（检测技术与自动化装置专业论文）蓝牙技术在煤矿数据传输中的应用研究.pdf

硕士生：薛永刚 ( 签名) 塑窆盎! 垄! ) 指导教师：宋柏 ( 签名) j j ；牝 本文针对煤矿生产现场采用有线电缆进行数据传输的不足，通过分析8 0 2 1 1 b ( 无线 局域网技术) 、h o m e r f ( 家庭无线局域网技术) 、i r d a ( 红外技术) 和蓝牙技术等各种短 距离无线通信技术后，根据煤矿现场的实际情况，选择了蓝牙无线通信技术来解决短距 离数据传输的难题。蓝牙技术是一种短距离无线通信技术标准，由于其技术先进、标准 开放、协议完备、功耗低等许多优点得到迅速发展。根据煤矿生产现场的实际要求，建 立了蓝牙技术在煤矿数据传输的应用模型，并提出了基于蓝牙技术的无线数据传输系统 总体方案。 本文通过分析蓝牙通信原理与协议规范，深入研究了蓝牙串口仿真协议 ( r f c o m m ) ，以蓝牙串口应用框架为前提，确定了蓝牙替代串行电缆的实现模式。 本文以c s r 公司的单芯片蓝牙模块为核心，设计了系统的硬件电路。其中蓝牙主设 备由p c 机与蓝牙通信单元组成，蓝牙从设备由单片机s t c 8 9 c 5 1 控制。以蓝牙设备为基 础构建了点对点的数据传输系统硬件平台。提出了基于串口仿真协议( r f c o m m ) 的软件 算法流程。根据蓝牙串口应用框架，设计了系统应用程序并在系统硬件平台上实现。 通过测试，可以看出蓝牙模块r f c o m m 服务功能正确完善。实验结果表明，系统 性能基本稳定，能够实现l o m 范围的数据通信。 关键词：数据传输；蓝牙模块；s p p ；串行通信 研究类型：应用研究 s u b j e c t：a p p l i c a t i o ns t u d yo fb l u e t o o t ht e c h n o l o g yi nd a t a t r a n s m i s s i o no f t h ec o a lm i n e s p e c i a l t y ：d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n d a u t o m a t i o ne q u i p m e n t n a m e：x u ey o n g g a n g ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：s o n g b a i ( s i g n a t u r e ) a b s t r c t g i v e ne x i s t i n gd i s a d v a n t a g e so fd a t at r a n s m i s s i o na p p r o a c h e sb a s e do nt h ec a b l ei nt h e m i n e f i e l d b l u e t o o t ht e c h n o l o g yi ss e l e c t e dt os o l v et h ed i m c u l t i e so fs h o r td i s t a i c ea f t e r d i 髓r e n ts h o r td i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i e a t i o nt e c h n o l o g i e si n c l u d i n g8 0 2 1 1 b h o m e r f - i r d a a n dt h eb l u e t o o t ha r ea n a l y z e d t h eb l u e t o o t ht e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e db e c a u s eo fi t s a d v a n c e dt e c h n o l o g y , o p e na n dc o m p l e t e dp r o t o c o l ，a n dl o wp o w e rc o s te t c a c c o r d i n gt ot h e n e e do fm i n e f i e l d ，s e v e r a ld a t at r a n s m i s s i o na p p l i c a t i o nm o d e l sw e r ee s t a b l i s h e d a n da s c h e m eo f s y s t e mb a s e do nb l u e t o o t ht e c h n o l o g yw a sp r e s e n t e di nt h ep a p e r a f t e ra n a l y z i n gt h et h e o r ya n dp r o t o c o ls p e c i f i c a t i o no ft h eb l u e t o o t hc o m m u n i c a t i o n ， r f c o m mp r o t o c o lw a ss t u d i e di nd e t a i l ab l u e t o o t hs y s t e mm o d e l w a se s t a b l i s h e db a s e do n t h eb l u e t o o t hs e r i a lp o r ta p p l i c a t i o nf r a m e w o r k w h i c hr e p l a c e dt h es e r i a lc a b l e t h eh a r d w a r ew a sd e s i g n e db a s e do nt h es i n g l e c h i pb