（控制科学与工程专业论文）基于wince的矿山井下定位及无线搜救系统的研究与开发.pdf

基- pw i n c e 的矿山j 下定位及无线搜救嵌入系统的研究j 开发 摘要 随着国家经济发展，对矿山及煤矿资源的依赖性也日益增大，因此而导致的 矿山灾害也同益增多。在矿山的r 常作业以及矿难发生抢救遇难人员时，方便， 快捷，定位精确的安全监控及搜救系统就显得尤为重要。 本文深入研究了国内外矿井安全监控系统的技术现状和井下安全生产需求， 分析当前市场上一些现有系统存在的缺点，结合我国中小煤矿企业的安全生产需 要，提出了一种集井下人员定位考勤和无线搜救功能于一体的矿井安全监控框架 结构。在对z i g b e e 无线技术及其在煤矿安全生产中的应用的可行性进行深入研 究的基础上，设计了基于8 0 2 1 5 4 协议m a c 层建网和z i g b e e 应用层建网两种 模式的井下网络通信方案；根据矿井安全生产的实际需求，提出了一种基于z i g b e e 技术的井下人员区域定位方案；合理的选择了芯片、设计并开发出了射频卡与 w i n c e 嵌入式操作系统之间的驱动代码层，同时采用c 语言编写了相关的上层应 用程序，实现了系统的定位考勤及无线搜救的功能；最后，本文对开发出的系统 进行了联机调试，取得了满意的实验结果，表明本文研发的系统达到了矿井安全 监控和井下人员实时定位及无线搜救的功能要求。 本文研发的矿井安全监控及无线搜救系统性价比高、实时性好，能加强对井 下矿工的有效监控和管理，解决了一般煤矿井下人员定位系统中功能单一的问题， 因而有着较好的实用价值和推广应用前景。 关键词：矿井安全监控；无线搜救；w i n c e ；z i g b e e ；人员定位 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n se c o n o m y ，d e p e n d e n c y o nm i n ea n dc o a l r e s o u r c e si sc o n t i n u o u s l yi n c r e a s e d ，t h e r e b yi n d u c i n gm o r em i n ea c c i d e n t s t h e r e f o r e ， t h ec o n v e n i e n ta n ds w i f ts a f e t ym o n i t o r i n ga n ds e a r c h i n gs y s t e m w i t ha c c u r a t e p o s i t i o n i n gc a p a b i l i t yi sb e c o m i n ge s p e c i a l l yi m p o r t a n tw h e n m i n ea c c i d e n t sh a p p e n t h en a t i o n a la n di n t e r n a t i o n a lm i n es a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e ma n dt h es a f e t y r e q u i r e m e n t sa r ed e e p l yi n v e s t i g a t e d i n t h i sp a p e r b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e d r a w b a c k so fs y s t e m s a v a i l a b l eo nt h em a r k e t ，an e we m b e d d e dm i n es a f e t y m o n i t o r i n gs y s t e mi sp r o p o s e df o rp r o v i d i n gm i n e rp o s i t i o n i n ga n dw i r e l e s s s e a r c h a n dr e s c u i n gf u n c t i o n sa tt h es a m et i m e t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e dt h ez i g b e e w i r e l e s s t e c h n o l o g ya n dt h ea p p l i c a t i o nt e c h n i q u e s o nt h em i n i n gi n d u s t r y au n d e r g r o u n d m i n i n gc o m m u n i c a t i o nm e t h o d o l o g yb a s e do n t h ei e e e8 0 2 15 4p r o t o c o lm a c n e t w o r ka n dz i g b e en e t w o r k si sp r o p o s e di nt h i sp a p e r a tt h es a m et i m e ，b a s e do n t h ep r a