（安全技术及工程专业论文）基于蓝牙技术的通风参数检测装置研究.pdf

s u b j e c t ：s t u d yo nt h em e a s u r i n gd e v i c eo fv e n t i l a t i o np a r a m e t e r sb a s e d o nb l u e - t o o t ht e c h n o l o g y s p e c i a l t y ：t h ee n g i n e e r i n go fs a f e t y n a m e ：z h a n gp e n g f e i i n s t r u c t o r ：c h a n gx i n t a n a b s t r a c t ( s i g n a t i i r e ) 垄级壁 ( s i g n a t 缉垒兰 c o m m t m i c a t i o nm a i n l yd e p e n d e do nc a b l ei nt h eu n d e r g r o u n dc o a l - m i n m gd i s t r i c t l i m i t e db ya c t u a ls c h o o la s s i g n m e n te n v i r o n m e n tt h a tt h ef l o o rw a sd a m pa n dt h ec a b l e sw e r e e r o d e dg r a v e l y , c o m m u n i c a t i n gc o u l db ei n t e r r u p t e di m m e d i a t e l yo n c ea c c i d e n th a p p e n e d b u tb l u e - t o o t h t e c h n o l o g yd e v e l o p e d o n2 4 g h zf r e q u e n c yc h a n n e l ，a sac a b l e d i s p l a c e m e n t , w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , m i g h t b eu s e df o r u n d e r g r o u n d c o a l - m i n i n gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , o w h l gt o i t s u n i f i e dt h ew h o l ew o r l ds t a n d a r d , a d v a n t a g eo fd a t aa n dp r o n u n c i a t i o nt r a n s f e r , s t r o n ga u t o m a t i o ng r o u pn e ta b i l i t y , l o w - p o w e r c o n s u m p t i o n , l o w l o s ta n dh i g hs e c u r i t y t h i sp a p e rg a v eat o t a ls c h e m ef o ru n d e r g r o u n dw i r e l e s sd a t at r a n s f e rb a s eo nb l u e - t o o t h t e c h n o l o g ya i m e d 砒t h ed e f i c i e n c yo fu n d e r g r o u n dl i n ec a b l ec o m m u n i c a t i o n f i r s t l y a n a l y z e db l u e - t o o t hp r o t o c o ls t a c l t h e nc o n s t r u c t e dp o i n tt ot h a tp o i n td a t at r a n s m i s s i o n s y s t u mh a r d w a r ep l a t f o r m t h es l a v eu n i tw a st h ep o r t a b l ev e n t i l a t i o ni m r m n e t e r d e t e c t i n s t n n n a n ta n dt h eh o s tu n i tw a st h eb l u e - t o o t hi n s t n n n e n t 1 1 埠s l a v eu n i tt r a n s f e r r e dd a t at o t h eh o s tu n i t ，a n dt h e nt h eh o s tu n i tt r a n s f e r r e dt h ed a t