l u e t o o t hm o d u l ef r o mt h ec s r c o m p a n y t h e b l u e t o o t hm a s t e rd e v i c ew a sc o m p o s e do 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 es l a v eo n ew a sb a s e do nm i c r o c o n t r o l l e rs t c 8 9 c 51 t h eh a r d w a r e p l a t f o r mo fs y s t e mw a sb u i i tb a s e do nt h eb l u e t o o t hd e v i c e st or e a l i z et h ep o i n t t o p o i n t c o n n e c t i o n t h es o f t w a r ea r i t h m e t i cf l o wb a s e do nr f c o m mp r o t o c o lw a si m p l e m e n t e d t h ew h o l e s y s t e ms o f t w a r ew a sd e s i g n e db a s e do nt h eb l u e t o o t hs e r i a lp o r ta p p l i c a t i o nf r a m e w o r k f u r t h e r m o r e i tw a si m p l e m e n t e do nt h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h ew i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n s y s t e m t h et e s t i n gr e s u l t ss h o w e dt h a tt 1 1 er f c o m ms e r v i c ef u n c t i o no fb l u e t o o t hm o d u l ew a s t o r t e c ta n dp e r f e c t i ta l s os h o w e dt h a tt h es y r s t e mw a ss t a b l ea n dc o u l da c h i e v ed a t a t r a n s m i s s i o nw i t h i n1 0m e t e r s k e y w o r d s ：d a t at r a n s m i s s i o nb l u e t o o t hm o d u l e s e r i a lp o r tp r o f i l e s e r i a lc o m m u n i c a t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 聋 西姿拜技女攀 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。 学位论文作者签名溺蠢扒、1 日期：。6 j 矽 。l 7 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。 撇姗虢锄帚国1 懈：目 j 晦r 月叼日 l 1 绪论 1 绪论 1 1 选题的背景及研究的意义 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。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。近年来的煤矿安全事故次次地给人们敲响了警钟，安全生产不容忽视。因此， 煤炭安全而高效的生产显得越来越重要。由于煤炭生产的易燃、易爆等特殊环境，现代 化煤炭生产企业都离不开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。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【j j 。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。对 于长距离的数据传输一般采用有线电缆或光缆，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。比如，现在很多监控系统的主传输线都采用光缆传输。对于 中短距离的数据传输，目前基本采用有线电缆。比如对于监控系统中的各种传感器到测 控分站的数据信息传输一般采用阻燃型外护套或铠装的电缆、双绞线、同轴电缆、多芯 电缆等。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。在短距离情况一般不采用光缆，因为光缆不易弯曲，容易折段，而且在井下生 产现场的数据采集前端铺设光缆费用高、不易维护管理等，所以对于短距离，复杂环境 的生产现场则不适宜采用光缆传输。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。另外，目前综采 工作面急需实现采煤机的机载瓦斯遥测，由于工作面无法敷设专用电缆，目前还没有有 效的手段将工作面的瓦斯信号传送出来【”。 面对煤炭生产一线的这些实际情况，急需寻找一种合适的短距离无线数据传输技术 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， 西安科技大学硕士学位论文 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 国内外研究发展状况 1 2 1 煤矿数据传输4 1 - ：贡的发展状况 煤矿生产现场的数据传输介质随着各种安全监测监控系统与自动化设备的发展而 变化。