g m a t i cr e q u i r e m e n t so ft h em i n i n gi n d u s t r y au n d e r g r o u n dm i n e rl o c a la r e a p o s i t i o n i n gm e t h o d o l o g y b a s e do nt h ew i n c et e c h n o l o g yi sa l s op r o p o s e di nt h i sp a p e r t h es v s t e mp o s i t i o n i n ga n dw i r e l e s ss e a r c ha n dr e s c u ef u n c t i o n sa r ei m p l e m e n t e db y s e l e c t i n gt h ep r o p e rc h i p ，d e v e l o p i n gt h ed r i v e rp r o g r a mf o rt h er a d i o f r e q u e n c yc a r d a n dw i n c ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，a n dd e v e l o p i n g t h e t o p l e v e la p p l i c a t i o n p r o g r a mb yc f i n a l l y ，t h es y s t e mf u n c t i o n s a r es u c c e s s f u l l yt e s t e d ，i n d i c a t i n gt h a t t h es y s t e mf u l f i l l e dt h em i n es a f e t ym o n i t o r i n ga n du n d e r g r o u n dp e r s o n a lr e a l t i m e p o s i t i o n i n ga n dw i r e l e s ss e a r c hr e s c u er e q u i r e m e n t s t h em i n es a f e t vm o n i t o r i n ga n dw i r e l e s ss e a r c ha n dr e s c u es y s t e mp r o p o s e di n t h i sp a p e rh a st h ea d v a n t a g e ss u c ha sh i g h e rp e r f o r m a n c e _ t o - c o s tr a t i o ，b e t t e rr e a l t i m er e s p o n s e ，m o r ev e r s a t i l ef u n c t i o n sa sc o m p a r e dt ot h ec o m m o ns i n g l e 。f u n c t i o n p o s i t i o n i n gs y s t e m i t c a ne f f e c t i v e l ye n h a n c et h em o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n to f u n d e r g r o u n dm i n e r k e yw o r d s ：m i n es a f e t ym o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ；w i r l e s ss e a r c h ；w i n c e ；p e r s o n n e l p o s i t i o n ；z ig b e e 硕l ：学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景与意义 近年来，国内煤矿井下事故时有发生，如何加强安全生产和安全监督工作力 度、当灾难降临后如何提高救援和搜救工作效率、摆到了国家各级主管部门和领 导的面前。这类问题涉及到国家、企业和个人的切身利益，涉及到建立和谐社会， 维护安定团结局面的大事，因而应该尽一切可能将这类问题解决好【l l 。 由于煤矿井下作业人员流动性大，地面人员难以及时掌握井下人员的分布及 作业进展情况，下井后就无法确切地知道他们所处的位置，一旦矿井发生透水、 火灾等事故时因不了解井下情况，这将给救灾工作带来极大的困难。在突发冒顶 和人员被埋的紧急情况下，由于人工描述不清或不能及时精确、自动探测被埋人 员的准确位置，在低效率的管理模式下丧失宝贵生命的有效抢救时间，在这关键 的时刻时间就是生命i z j 。由此可见：煤矿行业急需一种快速高效、对被埋人员可 以精确定位的手持电子设备，即井下人员被埋深度可量化精确定位搜救器来协助 现场紧急救援提高搜救效率。 国内目前现有的已经投入生产和使用的矿山井下安全监控系统和矿井人员定 位搜救系统有许多种，但现有的产品无论是从使用上考虑还是从维护上考虑都需 要较高的技术支撑，并要配备具有专业功底的专职工作人员。