ad i r e c t l yt ot h eg r o u n ds e r v e rf l x n nt h e u n d e r g r o u n d 1 1 圮b l u e t o o t hs l a v ed e v i c ew a sc e n t e r e d0 1 1a t 8 9 s 5 1 s t u d i e dt h ea t 8 9 s 5 l si n t e r f a c e c i r c u i tw i t ha dc h i pt l c 2 5 4 3 1 i q u i dc r y s t a ld i s p l a ym o d u l el c m l 2 8 3 2 z k , b l u e t o o t h m o d u l er o k l 0 1 0 0 7a n da s s i s t i n gt h em o d u l e c o m p l e t e dv e n t i l a t i o np a r a m e t e ra u t o - d e t e c t a n dc o m m u n i c a t i n gw i t he t h e r n e t t h eb l u e t o o t hm a s t e rd e v i c ew a so fap ca n dab l u e t o o t h c o m m u n i c a t i o nu n i t t h ec o m m u n i c a t i o ns o r w a r ew a sd e s i g n e ds i n c es t u d i e dh o wt oc o m m u n i c a t i o na l o n g b l u e - t o o t hm o d u l ea n dh o wt oc o m m u n i c a t i o nb e t w e e l lb a s es t a n da n dd e t e c t - i n s t r u m e n t t h e 把s t i l l gr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep o r t a b l ev e n t i l a t i o np a r a m e t e r - d e t e c ti n s t r u m e n t w a s h i g hp r i c er a t i o ，a n ds h o r tc o n s m m i o nc y c l e ，g o o dc o m p a t i b i l i t ya n de x p a n d a b i l i t y k e y w o r d s - b l u e t o o t hm o d u l e u n d e r g r o u n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o ls p e c i f i c a t i o nh o s tc o n l r o l l e ri n t e r f a c e 妻料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 钿皓沙日期： 一7 吖z 歹 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：；毛如矽指导教师签名：电，- c 曼， 7 年印月w 日 1 绪论 1 1 课题的提出及意义 1 绪论 随着国民经济的发展和综合国力的提高，煤炭作为一种重要的能源其需求量越来越 多，煤炭工业在未来相当长的时期内仍将是我国经济发展的重要支柱，但是煤矿安全形 势却极为严峻，重特大恶性事故频发。随着煤炭生产的提高，安全成为煤炭生产企业乃 至整个煤炭行业的重要问题而倍受关注。我国产煤量约占世界总产量的1 5 ，而煤矿死 亡人数却占世界煤炭死亡人数的4 5 ，全国煤矿平均不到l 小时就有1 人死于事故，我 国的煤矿安全与世界产煤先进国家之间的差距很大。2 0 0 6 年，全国煤矿企业发生事故 2 9 4 5 起，死亡4 7 4 6 人，同比下降3 6 1 起，1 1 9 2 人1 1 。随着煤矿开采深度的加深，矿井 瓦斯含量越来越高，近年来，我国各类所有制煤矿百万吨死亡率居高不下，以瓦斯事故 占绝大多数的重大事故呈现上升势头。在国家经贸委做出的近期行业技术发展重点报告 中将煤炭安全保障技术的研究作为技术发展方向和重点之一，在此方向中包括了对火灾 防治技术、通风技术与装备等方面的研究。 因此，为了保障煤炭安全而高效的生产，需要研制出安全、高效、计算能力强、便 于扩展的煤矿安全应用系统以指导现场工作。现代化安全生产监测监控系统与各种自动 化设备对生产实际进行实时的监测与控制是现代化煤炭生产企业安全生产的保证。安全 生产监测监控系统为各级生产指挥者和业务部门提供环境安全参数和生产设备工作状 态动态信息，为指挥生产提供第一手资料1 2 1 。