，能夠有效地降低功耗。傳感器節(jié)點(diǎn)CPU單元采用MSP430系列單片機(jī)，MSP430系列是為低功耗應(yīng)用開發(fā)的，主要節(jié)能方法是采取多種工作模式，避免空閑模塊浪費(fèi)能量，使系統(tǒng)僅在需要時(shí)才處于工作狀態(tài)。終端節(jié)點(diǎn)因其對(duì)計(jì)算處理能力要求低采用 MSP430F135單片機(jī)，中繼器節(jié)點(diǎn)采用MSP430149單片機(jī)。

4.1 終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)的電路結(jié)構(gòu)方框圖如圖3所示。

圖3 終端節(jié)點(diǎn)的電路結(jié)構(gòu)方框圖

節(jié)點(diǎn)電源開啟后，甲烷濃度傳感器和溫度傳感器分別從井下周圍環(huán)境中采集瓦斯?jié)舛群蜏囟?。?jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后送入單片機(jī)，由單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)作A/D轉(zhuǎn)換、打包等進(jìn)一步處理后，將數(shù)據(jù)輸入無線通信模塊，無線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，同時(shí)單片機(jī)控制狀態(tài)指示燈閃爍一次，無線通信模塊亦可以接收數(shù)據(jù)給單片機(jī)。

4.2 中繼器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

圖4所示為中繼器節(jié)點(diǎn)的電路結(jié)構(gòu)方框圖。

圖4 中繼器節(jié)點(diǎn)的電路結(jié)構(gòu)方框圖

電源開啟后，狀態(tài)指示燈亮，單片機(jī)自動(dòng)輸出一個(gè)開始指令進(jìn)入輸入無線通信模塊，無線通信模塊將該指令發(fā)送出去，等待一段時(shí)間后，無線通信模塊將接收到的由終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)，這時(shí)狀態(tài)指示燈滅，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后送到顯示模塊顯示，同時(shí)送到存儲(chǔ)器存儲(chǔ)。當(dāng)有異常情況發(fā)生時(shí)，單片機(jī)控制報(bào)警電路報(bào)警。單片可通過USB接口同計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。上述過程也可通過中繼器鍵盤來控制該中繼器是否工作。

5 軟件設(shè)計(jì)流程

終端節(jié)點(diǎn)和中繼器節(jié)點(diǎn)電源開啟后，中繼器節(jié)點(diǎn)發(fā)送開始指令，終端節(jié)點(diǎn)接收到開始指令后，由甲烷濃度傳感器和溫度傳感器從周圍環(huán)境中采集瓦斯?jié)舛群蜏囟龋盘?hào)調(diào)理電路對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，再由單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、打包等處理，然后終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)，無線通信模塊把數(shù)據(jù)包發(fā)送給中繼器節(jié)點(diǎn);中繼器節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后，由單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后顯示模塊顯示各終端節(jié)點(diǎn)采集的瓦斯?jié)舛取囟纫约案鹘K端節(jié)點(diǎn)的工作情況。同時(shí)存儲(chǔ)器記錄動(dòng)態(tài)變化的瓦斯?jié)舛?，?dāng)瓦斯?jié)舛瘸藁蛴泄?jié)點(diǎn)失效時(shí)，報(bào)警電路立即報(bào)警。同時(shí)中繼器將該局部網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)的結(jié)果經(jīng)其他中繼器送至井上，經(jīng)協(xié)調(diào)器配置后，由CAN總線將數(shù)據(jù)輸送到主機(jī)，使地面監(jiān)測(cè)人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下各處的工作狀況。終端節(jié)點(diǎn)與中繼器節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信流程如圖5所示。

圖5 終端節(jié)點(diǎn)與中繼器節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信流程圖

6 結(jié)束語

針對(duì)煤礦有線安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)布設(shè)擴(kuò)展不方便，存在大量監(jiān)控死角;發(fā)生故障或遭到破壞時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)完全癱瘓，難以滿足安全監(jiān)控及時(shí)通信的不足。本文提出了一種以低功耗16位單片機(jī)MSP430系列單片機(jī)為主控制器，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)、監(jiān)控、顯示、報(bào)警、通信等多功能于一體的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，充分利用了單片機(jī)的集成度高、功能強(qiáng)、體積小、功耗低、性能可靠等特點(diǎn)。與煤礦有線安全監(jiān)控系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有較高的礦難抗毀能力。在正常情況下終端節(jié)點(diǎn)作為安全監(jiān)控系統(tǒng)的信息采集源，實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)無死角采集、快速處理和傳輸，移動(dòng)目標(biāo)定位、跟蹤、任務(wù)分配和協(xié)調(diào)控制。在礦難情況下，終端節(jié)點(diǎn)能夠通過自組織形式形成應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，保證井下信息及時(shí)準(zhǔn)確地采集與安全可靠地傳輸。

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