并且由于现有的系 统都是基于p c 机组成的，固定在机房当中，在矿难发生的时候无法顺速、精确、 及时地对灾害发生信息做出反应，这将直接影响到控制灾害事故发生的能力。因 此从实际情况出发，尽快研发出造价低廉、使用简捷方便、维护简单和可靠性高 的本质安全型矿山井下安全监控及人员无线定位搜救系统有着重要的现实意义 1 3 j o 研究课题来自于湖南省科技厅攻关重点项目：矿山井下安监及无线定位系统 的研究与开发。本课题目的在研究国内外矿山井下安全监控及定位搜救系统的技 术现状，试图通过嵌入式计算机控制技术、无线传感器网络技术、无线射频识别 技术等学科理论的交叉运用，开发出一套适合于我国中小型煤矿使用的矿山井下 安全监控及人员无线定位和无线搜救系统。正常使用情况下，该系统能够实时监 测煤矿甬道中的温湿度、瓦斯浓度、及井下人员位置区域信息，为矿山企业提供 必要的安全预警和考勤管理等功能。矿难发生时，能及时为抢险救灾和安全救护 工作提供无线搜救和准确的定位功能。 基于w i n c e 的矿山) ：下定位及无线搜救嵌入式系统的研究与开发 1 2 国内外研究现状及发展趋势 矿井安全监控系统是指对矿山井下的瓦斯浓度、风速、一氧化碳浓度、烟雾、 温度、湿度等环境参数和矿山井下生产、运输、提升等环节的机电液设备工作状 态进行监测和控制，用计算机分析处理并取得数据的一种系统。无线定位搜救是 指当困难发生时，根据佩戴在员工身上的射频卡，运用连接在系统无线终端的接 收器，不断的接收被困人员的无线信号，从而判断出被困人员所在的地点。近年 以来，随着现代化的管理意识的增强以及以计算机系统为核心的煤矿监测技术的 日渐成熟，安全监测系统在全国各类矿井中已得到非常广泛的应用1 4 l 。 新技术的推广和采用可以大幅度降低煤矿安全事故的发生，这已被美国煤矿 业近4 0 年来的实践所证明。他们认为，新技术在安全监控方面的贡献主要集中在 以下几个方面：信息化技术的广泛采用，增强了开采的计划性和对安全隐患的可 预见性；计算机模拟、虚拟实现等新技术，可以减少煤矿开采中意外情况的发生， 也可以帮助救险预案的制定；二是机械化和自动化开采，提高了企业的工作效率， 减少了下井人员的数量，也就减少了遇险的人群数量，实际上美国煤矿工人的总 数已经下降到不足十万，而且他们中绝大多数也都是操作设备的技术工人：三是 推广安全性较高的长墙法，取代传统形式的坑道开采；四是推广新型通风设备、 坑道加固材料、电器设备，从而提高安全指标。而美国政府主要是通过技术认证 这一方法来批准煤矿专用设备的生产和使用1 5 】。2 0 0 4 年美国生产煤炭近1 2 亿吨， 但煤矿安全事故中总共只死亡2 4 人。实际上连续五年来，其煤矿安全死亡人数都 低于3 0 人，每百万吨煤死亡人数在0 0 2 5 以下。美国矿业协会主席杰克杰拉德 在2 0 0 5 年元月发表文章称，这创造了“历史最好的记录”。而负责矿业安全的政府 部门还计划到2 0 0 8 年将煤矿死亡人数再减少15 。由于他们煤矿安全生产的问 题解决的比较好，罕有人员被埋的情况发生。因此对人员无线搜救器的开发也就 没有那么迫切的需要，在互联网上查询的结果也证明了这一点1 6 】。 目前国内可用于井下搜救器的技术主要有井下小灵通，非接触i c 卡，全球卫 星搜救系统和近距离( 地面距离不超过2 0 0 米) 无线标签识别。 井下小灵通 井下小灵通即为井下微蜂窝通信系统，井下小灵通这个技术来源于目前国家 公众移动电信网络中广泛应用的技术与设备，尤其是设备中的个人终端( 如手机、 数据终端等) 。从技术上出发可以更直接的说，“井下小灵通”系统就是把中国电 信目前各大中小城市中广泛应用的公众通信系统系统( “无线市话”) 按“煤安标 准 作了技术处理、移植、延伸到煤矿井下的，从而作为煤矿井下无线信息网络 服务平台，即能够同时服务于地面与井下的个人移动通讯系统或生产调度系统。 它可以实现所有有线、无线用户的调度功能，井下手机与手机之间，井下手机与 2 硕i j 学位论文 调度电话之问，井下手机与地面手机之间，井下手机与地面固定电话间均可实现 双向通话，还能根据生产需要对无线用户及所带的固定用户混合组网、统一编号。 井下小灵通已经实现了语音的双向通话和基于基站( c e l ls t a t i o n ) 的井下定 位，但是该系统设备复杂价格昂贵，等于说企业要在地下建一个专用电话网，对 于一般的中小煤矿来说根本无力承担建立这样一个大型系统；并且如果井下小灵 通用于搜救的话要多种设备同时工作，而实际情况是当矿难发生时很多种设备都 不能工作了，因此说井下小灵通不适合用于紧急情况时的井下搜救。 非接触l c 卡 非接触式i c 卡又称射频卡，由i c 芯片、感应天线组成，封装在一个标准的 p v c 卡片内，芯片及天线无任何外露部分。是世界上最近几年发展起来的一项新 技术，它成功的将射频识别技术与i c 卡技术结合起来，结束了无源( 卡中无电源) 和 免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破。卡片在一定距离范围( 通常为5 一1 0 毫米) 靠近读写器表面，通过无线电波的传递来完成数据的读写操作。 它是一种新型的智能卡，诞生于九十年代初，是世界上最近几年发展起来的 一项新技术，由于存在着磁卡和接触式i c 卡不可比拟的优点，使之一经问世，便 立即引起广泛的关注，并以惊人的速度推广和应用。 