在系统运行中，数据传输至关重要。数据 通信介质可以采用有线传输介质，也可以采用无线传输介质。 目前我国煤炭生产企业的各种自动化设备，其数据通信环节大多采用有线传输。因 为光缆它不受井下环境影响，传输可靠，效率高，传输距离远，现在很多监控系统的主 传输线都采用光缆传输，对于长距离的数据传输一般采用有线电缆或光缆。对于中短距 离的数据传输，目前基本采用有线电缆。但是，对于短距离采用有线传输不能满足生产 现场的需要，并且存在许多弊端和不足。在生产现场的短距离大多采用电缆，如阻燃型 外护套电缆、双绞线等，也有采用无线电、红外等无线介质来进行数据传输，但是其可 靠性不高，而且存在信号衰减大，受障碍物的隔挡等弊端。由于在煤矿井下生产现场环 境十分恶劣，生产布局比较分散而且需要数据通信设备经常移动。在这样的环境下铺设 电缆非常困难而且移动电缆麻烦，容易出现故障。另外，在矿井的一些特殊区域如：采 空区等一些死角目前一直无法采用有线方式进行有效的数据采集，这就使得这些区域存 在巨大的安全隐患，从而给矿工生命带来严重威胁，给安全生产带来影响。 面对煤矿井下生产的这些实际情况，急需寻找一种合适的短距离无线数据传输技术 西安科技大学硕士学位论文 来解决这种特殊环境下的数据传输难题，为煤炭安全生产提供有效可靠的数据保障。对 于无线通信其方式主要有电磁波通信、红外线通信与激光通信等，但是由于煤炭领域生 产环境的特殊性，其无线传输的信号的衰减，给传输距离带来很大影响。根据上述问题， 研究有效的短距离无线数据传输技术对于煤炭安全生产将有着重大深远的意义。一方面 可以解决煤矿特殊区域铺设电缆传输数据的难题，消除这些地方的安全隐患，给工人生 命安全带来保障，给安全生产提供有力的技术支持。另一方面，可以增强一些自动化设 备的可靠性、灵活性与移动性，给现场生产带来方便。 1 2 本课题国内外研究现状 1 2 1 矿井监测监控系统发展状况 矿井监控系统是指对煤矿上、下的环境参数及有关生产环节的机电设备运行状态进 行检测，用计算机对采集数据进行分析处理，对设备、局部生产环节或过程进行控制的 一种系统。其组成包括：传感器和执行器，包括声光报警器、控制器和工作电源等； 信息传输装置，包括传输接口、分站、传输线和电源等；中心站或主站的硬件，包 括计算机、外围设备及电源等；中心站或主站的计算机软件，包括应用程序、操作系 统( 或监控程序) 及存储介质等1 5 】。 国外煤矿监控技术从上世纪六十年代开始，在七十年代中期英国煤炭研究院推出以 时分制为基础的m i n o s 煤矿全矿井监测监控系统。到八十年代初，m i n o s 系统已相当 成熟，在英国国内得到大量推广，这开创了煤矿自动化技术和煤矿监控技术发展的新局 面。八十年代末期d c s 进入扩展期，其直接控制、监督控制和协调优化、上层管理三 层功能结构的标准体系结构形成，能进行功能上的扩充和网络通信，同时f c s 开始成为 技术热点，其优势体现在比较适合于数量庞大的传感器连接，并引发了监控系统真正意 义上的由仪表到计算机的换代。与此同时新一代的d c s 纷纷推出，最明显的特征是： 全面支持企业信息化，系统构成集成化，混合控制功能兼容，硬件进一步分散化、智能 化和低成本化，系统平台开放化，应用系统专业化。 上世纪8 0 年代初，我国通过对引进产品的消化、吸收并结合自身煤炭工业发展的 实际情况，先后研制出k j 2 、k j 4 、k j 8 、k j l 0 、k j l 3 、k j l 9 、k j 3 8 、k j 6 6 、k j 7 5 、k j 8 0 、 k j 9 2 等监控系统，这些都为我国煤矿安全生产管理起到了十分重要的作用。 随着新技术的发展，k j 9 0 、k j 9 5 、k j l 0 1 、i ：j f 2 0 0 0 、k j 2 0 0 0 和k j g 2 0 0 0 等监控系 统相继推出，这些监控系统主要由监测终端、监控中心站、通信接口装置、井下分站、 传感器组成。9 0 煤矿安全监测监控系统完成了由地面单微机监控向网络化监控及不 同监控系统的联网监测的新的重大转变嘲。在此基础上出现了融入了m s n m 、w e b g i s 等煤矿安全综合化和数字化网络监测管理系统，结构如图1 1 所示： 2 1 绪论 图1 1 煤矿安全综合化和数字化网络监测管理系统 随着监控系统变化与发展，其数据传输介质也在发生变化，最开始的数据传输以借 用电话线为主流，其造价比较低。也有采用多芯专用电缆，其铺设电缆麻烦，维护困难， 造价高。后来发展为采用屏蔽电缆、阻燃电缆等有线电缆，比如k j 4 系统就采用阻燃橡 套电缆，与6 芯恺装电缆【7 】。近几年来光缆通信技术以其传输距离远、频带宽、衰减小 和抗电磁干扰等一系列优点得到迅速发展和大规模使用，现在许多安全监控系统的主干 线大多采用光缆传输数据。到目前为止，对于中长距离的数据传输采用有线电缆数据传 输质量稳定，速度要求满足实际要求，性能比较可靠。 1 2 2 我国煤矿井下移动通信的现状 目前，我国煤矿井下移动通信的主要方式有动力线载波通信、感应通信、漏泄通信 以及中频无线电通信等【s l 【9 j 。 ( 1 ) 动力线载波通信 动力线载波通信是在矿井架线机车上应用，借助矿井动力电缆或机车架线作为信 道，将语音信号调制成几十乜的载波在信道上传输。这种通信方式在传输距离、通 话清晰度和抗干扰能力上都无法适应现代化矿井的需要。 ( 2 ) 感应通信 感应通信方式是在巷道中敷设一条接地的感应传输线，利用电磁感应的原理实现信 号传输的收发信机采用电磁耦合式天线，通话时将天线靠在感应传输线上感应通信传 输。频率通常选择在2 m h z 以下，而在这个频段，煤矿井下的机电噪声较大，对通话质 量影响也最严重。另外，当感应传输线离巷道壁太近时，容易造成电磁场空间分布的不 均匀引起较大的能量损耗，从而影响通信距离。 但是感应式无线电通信也有不足之处：如信道容量小，电磁干扰强，具有发射功能 3 西安科技大学硕士学位论文 的移动台天线体积较大，不便于携带，感应通信传输衰减和祸合衰减较大，因此通信距 离不远等缺点。 ( 3 ) 漏泄通信 漏泄通信技术是通过在巷道中架设一条特制的同轴电缆( 漏泄电缆) ，每隔一段距 离在电缆上开一个槽孔，利用泄漏出的电磁场实现无线通信机之间的远距离通信。它是 实现井下巷道内无线传输的一种较理想方式。该通信系统造价十分昂贵，需敷设专用传 输线，移动台接收距离通常限制在距漏泄电缆3 0 m 的范围内，并且耦合技术和漏泄电缆 架设技术复杂，维护管理代价高。 漏泄通信在当前矿山井下广为使用，它具有通话质量好，功能先进，基地台对移动 电台有寻呼、组呼、全呼功能，传输通道可靠性高，组网能力强等优点。但是，漏泄电 缆有着成本过高，当系统过分庞大时，过多的双向增音器级连，噪音易累加，信噪比变 坏，且只能实现单工或双工通信( 即对讲机功能式的通信) ，无法实现真正的有线、无 线间的等位拨号。 针对这些情况，国内外的一些专家、学者对于煤矿领域的无线数据传输进行了不懈 的研究和探讨。根据文献【1 0 1 的研究可知，在煤矿无线电频率选择中需要考虑信号衰减及 无线电在煤矿这种复杂环境下的传输效率等问题。由于在低频、中频的低端，随着频率 的增大，信号衰减也会增大，所以，如果选择这一频段的频率，则要求发射机功率大， 数据传输设备体积大，给生产现场带来许多不便。在中频高端和高频频端，信号衰减达 到最大，3 0 m h z 电波的衰减最大，最不利于在矿井中传输，所以不宜选用。当频率进 一步在甚高频时，信号衰减随频率上升而减小。由此可见，在煤矿领域采用无线数据传 输应选用甚高频频段。其中工作在2 4 g h z 频率的蓝牙技术在煤矿领域的应用研究已经 有一些成果，但目前矿井实际应用的无线电系统还未用到这样高的频段。 然而，近年来的实验表明，当频率进一步提高超过3 0 0 m h z 时，无线电波在矿井中 的传输反而变佳。目前学者们用两种理论来解释这一点f 3 】： ( 1 ) 基于波导理论。矿井巷道的半封闭空间结构以及煤的电介质特性使得矿井在 频率较高的情况下类似于波导。波导是一个高通滤波器，因而较高频率无线电信号可以 在其中较为有效地直接传输。 ( 2 ) 基于无线电传输的光学射线理论也可以解释这一现象。当无线电的波长远远 小于限定空间的几何尺寸时，无线电的传输可以看成是光在限定的空间中直射、反射、 绕射的综合结果。 近几年，在上述相关问题研究的基础上，井下无线传输也出现了许多新技术。例如： 由德国石煤股份公司、德国矿冶技术有限公司及多家科研机构共同研制而成的井下 w l a n 无线局域网系统，这种技术利用安装在矿工头盔上的摄像头传送地下煤矿实时图 像，并通过手机、耳麦等移动通讯设备，借助微型电脑进行数据传输等。如矿工在进行 4 1 绪论 井下维修时，可在很短的时间内检索到有关维修的具体信息；随身携带的袖珍电脑能立 即告知库存的配件，然后可通过耳麦告知地上人员；如果出现意外情况，矿工马上可与 电话服务中心的专家取得联系，专家则借助矿工头盔上的摄像头传送的实时图片，犹如 身临其境地进行观察与诊断，并通过耳麦指导操作。这样，因故障而停工的时间将大大 缩短。提高了矿工工作效率，也降低了危险概率。而且，所有的问题和解决方法都将存 储在知识数据库里供以后参掣”】。 尤其值得一提的是2 0 0 4 年陕西神华集团上湾煤矿使用美国u t 斯达康公司生产的 无线p h s 系统设备一a i r c o e x 防爆调度系统搭建的“井下小灵通无线通讯系统”，把 井下和井上的通讯网络连接起来，矿工们在井下使用这种新配备的“小灵通”，就如同在 地面一样，随时可以和外界通话。这不但在国内是煤矿井下使用小灵通的第一家，就是 国际一也是首例【1 1 1 2 1 。 目前国内已经有许多公司推出了矿井防爆小灵通，例如：常州三恒星际通讯设备有 限公司的k t 2 5 煤矿无线通讯系统( 煤矿井下小灵通) ，还有杭州北辰天地通信设备有 限公司、北京灵通网联通信技术有限公司、武汉全通通讯网络有限公司的小灵通k t l 8 煤矿无线通信等。 1 2 3 短距离无线技术的发展状况 随着电子技术的发展，短距离无线通信技术得到迅速发展。目前国际上短距离无线 通信技术主要包括i r d a 红外技术、i e e e s 0 2 1 1 ，h o m e r f 、以及日益兴起的蓝牙技术等。 