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基于Zigbee的井下长距离无线通讯系统
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1 引 言
近年来，随着同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264个，具有较大的网络容量。
(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，最小地消耗没备能量。
(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。
4 硬件设计
本系统采用Silicon Laboratories公司提供的802.15.4和ZigbeeTM无线个域网硬件开发平台。该平台主要由C8051F121 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 SiliconLaboratories 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；
(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(-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QLP-48封装，外形尺寸只有7×7 mm2。
移动通信端电源部分采用锂电池LP188270-3.8 V／5 Ah×4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-1.2 V／2Ah×4节供电，电池输出经过1 Ω／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Uo：5.4 V，最大输出电流Io：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：
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-85 dBm的分辨率和10 dBm的发射功率。在实验巷道和松藻煤电集团一号矿井工作面进行多次测试，系统语音通信效果良好。实验巷道两结点最远能传输80 m，14个通讯结点能进行800 m清晰语音传输，在井下工作面16个结点可传输500 m，成功实现了井下长距离无线通讯。
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技术来实现井下无线通讯是完全可能的，并成功地实现了井下无线通讯的设想。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。
近年来，随着同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264个，具有较大的网络容量。
(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，最小地消耗没备能量。
(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。
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 m，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。
4 硬件设计
本系统采用Silicon Laboratories公司提供的802.15.4和ZigbeeTM无线个域网硬件开发平台。该平台主要由C8051F121 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 SiliconLaboratories 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；
(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(-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QLP-48封装，外形尺寸只有7×7 mm2。
移动通信端电源部分采用锂电池LP188270-3.8 V／5 Ah×4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-1.2 V／2Ah×4节供电，电池输出经过1 Ω／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Uo：5.4 V，最大输出电流Io：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：
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-85 dBm的分辨率和10 dBm的发射功率。在实验巷道和松藻煤电集团一号矿井工作面进行多次测试，系统语音通信效果良好。实验巷道两结点最远能传输80 m，14个通讯结点能进行800 m清晰语音传输，在井下工作面16个结点可传输500 m，成功实现了井下长距离无线通讯。
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技术来实现井下无线通讯是完全可能的，并成功地实现了井下无线通讯的设想。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。