非接触型i c 卡本身是无源体，当读写器对卡进行读写操作时，读写器发出的 信号由两部分叠加组成：其中一部分是电源信号，该信号由i c 卡接收后，与其本 身的l c 产生谐振，产生一个能量来供给芯片工作。另一部分则是结合数据信号， 指挥芯片完成数据、修改、存储等，并返回给读写器。由非接触式i c 卡所形成的 读写系统，无论是硬件结构，还是操作过程都得到了很大的简化，同时借助于先 进的管理软件，可脱机的操作方式，都使数据读写过程更为简单。 但是i c 卡其识别距离短，不能实现报警信息的传送，当读卡器读到某一个卡 号时不能产生声光回响动作，所以非接触i c 卡技术也不适合用于井下搜救。 全球卫星搜救系统 全球卫星搜救系统，是国际低极轨道搜救卫星系统的简称。它是由美国、前 苏联、法国和加拿大四国在l9 8 1 年联合开发的在全球范围内，利用卫星进行搜索 救援信息服务的系统。一年之后，以上述四国为理事的国际低极轨道搜救卫星组 织宣布成立。19 8 5 年经国务院批准，由交通部代表国家以“用户”的身份加入该 组织。目前全球有三十六个国家和地区分别以“空问设备提供国”、“地面设备提 供国”、“地面设备操作者”和“用户”的身份加入了该组织。 国际搜救卫星组织成立的目的，是为在全球范围内的用户，提供快速而准确 的遇险报警信息。系统运行使用低高度的极地轨道卫星或同步静止轨道卫星，以 及相应的地面处理设备，为全球海上、空中和陆地，包括极区在内的用户提供遇 险定位报警和用户身份登记信息查询服务，使遇险者得到及时有效的救助。 全球卫星搜救系统以其反应迅速、准确可靠、使用方便等优点，不仅广泛地 基于w i n c e 的矿山j h ：定位及无线搜救嵌入式系统的研究j 开发 应用于航海和航空的遇险救助行动中，而且还越来越多地为陆地个人用户的遇险 救助提供定位信息。 系统的空间段部分目前是由美国提供的5 颗s a r s a t 和俄罗斯提供的3 颗 c o s p a s 低高度极地轨道卫星，以及美国和印度提供的3 颗静止轨道卫星组成。 另外，还有2 颗美国的静止轨道卫星，在轨道上处于备用状态。卫星上的转发器 等设备，由美国、俄罗斯、法国和加拿大四国提供。对所有国际搜救卫星组织的 成员国，可免费使用卫星上搭载的4 0 6 、2 4 3 和1 2 1 5 m h z 国际专用遇险频率转发 器。 我国的搜救指挥协调部门，主要是接收来自香港和日本系统传来的报警信息。 几年来，这套系统成功的担负起了其搜救服务区内的遇险报警任务。截止到目前 为止，系统已准确捕捉到三十九次真实的遇险报警，经国家海事局组织实施救助， 使近四百余名遇险人员安全脱险。几年来的实践证明，北京卫星搜救系统的投入 使用，极大地提高了我国海上和陆地的遇险报警能力，为我国遇险搜救手段的现 代化，奠定了可靠的基础。 但是，全球定位搜救系统虽然有着诸多的优点，但是，却在两个方面制约着 它在矿井搜救方面的应用：一是国内g p s 卫星还不成熟，大多都是依赖国外的卫 星；二是g p s 卫星信号在煤矿甬道下的信号弱的问题得不到很好的解决。这让我 们不得不遗憾的放弃这一非常好的搜救技术。 无线标签识别技术 无线射频识别技术标签( r f i d ) 是最近几年流行于欧美国家、尤其是零售 行业控制管理领域的一种高科技的识别技术名词，即r a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n ( 射频识别技术) 的英文缩写，是一种不直接接触的自动识别技术， 它通过射频信号可以自动识别目标对象并获取相关的数据，拥有无磨损、读取速 度快、寿命长、不受环境影响、使用方便等特点；并具有防冲突功能，能同时处 理多张卡片，可工作于各种恶劣环境，可识别高速运动物体。 典型的无线识别系统( r f i d ) 由射频卡( t a g ) 、读写器( r e a d w r i t ed e v i c e ) 以及数据交换、管理系统等组成，它具有智能读写及加密通信的能力。系统的基 本工作流程是： 阅读器通过天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区 域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活； 射频卡将本身编码等信息通过卡内的天线发送出去；系统天线接收到从射 频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送给阅读器，阅读器对接收的信 号进行解调和解码之后然后送到后台主系统进行相关处理； 主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理 和控制，发出指令信号控制执行机构动作。系统可以通过读写器的r s 2 3 2 或r s 4 8 5 接口与外部计算机( 上位机主系统) 连接，在w i n d o w s 环境下 4 硕l j 学位论文 进行数据处理。 它具有体积小巧轻便，技术先进、成熟，组网方便、性能稳定可靠，机动好， 可利用现成产品改装、集成，大大缩短试制周期，降低工作量，节省开发费用， 风险较小的优点。目前国内市场上已经出现了基于z i g b e e & r f i d 技术的可用于紧 急搜救工作的系统，该技术可以用于井下搜救，但在井下空间的传输距离只有5 0 米左右，其灵敏度不高效果不好，最大的弱点是不能对返回的信号强度进行量化， 用到搜救器产品的表现形式上就是只知道某个矿工被埋但是具体埋在哪里及方位 不清楚，这会给现场抢救决策带来麻烦，因为当矿难发生时要优先搜救那些有生 还可能的人员。 