i r d a 红外技术采用人肉眼看不到的红外光传输信息，是一种比较成熟的短距离无线 传输技术。其采用点到点的连接方式，具有方向性、数据传输干扰小、速度快、保密性 强和价格便宜等特点，广泛应用于各种遥控器、笔记本电脑、p d a 和移动设备上。它在 煤矿瓦斯气体监测报警装置方面己应用。 i e e e s 0 2 1 1 是企业无线局域网的标准技术，由i e e e 主持制订。最早的8 0 2 1 1 协 议标准是1 9 9 7 年制订的，主要用于解决办公室局域网与校园网中用户与用户终端之间 的无线接入，主要限与数据传输，由于传输速度与传输距离限制，后来相继推出了8 0 2 1 i b 和8 0 2 1 l a 两个新标准。 h o m e r f 是由h o m e r fm 作组开发的，是在家庭区域范围内的任何地方，提供p c 机与其他家用电子电器设备之间实现无线数字通信的开放性工业标准。其工作频段是 2 4 g h i s m 频段，支持数据与语音。支持h o m e r f 的企业有惠普、康柏、摩托罗拉和西 门子等8 0 多家公司。在出售到家庭的9 5 的无线计算机产品都是基于h o m e r f 技术， 可见h o m e r f 技术非常适用于家庭网络环境。 1 9 9 8 年5 月，爱立信公司联合诺基亚，i n t e l 、i b m 和东芝一起成立了蓝牙特殊利益 集团( s p e c i a li n t e r e s tg r o u p ，s i g ) ，负责蓝牙技术标准的制订、产品测试、并协调各国 西安科技大学硕士学位论文 蓝牙的具体应用。3 c o m 、朗讯、微软和摩托罗拉很快加盟s i g ，与s i g 的五个创始公 司一起成为九个倡导发起者。1 9 9 9 年7 月s i g 公布了蓝牙规范1 0 版本，1 9 9 9 年1 2 月 公布了蓝牙1 o b 版，2 0 0 1 年4 月公布了1 1 版本蓝牙规范，2 0 0 4 年公布了2 o 版本蓝牙 规范。到2 0 0 7 年底将要公布3 0 版本。自蓝牙规范1 0 版本推出之后，蓝牙技术的推广 与应用得到迅猛发展。自2 0 0 0 初蓝牙芯片发售以来，包括爱立信、剑桥硅无线电，摩 托罗拉、德州仪器、飞利浦等在内的多家公司都已经开始制造和发售蓝牙芯片或模块， 产品的体积也越来越小，价格越来越低。毫无疑问，蓝牙技术己成为近年来发展与应用 最快的无线通信技术1 1 6 1 。 1 3 论文的主要研究目标及内容 本文的主要研究目标是开发一种基于蓝牙技术的便携式通风参数检测装置，以弥补 现有通风参数检测系统的不足，实现通风参数实时采集，并与井上服务器或局域网通信。 本文主要包括以下研究内容： ( 1 ) 简介课题研究的背景与意义，国内外研究发展动态。 ( 2 ) 通过对比分析几种实用成熟的短距离无线通信技术，根据煤矿生产现场的实 际情况，确定无线技术方案。在确定技术方案基础上，提出在煤矿生产现场应用的设想、 建立应用模型，提出一种基于蓝牙技术的短距离无线数据传输系统总体方案。 ( 3 ) 了解蓝牙技术的基本内容，深入分析蓝牙通信原理。 ( 4 ) 通过分析蓝牙协议规范，重点是蓝牙模块的主机控制接口h c i 内容，为蓝牙 应用提供理论基础。 ( 4 ) 嵌入式通风参数检测仪器和蓝牙基站的研究与设计。 ( 5 ) 根据对无线数据传输系统的测试实验，分析总结蓝牙无线数据传输的基本性 能，为进一步在煤矿数据传输中应用奠定基础。 6 2 煤矿井下无线通信系统方案 2 煤矿井下无线通信系统方案 由于煤矿井下生产环境极其复杂和特殊，限制了数据短距离无线传输，本章通过分 析对比各种短距离无线通信技术技术，确定基于蓝牙技术的煤矿井下无线通信系统总体 设计思想，并建立系统得应用模型。 2 1 短距离无线技术选型要求 与地面环境不同，煤矿井下环境错综复杂，信号干扰大，并且对各种电子设备实现 本安特性要求严格。根据这些具体实际情况，对采用的短距离无线数据传输技术有着特 殊的要求： ( 1 ) 技术成熟，数据传输可靠性高。 ( 2 ) 抗干扰能力强，并且传输信号要具有一定的穿透障碍物的能力。 ( 3 ) 技术实现成本低，如在原有系统不做改动或改动很小的情况下增加这种无线 传输系统，充分利用现有资源，增加功能。 ( 4 ) 技术实现功率消耗低，供电方便，实现设备本安特性容易。 ( 5 ) 可以实现组网，形成网络化监控体系。 2 2 短距离无线技术选型 现今短距离无线通信技术主要有红外技术、m e e 8 0 2 1 1 无线局域网技术、h o m e r f 家用无线局域网技术和蓝牙技术。与前三者相比，蓝牙技术出现较晚，虽然经过不断的 发展完善，但是仍然尚未成熟。而且，蓝牙、正e e 8 0 2 1 1 和h o m e r f 工作在同一频段， 它们之间存在着一定的竞争和相互影响1 1 6 1 。因此，只有通过比较分析，才能选出一种适 合煤矿井下无线传输的最佳性价比的短距离无线数据传输技术。 2 2 1 蓝牙与另外三种短距离无线技术的对比分析 ( 1 ) 蓝牙与红外( k d a ) 技术的对比【1 5 】【峒 红外通信技术使用波长为8 5 0 r i m 的红外光传输数据和语音，它比其他三者技术更为 成熟，使用范围最广。