鉴于上述分析，没有十全十美的技术，每个技术都有着各自的优点和缺点， 经过综合考虑，本文采用了r f i d 技术，针对该项该项技术用于井下搜救工作时 不足的地方进行了改进和弥补1 7 9 1 。 1 3 本文主要研究内容 本文在结合我国现有国情，在分析当前矿井安全监控系统缺点的基础上，深 入研究了射频识别技术、传感器技术、嵌入式操作系统技术在矿井安全生产领域 的应用，针对当前安监系统的功能特点，补充了无线定位搜救这一重要的功能。 并结合具体的应用对象在如下几个方面进行详细的研究和探讨： 国内外矿井安全监控及无线搜救系统的发展现状及主要应用技术的优势 和不足 嵌入式操作系统、射频识别、无线通信等技术在矿井安监定位领域中的 应用研究 w i n c e 操作系统的系统结构和剪裁 w i n c e 嵌入式系统各种驱动的编写方式和流程 $ 3 c 2 4 4 0 与c c 2 4 3 0 之间数据通信方案的设计及驱动层程序的编写 基于8 0 2 1 5 4 z i g b e e 网络通信协议的应用研究 基于z i g b e e 网络层的系统人员定位方案的设计与研究 基于z i g b e e 物理链路层的无线搜救功能的设计和研究 系统人员无线搜救数据发送算法的设计与研究 系统的调试和试验的分析 1 4 本文的章节安排 本文章节结构如下： 第l 章绪论介绍课题的研究意义、矿山井下安全监控系统的作用与结构， 基于w i n c e 的矿山片下定位及无线搜救嵌入式系统的研究| j 开发 国内外矿山井下安全监控系统及无线搜救系统的发展现状，主要技术的应用情况， 技术优势和不足点。 第2 章对本文研究的嵌入式安监定位搜救系统进行了详细的需求分析和软 件系统的总体设计。 第3 章针对嵌入式安监定位搜救系统，从操作系统的选型及系统的设计流 程，软件开发过程给予了介绍。 第4 章深入研究了安检定位功能和无线搜救功能的通讯方式，网络协议以及 技术要求。 第5 章叙述系统的各个功能模块的设置及调试过程，实验结果的分析，验证 了研发系统的有效性。 6 硕 ：学位论文 第2 章系统的需求分析与总体设计 系统的需求分析以及整体方案设计是系统开发成功的关键。可以说直接影响 后期系统的实现，程序编写，系统的维护等等。本章结合煤矿井下安全生产的实 际需求，设计系统的整体结构及功能：介绍嵌入式操作系统的发展及应用、分析 w i n c e 嵌入式操作系统的优点、深入研究w i n c e 操作系统系统定制，驱动开发及 应用程序开发的流程和工具。给出了基于z i g b e e 应用层和m a c 层的通信协议的 井下通信方案，研究了无线射频技术系统的工作原理、给出了基于r f i d 技术的 无线人员定位、无线搜救方案、分析该方案中的关键问题并给出解决措施。 2 1 系统介绍 2 1 1 系统功能需求 为了满足矿山井下安全生产的需要，矿山井下安全监控系统在正常情况下通 过监控矿井下的温度，湿度，瓦斯浓度来保证矿井的安全运营。一旦发生安全事 故时，通过无线终端的无线搜救功能应可以知道该被困人员的具体方位，保证抢 险救灾工作和安全救护工作的高效运作【l 们。因此，本文设计的煤矿井下安监定位 及无线搜救系统应具备以下的基本功能： 1 井下环境安监参数监控功能。实时监控井下安全相关的敏感数据信息， 能够检测井下一氧化碳浓度、瓦斯浓度、湿度、温度等物理信息。 2 人员定位检测功能。实时检测下井人员所处的区域位置信息，实现对 井下工作人员的人员定位和跟踪管理功能。 3 无线搜救功能，当矿难发生，矿工被困或被埋的时候，可以迅速的找 到被困人员所处的位置。 4 考勤管理功能。通过上位机操作平台专用管理软件对井下工作人员进 行下井次数、井下停留时间等信息分类统计考勤，便于考核，实现井下工作 人员的考勤统计管理功能和有关报表的打印。 5 支持报警功能，当矿井中的瓦斯浓度，温度，湿度出现异常的时候，无线 终端给出声光报警，同时将报警信息传给预定好的接收人员，无缝接入p c 网络 【1 1 1 。 2 1 2 性能需求 对于一个安全监控系统来说，性能好坏是非常关键的因素，决定整个系统的 7 基于w i n c e 的矿山，门f 定位及无线搜救嵌入式系统的研究。j 开发 成功与否。它主要体现在时间约束性、可预测性、可靠性、可扩展性这几个方面。 ( 1 ) 时间约束性：实时性是指系统的响应时间能满足应用的需要。在本系统 的设计中，实时性的要求是放在首位的，无论是从井下温湿度，瓦斯浓度等安全 数据的收发响应时间，还是人员定位的行动轨迹，无线搜救时的快速定位过程， 都需要满足实时性的要求。 ( 2 ) 可预测性：可预测性是指系统能对实时任务的执行时间进行判断，确定 能否满足任务的时限要求。由于系统对时间约束要求的严格性，使可预测性成为 系统的一项重要性能要求。除了要求硬件延迟的可预测性以外，还要求软件系统 的可预测性。包括应用程序的响应时间是可预测的，即在有限的要求时间内完成 必须的工作。在本系统中，在可预测性方面做的努力主要是监控一次轮询数据的 时间，使其控制在一定范围值之内。 ( 3 ) 可靠性：系统的可靠性主要体现在最坏的情况下仍能正常工作或避免损 失。主要是要在软件设计时避免缺陷，正常情况下确保软件的持续工作能力；提 高故障承受能力，当一部分因外因不能正常运转时，系统不应当就此崩溃，而仍 需保持一定的工作能力，从而避免造成更大的损失。 ( 4 ) 可扩展性：可扩展性是指系统能满足r 益增多的业务和信息量。对于本 系统而言，就是需要做到无限网络节点的可扩展，即系统能随时增加无线传感器 节点而不应系统的正常运行i 眩o3 1 。 2 1 3 系统总体设计 1 井下无线通信方案【1 4 】 蓝牙技术( b l u e t o o t h ) 这种广受业界关注的近距无线连接技术是一种无线数据与语音通信的开放性 全球规范，它以低成本的短距离无线连接为基础，可为固定的或移动的终端设备 提供廉价的接入服务。蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范， 其实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的近距无线接口， 将通信技术与计算机技术进一步结合起来，使各种设备在没有电线或电缆相互连 接的情况下，能在近距离范围内实现相互通信或操作。其传输频段为全球公众通 用的2 4 g h zi s m 频段，提供l m b p s 的传输速率和1 0 m 的传输距离。蓝牙技术 诞生于1 9 9 4 年，e r i c s s o n 当时决定开发一种低功耗、低成本的无线接口，以建立 手机及其附件间的通信。该技术还陆续获得p c 行业业界巨头的支持。1 9 9 8 年， 蓝牙技术协议由e r i c s s o n 、i b m 、i n t e l 、n o k i a 、t o s h i b a 等5 家公司达成一致。 蓝牙协议的标准版本为8 0 2 1 5 1 ，由蓝牙小组( s i g ) 负责开发。8 0 2 1 5 1 的最初标 准基于蓝牙1 1 实现，后者已构建到现行很多蓝牙设备中。新版8 0 2 15 1 a 基本等 同于蓝牙1 2 标准，具备一定的q o s 特性，并完整保持后向兼容性。但蓝牙技 术遭遇了最大的障碍是过于昂贵。突出表现在芯片大小和价格难以下调、抗干扰 8 硕l j 学位论文 能力不强、传输距离太短、信息安全问题等等。这就使得许多用户不愿意花大价 钱来购买这种无线设备。因此，业内专家认为，蓝牙的市场前景取决于蓝牙价格 和基于蓝牙的应用是否能达到一定的规模。 w i - f i 技术 w i f i 技术也是一种无线通信协议，正式名称是i e e e 8 0 2 1 l b ，与蓝牙样， 同属于短距离无线通信技术。w i f i 速率最高可达1 1 m b s 。虽然在数据安全性方 面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达l0 01 1 1 左右。 w i f i 是以太网的一种无线扩展，理论上只要用户位于一个接入点四周的一定区 域内，就能以最高约1 1 m b s 的速度接入w e b 。但实际上，如果有多个用户同时 通过一个点接入，带宽被多个用户分享，w i f i 的连接速度一般将只有几百k b s 的信号不受墙壁阻隔，但在建筑物内的有效传输距离小于户外。w l a n 未来最 具潜力的应用将主要在s o h o 、家庭无线网络以及不便安装电缆的建筑物或场所。 目前这一技术的用户主要来自机场、酒店、商场等公共热点场所。w i f i 技术可 将w i f i 与基于x m l 或j a v a 的w e b 服务融合起来，可以大幅度减少企业的成本。 例如企业选择在每一层楼或每一个部门配备8 0 2 1 l b 的接入点，而不是采用电缆 线把整幢建筑物连接起来。这样一来，可以节省大量铺设电缆所需花费的资金。最 初的i e e e 8 0 2 1 1 规范是在1 9 9 7 年提出的，称为8 0 2 1 1 b ，主要目的是提供w l a n 接入，也是目前w l a n 的主要技术标准，它的工作频率也是2 4 g h z ，与无绳电 话、蓝牙等许多不需频率使用许可证的无线设备共享同一频段。随着w i f i 协议 新版本如8 0 2 1 l a 和8 0 2 1l g 的先后推出，w i f i 的应用将越来越广泛。速度更快 的8 0 2 1lg 使用与8 0 2 1 1 b 相同的正交频分多路复用调制技术【m 】。它工作在2 4 g h z 频段，速率达5 4 m b s 。根据最近国际消费电子产品的发展趋势判断，8 0 2 1 lg 将 有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为产品标准。微软推出的桌面操作系 统w i n d o w s x p 和嵌入式操作系统w i n c e ，都包含了对w i f i 的支持。其中，w i n c e 同时还包含对w i f i 的竞争对手蓝牙等其它无线通信技术的支持。由于投资 8 0 2 1 lb 的费用降低，许多厂商介入这一领域。i n t e l 推出了集成w l a n 技术的笔 记本电脑芯片组，不用外接无线网卡，就可实现无线上网i l7 1 。 i r d a 技术 红外线数据协会l r d a ( i n f r a r e dd a t a a s s o c i a t i o n ) 成立于1 9 9 3 年【l5 。起初，采 用i r d a 标准的无线设备仅能在l i n 范围内以1 1 5 2k b s 速率传输数据，很快发展 到4 m b s 以及1 6 m b s 的速率。