从传输速率来讲，红外通信的传输速率最高可达1 6 m b p s ，适合 用于传输容量较大的数据文件和多媒体信息，而蓝牙只能达到7 2 1 k b p s 。另外，红外通 信由于短距离和小角度等原因，视线之外的设备很难对它构成干扰，有一定的物理层面 上的安全性。并且，红外技术的实现和操作都相对简单，成本低廉。 但是，红外技术与蓝牙技术相比，并不适合用于井下无线通信，首先，它无法灵活 地进行组网，只能实现点对点的连接，无法实现点对多点的连接，蓝牙则可以同时连接 7 西安科技大学硕士学位论文 8 台设备。其次，它对通信设备的位置要求比较严格，必须在视线可达的范围内定向传 输，中间不能有任何隔挡，同时要求通信设备的位置相对固定，无法用于移动设备，而 蓝牙使用无线电传输信息，穿透能力比较强。另外，红外常用通信距离仅为1 3 m 也比 蓝牙传输距离短。 ( 2 ) 蓝牙与i e e e 8 0 2 1 1 技术的对比【1 5 1 6 1 i e e e 8 0 2 1 1 指的是无线局域网( w i r e l e s s l o c a l a r e a n e t w o r k ，w l a n ) 标准，主要 用于实现小范围的移动组网和无线接入。8 0 2 1 1 有8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 l b 两个标准，8 0 2 1 l a 工作在5 g h 的u - n i l 频带，8 0 2 1 l b 工作在与蓝牙一样的2 4 g h z i s m 频带。 8 0 2 1 i b 的传输速率比蓝牙高许多，其传输速率最高达1 1 m b p s ，因此在局域网的无 线接入应用方面具有一定的优势。8 0 2 1 i b 的传输距离在室外是3 0 0 m ，在办公环境中最 长为l o o m ，均比蓝牙要长。另外，它可同时连接的设备数目也比蓝牙多，可达l 肛1 0 0 台设备。与蓝牙相比，8 0 2 1 l b 的射频和基带协议更为复杂，实现成本较高。基于8 0 2 1 i b 技术的无线网络接入点，可以很好地同时支持多个无线用户终端接入本地局域网以及访 问互联网。 如果仅从这些方面考虑，8 0 2 1 i b 技术比蓝牙技术更适合方案选择。但是，8 0 2 1 i b 技术目前除了作为网络接入之外，在其他对于低功耗、低成本等要求高的领域和设备上 的应用还很少，其在体积、功耗和成本上无法与蓝牙相比，并且，8 0 2 1 i b 使用的直接 序列扩频，因而抗干扰能力和防窃听能力均不如蓝牙。 ( 3 ) 蓝牙与h o m e r f 技术的对比【1 5 】【1 6 l h o m e r f 技术建立在共享无线访问协议( s h a r e dw i r e l e s sa c c e s sp r o t o c o l ，s w a p ) 之上，主要针对家庭无线局域网，同时支持数据和语音通信。其数据通信采用简化的 i e e e 8 0 2 1 1 协议标准，语音通信部分采用数字增强型无绳电话( d i g i t a le n h a n c e dc o r d l e s s e l e p h o n y ，d e c t ) 标准，使用时分多址( t u n ed i v i s i o nm u l f i p l e a c c e s s ，t d m a ) 技术。 与蓝牙一样h o m e r f 同样工作在2 4 g h z 频段，同时支持数据和语音。它采用调频 技术，每秒调频5 0 次，最大功率为1 0 0 m w ，有效范围为5 0 m ，但它的抗干扰能力和安 全性不如蓝牙。h o m e r f 的传输速率为1 m b p s 或2 m b p s ，最多可支持6 个全双工的语音 通道。 h o m e r f 技术侧重于p c 及外设所组成的无线局域网，虽然采用p c 卡的形式 h o m e r f 技术，其成本比8 0 2 1 l b 相对要低，但还是无法与蓝牙相比。 2 2 2 短距离无线技术方案的确定 通过以上的对比分析，蓝牙技术作为一种短距离无线通信技术，其跳频更快，数据 包更短，这使得蓝牙技术更稳定。而且蓝牙技术具有一整套全新的协议体系，可以应用 更多的场景。其优势主要体现在低成本、低功耗、小实现尺寸、点对多点连接、语音与 8 2 煤矿井下无线通信系统方案 数据混合传输以及高抗干扰等方面。 ( 1 ) 开放性优势。其协议标准开放，有利于蓝牙技术的推广发展，给蓝牙技术的 应用提供了有力的底层技术支持。 ( 2 ) 成本优势。与其他技术明显的优势是蓝牙系统以模块为节点，可以完全嵌入 到各种移动通信设备。协议相对简单，跳频、时分多用和时分多址等技术的使用使得蓝 牙的射频电路较为简单，协议的绝大部分内容可以用专用集成电路和软件来实现，因此 从技术上保证了蓝牙设备的高性能和低成本。其数据传输速率理论上最高可达1 m b p s ， 实际使用时的有效值为7 2 1 b p s ，最新规范可提高到原来的3 倍，可以完全满足大部分工 业监测监控系统的数据传输要求。 ( 3 ) 便携式优势。一方面由于蓝牙芯片体积小，可以直接嵌入到小型乃至微型设 备中，另一方面，其功耗低，蓝牙在各种工作状态下的功率消耗如表2 1 所示。一级功 率的蓝牙设备发射功率为1 0 0 r o w ( 2 0 d b m ) ，可以用电池供电。 表2 1 蓝牙系统的功率清耗 ( 4 ) 安全性优势。蓝牙采用快速跳频、自适应功率控制和短数据包提高了抗干扰 能力，与其他类似技术相比，蓝牙的跳频速率更快，采用的数据包更短，这使得蓝牙比 其他系统更稳定，抗干扰能力更强。 ( 5 ) 便利性优势。蓝牙设备能自动搜索它周围的蓝牙设备，一旦找到就会自动建 立连接，使用很方便。另外，蓝牙系统可同时连接7 个设备，构成一个微微网，使得蓝 牙无线连接的范围可以适当延伸。 总上所述，蓝牙技术是性价比最高的选择方案，该方案能解决短距离、复杂环境下 的生产现场的数据传输困难，提高各种煤矿检测与控制设备的可靠性、方便性，增强煤 矿生产的自动化程度，为煤炭安全生产提供有效可靠的预警信号。 2 2 蓝牙技术在煤矿井下无线通信系统中的模型 2 2 1 煤矿井下无线通信系统的应用模型 在蓝牙技术迅速发展的背景下，在煤矿生产现场有许多场合可以采用蓝牙技术来实 9 西安科技大学硕士学位论文 现无线数据传输。本文所构建的煤矿井下无线通信系统模型如图2 1 所示。 图2 1 煤矿井下无线通信系统 传统的煤矿各种安全监测监控系统一般为两级管理的集散控制系统，即测控分站级 与主站。每个测控分站负责某几路传感器信号的采集和某几个执行机构的控制。各种现 场传感器对矿井生产现场的各种环境参数( 如瓦斯、风速、一氧化碳、粉尘、温度等) 进行检测，然后通过传输线与测控分站连接，为测控分站提供信息；测控分站的主要功 能是采集由传感器传来的环境安全参数、设备工况参数的信息，进行预处理后，通过有 线电缆送到监控主站例。 但是，在一些不适合布线的环境下，尤其是在一些不可预知的特殊环境下，采用有 线电缆的形式无法进行有效地数据采集，使得这些区域存在巨大的安全隐患。蓝牙技术 所具有的无线传输、信号穿透性和无方向性限制等特点使得在这些地方可以使用蓝牙通 信模块单元完成数据的无线传输，解决短距离现场数据传输这一难题。虽然蓝牙技术的 通信范围一般为l o m ，但是加上功率放大器可以支持最大l o o m 的传输范围。因此在矿 井相应范围的生产现场，我们都可以利用蓝牙通信模块单元来完成数据传输，扩大检测 仪器检测的范围，提高安全生产监测监控系统的功能。如图2 1 所示，我们给各种检测 仪器配置蓝牙通信模块单元，蓝牙通信模块单元可以将检测仪器检测到的各种环境参数 以无线的方式传送到它通信范围内的蓝牙基站，它可以自动搜索它周围的蓝牙设备( 从 设备) ，最多可以与7 个从设备，也就是说，可以与7 个传感器连接，对传感器发送来 的数据进行整和，然后通过有线电缆与监控分站连接，在由分站通过电缆或光缆传送到 l o 2 煤矿井下无线通信系统方案 监控主站。在这种情况下，蓝牙基站与它附近的蓝牙检测仪器就构成了蓝牙微微网。采 用这种蓝牙技术与有线技术相结合数据传输的监测监控系统可以充分发挥有线电缆与 无线电波数据传输的优势，提高生产现场环境数据采集效率，增强传统监测监控系统的 功能，给安全生产提供更有力的保障。 2 2 2 基于蓝牙技术的便携式检测仪器和蓝牙基站的模型 各种矿用传感器是煤矿监控系统的“耳目”，它用于检测煤矿环境参数包括甲烷、一 氧化碳、温度、湿度、风速、粉尘、压力等和生产过程参数包括机电设备开停、电压、 电流、功率等【5 j 。传感器将检测到的各种物理量装换为电信号，为监控系统提供现场数 据，为安全生产提供保障。本文中所研究的便携式检测仪器与原有仪器相比，增加了蓝 牙模块，通过无线电波来传输数据，采用这种蓝牙智能传感器将使得信号检测范围大大 扩大，从而增强了生产安全系数。这种基于蓝牙技术开发的检测仪器模型如图2 2 ( a ) 所示。 蓝牙基站的功能主要是组建蓝牙技术微微网，接收仪器传输的数据，并将这些数据 通过原有监测监控系统的有线网络传输给井上蓝牙基站的模型如图2 2 ( b ) 所示。 ( a ) 智能检测仪器( b ) 蓝牙数据接收基站 图2 2 蓝牙数据传输模型 2 3 本章小结 本章通过对各种短距离无线通信技术进行了深入的对比分析，确定了蓝牙技术作为 短距离无线技术方案。根据煤矿井下无线传输的技术要求，提出了一种基于蓝牙技术的 煤矿井下通信系统的设想，并建立了检测仪器和蓝牙基站的应用模型。 西安科技大学硕士擘位论文 3 蓝牙技术研究 为了对煤矿井下无线通信系统的设计提供理论基础，本章介绍了蓝牙技术特点和通 讯原理，以便更好的将蓝牙技术应用到煤矿井下无线通信系统中。 3 1 蓝牙技术概述 蓝牙是一种在近几年发展起来的短距离无线通信技术，由移动通信与移动计算公司 联合推出。1 9 9 8 年5 月2 0 日成立专门兴趣小组，这个小组制定的蓝牙规( s p e c i f i c a t i o n o f b l u e t o o t hs y s t e m ) 就是蓝牙无线通信协议标准，它规定了蓝牙应用产品应遵循的标准 和需要达到的要求瑚。