i r d a 是一种利用红外线进行点对点通信的技术， 是第一个实现无线个人局域网( p a n ) 的技术。目前它的软硬件技术都很成熟，在 小型移动设备，如p d a 、手机上广泛使用。事实上，当今每一个出厂的p d a 及 许多手机、笔记本电脑、打印机等产品都支持i r d a i l 8 】。i r d a 的主要优点是无需 申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。并且还具有移动通信所需的体积小、 功耗低、连接方便、简单易用的特点。此外，红外线发射角度较小，传输上安全 9 基于w i n c e 的矿山，f 下定位及无线搜救嵌入式系统的研究与开发 性高。i r d a 的不足在于它是一种视距传输，两个相互通信的设备之间必须对准， 中间不能被其它物体阻隔，因而该技术只能用于2 台( 非多台) 设备之间的连接。 而蓝牙就没有此限制，且不受墙壁的阻隔。i r d a 目前的研究方向是如何解决视距 传输问题及提高数据传输率。 z i g b e e 技术 z i g b e e 主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备 之间。z i g b e e 名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳 z i g z a g 形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。z i g b e e 联盟成立于2 0 0 1 年8 月。2 0 0 2 年下半年，i n v e n s y s 、m i t s u b i s h i 、m o t o r o l a 以及 p h i l i p s 半导体公司四大巨头共同宣布加盟z i g b e e 联盟，以研发名为z i g b e e 的下 一代无线通信标准【l9 。2 0 1 。到目前为止，该联盟大约已有2 7 家成员企业。所有这 些公司都参加了负责开发z i g b e e 物理和媒体控制层技术标准的i e e e8 0 2 15 4 工 作组。z i g b e e 联盟负责制定网络层以上协议。目前，标准制订工作已完成。z i g b e e 协议比蓝牙、高速率个人区域网或8 0 2 1 l x 无线局域网更简单实用。z i g b e e 可以 说是蓝牙的同族兄弟，它使用2 4g h z 波段，采用跳频技术。与蓝牙相比，z i g b e e 更简单、速率更慢、功率及费用也更低。它的基本速率是2 5 0 k b s ，当降低到2 8 k b s 时，传输范围可扩大到1 3 4 m ，并获得更高的可靠性。另外，它可与2 5 4 个节点 联网。可以比蓝牙更好地支持游戏、消费电子、仪器和家庭自动化应用。人们期 望能在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统和玩具等领域拓展z i g b e e 的应用。 z i g b e e 技术特点主要包括以下几个部分： 数据传输速率低。只有1 0 k b s , - - 一2 5 0 k b s ，专注于低传输应用 功耗低。在低耗电待机模式下，两节普通5 号干电池可使用6 个月以上， 这也是z i g b e e 的支持者所一直引以为豪的独特优势。 成本低。因为z i g b e e 数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本， 积极投入z i g b e e 开发的m o t o r o l a 以及p h i l i p s ，均己在2 0 0 3 年正式推出 芯片，飞利浦预估，应用于主机端的芯片成本和其它终端产品的成本比 蓝牙更具价格竞争力。 网络容量大。每个z i g b e e 网络最多可支持2 5 5 个设备，也就是说每个 z i g b e e 设备可以与另外2 5 4 台设备相连接。 有效范围小。有效覆盖范围1o 7 5 m 之间，具体依据实际发射功率的大 小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环 境。 z i g b e e 工作频段灵活。使用的频段分别为2 4 g h z 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 及 9 1 5 m h z ( 美国) ，均为免执照频段1 2 m 列。根据z i g b e e 联盟目前的设想， z i g b e e 的目标市场主要有p c 外设( 鼠标、键盘、游戏操控杆) 、消费类电 l o 硕l ：学位论丈 子设备( t v 、v c r 、c d 、v c d 、d v d 等设备上的遥控装置) 、家庭内智 能控制( 照明、煤气计量控制及报警等) 、玩具( 电子宠物) 、医护( 监视器和 传感器) 、工控( 监视器、传感器和自动控制设备) 等非常广阔的领域。 本系统采用的系统采用的就是z i g b e e 技术，主要是因为z i g b e e 技术的低功 耗，低成本，携带方便，开发相对而言难度较小等特点都非常适合矿山井下安监 定位系统的使用。采用t i 公司的c c 2 4 3 0 ，c c 2 4 3 1 芯片作为无线通讯网络的核 心，使用免费的2 4 g h z 频段，通过z i g b e e 2 0 0 6 在甬道中建立起z i g b e e 网络，实 现了网络之间数据的相互传递。 2 系统框图 本系统由两部分组成，系统总体构成中涉及到手持无线终端及人员射频终端 识别定位卡。无线手持终端主要完成以下几个功能：( 1 ) 通过采集嵌入在人员射频 终端识别定位卡中的温湿度、瓦斯传感器的数据监控矿井的安全运营。( 2 ) 通过集 成在c c 2 4 3 1 芯片内的定位引擎定位各矿工的具体位置。( 3 ) 当困难发生的时候， 通过采集各人员射频终端识别卡传回的r s s i 值，显示被困人员的具体方位和搜 救人员之间的距离。人员射频终端识别定位卡主要完成以下的功能：( 1 ) 通过集成 在定位卡上的温湿度传感器，瓦斯传感器采集数据，并在无线手持终端有要求的 时候将数据传输给无线终端。( 2 ) 当矿难发生的时候，通过搜救无线终端建立的 z i g b e e 网络，加入到该网络后周期性的发送数据帧，从而达到定位搜救的功能1 2 引。 人员识别卡采用t i 公司的c c 2 4 3l 芯片，无线搜救模块及定位基站点均采 用t l 公司的c c 2 4 3 0 射频芯片。正常情况下无线搜救手持终端作为协调器先启 动，建立z i g b e e 网络，人员识别卡加入该网络，从而在两者之间进行信息的互 相传递1 2 4 1 。同时考虑到煤矿中甬道较长，可能会超出单一一个网络的有效覆 盖范围，我们选择在中继器上连接一个无线模块，同样的赋予其协调器的功 能，它建立一个网络后，与其附近的射频卡组网，最后通过多跳的形式在各 个网络之问传递数据，最终数据都汇总到与无线搜救手持终端，然后显示在 无线搜救手持终端自带的显示屏上，包括人员所在的位置，该位置的温度， 湿度，瓦斯浓度。而当矿难发生时，人员识别卡在经过条件的判断后，自动 在m a c 层上与协调器建网，然后大量的发送数据帧给手持终端( 在m a c 层发送 数据的优点是相应迅速，速度快，量大，有利于提高搜救定位的精度和灵敏 性) ，从而实现无线搜救的功能，系统的框图如下所示1 2 引。 基于w i n c e 的矿山，门：定位及无线搜救嵌入式系统的研究与开发 ；|；：!i翠、 ，7：、 ，7 j 、 由一一一一一一 ：鸯一一一一一豳 2 2 系统的参数指标 图2 1 系统结构框图 定位基站安装在井下主巷道、采掘面、危险场合( 如盲巷) 等需要监控的地 方，分稚区域的大小由所需定位精度和井下具体环境而定。智能卡可内嵌在井下 工人的矿灯、安全帽和腰带等下矿工作随身必备物品中，不需额外增加携带装备。 在井下，员工只要穿过感应区域，定位基站中的读卡器就将接收到的数据经 z i g b e e 协议传送到地面中心站，处理后保存到数据库服务器中。系统的具体技 术指标如下【2 6 l ： 1 单个协调器可带识别卡：2 5 5 片 2 允许被测目标最大移动速度：1 0 0 m s 3 无线线信号的传输速率：2 4 0 0 b p s 4 系统最多容纳员工数：最多6 5 5 3 5 个 5 无线手持终端软件： l c d 控制器：一个l c d 专业d m a 控制总线：a m b a 2 0 ，a h b a p b 体系结构：a r m 9 2 0 t 缓存：指令缓存，数据缓存，写缓存 指令集：1 6 3 2 为r i s c 体系结构 a d c ：8 通道l0 位 电源控制模式：标准，慢速，休眠，掉电 外部中断：2 4 个外部中断 1 2 硕i j 学位论文 中断源：5 6 个中断源 支持系统：w i n c e ，l i n u x ，e p o c 3 2 定时器：4 个p w m 定时器和一个内部定时器 看门狗：一个看门狗定时器 u s b 接口：两个u s bh o s t , 一个u s bd e v i c e 总线：一个i z c 总线，一个1 2 s 总线 d m a ：4 个带外部请求线的d m a 端口：3 个通用异步串行端口( i r d a i 0 ，16 - b y t et xf i f oa n d16 b y t er x f 1 f o ) s p i ：2 通道s p s d 接口版本：1 o 版本且和多媒体协议版本2 1 l 兼容 主要应用方面：手持设备和通用嵌入式系统 6 无线手持终端处理器$ 3 c 2 4 4 0 ： 电源：3 3 vd c 信号频率：2 4 g h z 信号的识别距离：0 m 1 0 0 m 同时识别卡数量：6 5 5 3 6 张 通讯方式：无线z i g b e e 网络 通信频率：2 4 g h z 模块类型：全功能模块 网络功能：协调器或路由器 6 参考定位基站模块： 电源：3 3 vd c 信号频率：2 4 g h z 信号的识别距离：0 m 1 0 0 m 同时识别卡数量：6 5 5 3 6 张 通讯方式：无线z i g b e e 网络 通信频率：2 4 g h z 模块类型：全功能模块 网络功能：协调器或路由器 7 终端智能卡： 电源：3 3 vd c 信号频率：2 4 g h z 信号的识别距离：0 m 1 0 0 m 同时识别卡数量：6 5 5 3 6 张 模块类型： 网络功能： 2 3 本章小结 半功能模块 终端 本章主要介绍了在矿井下无线通信的几种技术，包括蓝牙，w i f i ，红外线