到目前为止，己颁布的蓝牙规范有1 0 、1 0 b 、1 1 、1 2 202 0 + e d r 几个版本。自蓝牙规范1 0 版本推出之后，蓝牙技术的推广和应用得到了迅猛的发展。 3 1 1 蓝牙技术的应用 蓝牙是一种短距离无线通信的技术规范，它最初的目标是取代现有的掌上电脑、移 动电话等各种数字设备上的有线电缆连接。从目前的应用来看，由于蓝牙体积小、功耗 低，其应用己不局限于计算机外设，几乎可以被集成到任何数字设备之中，特别是对数 据传输速率要求不高的移动设备和便携设备。蓝牙技术使各种移动设备、计算机外设等 数字设备之间的廉价连接成为可能，它不仅取代了现有的掌上电脑、移动电话等各种数 字设备上的有线电缆连接，而且还使许多数字设备的功能得到了扩充，让原来独立的数 字设备可以与其他的设备联网共享资源。在这种可以被集成到几乎任何数字设备的技术 提出后，其应用范围已比它的初衷大大扩大，且还将继续扩展。现有的蓝牙产品主要包 括以下一些应用：蓝牙手机、蓝牙无线打印机、蓝牙耳机、蓝牙适配卡、蓝牙记忆棒、 蓝牙笔记本电脑、家用电器的蓝牙无线组网和遥控等。 蓝牙的创新型应用则具有无限的想象空间和广阔的市场前景，以下几例是典型的蓝 牙创新型的应用或潜在的应用：应用于机场环境的旅客移动通知，集装箱或行李跟踪、 儿童监护跟踪设备、基于蓝牙的防盗、移动支付、基于蓝牙的收费管理、基于蓝牙的电 子病历、基于蓝牙的医学临床监护、自动抄表系统【1 9 】。 自蓝牙规范1 0 版于1 9 9 9 年7 月推出之后，蓝牙技术的推广与应用得到了迅猛发展， s i g 的成员几乎覆盖了全球各行各业，包括通信厂商、网络厂商、外设厂商、芯片厂商、 软件厂商、消费电器厂商和汽车厂商等。 3 1 2 蓝牙芯片概述 蓝牙无线传输部分的设计主要分为硬件和软件两部分。硬件是用来实现底层的无线 3 蓝牙技术研究 通信：以蓝牙技术作为射频收发平台，采用c s r 公司的蓝牙芯片b l u e c o r e 系列，它提 供主机控制器接口，以u s b 、u a r t 方式与计算机通信。硬件部分主要是开发基于蓝牙 通信模块的电路板及与主机的通信接口设计。 软件部分则是以c s r 公司提供的软件开发包为基础进行应用层的开发，c s r 公司 提供了驱动b l u e c o r e 芯片的各种接口函数和蓝牙通信的各个功能模块，以库的方式供 上层应用程序调用来实现一个完整的可以进行双向无线通信( 语音、数据) 的实际系统。 目前，蓝牙芯片供应商提供的芯片有两种：一种是集成了射频与基带部分的单个芯 片，另一种是射频芯片与基带芯片相互独立，采用它们可构成与第一种功能相应的模块。 为缩短开发周期，一般采用前者进行应用开发，如c s r 公司b l u e c o r e 系列芯片刚。 图3 1b l u e c o r e 芯片内部结 b l u e c o r e 系列芯片是近年来使用较多的蓝牙芯片，其中b l u e c o r e 0 2 b 是一款集成了 射频和基带两部分的c m o s ，蓝牙规范v i 1 ，并具有完全集成r f 模块，无需外部调整 芯片，同时支持u s b v i a 和u a r t 接口，内含经认证的蓝牙固件，可获得r f 参考设计， 低功耗，功率优化设计，支持同时7 个从机的多点互联等特点。b l u e c o r e 0 2 b 芯片包括 采用c m o s 工艺的集成化射频、基带、带有全部集成蓝牙协议栈的m c u 以及采用c m o s 工艺的收发器。但它需要片外存储器，若配合使用包含有c s r 蓝牙协议栈的外部闪存， 就可以实现数据和语音通信的蓝牙全功能系统，内部结构图如3 1 所示。 值得注意的是，由于b l u e c o r e 系列芯片中内嵌了带有全部集成蓝牙协议栈的m c u ， 使得基于b l u e c o r e 系列芯片的蓝牙设备的软件开发变得更加方便。、 3 1 3 蓝牙系统功能模块 对于蓝牙替代串行电缆应用中的蓝牙系统，它包括蓝牙硬件模块与软件模块两部 分。一个蓝牙系统组成需要天线、收发器、基带控制器，要实现蓝牙系统，可选择多种 西安科技大学硕士学住论文 方案与形式。 ( i ) 硬件功能模块 蓝牙协议栈中的传输层( 包括射频、基带、链路控制器和链路管理器协议) 是所有 蓝牙应用模型和产品的通用部分，因而被集成到蓝牙芯片中，向所有蓝牙应用模型应用 提供底层的硬件支持。蓝牙芯片用于实现蓝牙射频和低层协议，从而为高层应用提供蓝 牙的无线数据和语音传输功能。目前，蓝牙芯片主要有蓝牙芯片组和蓝牙模块两种形式。 蓝牙芯片组是包含蓝牙射频单元、蓝牙基带控制器以及存固件的闪存三块独立的芯片。 蓝牙射频单元用于收发2 4 g h z 的射频信号；基带控制器用于实现射频、基带、链路控 制器和链路管理器协议的功能，处理蓝牙基带分组的收发以及管理蓝牙设备间的物理链 路。蓝牙模块，又称为单芯片蓝牙解决方案，它是将蓝牙射频单元和蓝牙基带控制器及 一些外围器件封装到一块芯片中。 现在多个公司推出的硬件解决方案都包含射频单元( r f ) 、基带( b a s e b a n d ) 微处 理器( m i c r o c o n t r o l l c r ) 和