国外的煤矿安全监测监控系统始于2 0 世纪6 0 年代，我国在这方面起步较晚。进 入八十年代，我国从波兰、德国、英国和美国等发达国家引进了一批安全监控系统，如 d a n 6 4 0 0 、2 0 0 和m i n o s 等，装备了部分煤矿。在引进的国外先进技术的同时，通 过消化、吸收并结合我国煤矿的具体实际情况，先后分别研制出k j 4 ，k j 8 ，k j 9 2 等监 控系统，在我国煤矿大量使用。随着电子技术、计算机技术、通信技术与自动化技术的 迅猛发展，国内各科研机构与生产厂家相继续推出k j 9 0 ，k j 9 5 ，k j f 2 0 0 等监控系统， 有力地推动了我国煤矿安全监测监控技术的发展【9 】。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1 ，比如k j 4 系统就采用阻燃橡套电缆，与6 芯铠装电缆 2 1 【9 】。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。 国内外的一些专家、学者对于煤矿领域的无线数据传输，特别是短距离数据传输也 一直在研究和探讨中。根据文献【l8 】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 t t 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。在矿井一 些自动化设备采用无线电频率为1 5 0 m h z 来进行数据传输，理论与实践证明，这一频率的 无线电在矿井传输中衰减少很大。而且普遍认为，矿井无线电通信传输频率也不能过高。 1 绪论 然而，近年来的实验表明，当频率进一步提高超过3 0 0 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【7 】： ( 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。 1 2 2 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。多年以前，国际上一些 公司和标准化组织就开始探寻在不同领域的无线连接技术，并且开发出一系列标准，其 中有些标准得到很好的应用。目前这种技术已经有多种解决方案，主要包括i r d a 红外 技术、i e e e 8 0 2 1 l 、h o m e r f 、以及日益兴起的蓝牙技术等。 i r d a 红外技术是一种比较成熟的短距离无线传输技术，采用人肉眼看不到的红外光 传输信息。红外技术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已应用。 i e e e 8 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的限制，后来相继推出了 8 0 2 1 1 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 f 工作组开发的，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( n o k i a ) 、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 1 6 ) ，负责蓝牙技术标准的制订、产品测试、 并协调各国蓝牙的具体应用。3 c o m 、朗讯、微软和摩托罗拉很快加盟s i g ，与s 1 6 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l _ 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。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( c s r ) 、摩托罗拉、德州仪器( t i ) 、飞利浦等在内的多家 西安科技大学硕士学位论文 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，蓝牙技术已成为近年来发展与应用最快的无线通信技术。 由于蓝牙技术是一项公开的技术标准，目前已得到世界上大多数国家和企业的支 持，不可能被少数国家或企业所垄断或控制，所以给蓝牙技术在国内的发展提供了良好 的机会。自从蓝牙技术被介绍到中国以来，在信息产业部相关主管部门的宏观指导下， “蓝牙技术发展与应用论坛”应运而生。信息产业商会3 c 联盟也成立了蓝牙技术专门 委员会，以促进蓝牙技术在国内的发展。国家科技部己将蓝牙技术的研究与应用列入 “8 6 3 ”计划。 国内也有不少的科研机构和i t 企业均投入到蓝牙技术产品的研发过程中。在高校 中最早进行蓝牙研发的是北京邮电大学，另外西安电子科技大学、中国科技大学、东南 大学等高校也已经在紧密跟踪了解蓝牙技术。其中东南大学移动通信国家重点实验室从 1 9 9 8 年开始跟踪蓝牙技术，已经研制了两个版本的蓝牙协议栈并通过了有关测试。在国 内企业方面，青岛海信公司、青岛海尔、t c l 等公司都在积极开展蓝牙技术的应用研究。 随着蓝牙技术的发展，在我国，将有越来越多的产品厂商和研究开发机构投入到蓝牙技 术研究与应用开发领域中来。 1 3 本论文研究的主要内容 本论文主要是研究设计一种基于蓝牙技术的短距离无线数据传输系统，以蓝牙无线 功能替代串行电缆，解决煤矿生产现场的短距离数据传输难题。其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 ) 深入分析蓝牙通信原理与蓝牙协议规范，重点研究蓝牙串口仿真协议，为蓝 牙应用提供理论基础。 ( 4 ) 在蓝牙串口仿真协议与蓝牙串口应用框架的理论基础上，确定蓝牙替代电缆 的实现模式。深入研究蓝牙模块的h c i 的操作指令、通信流程与接口形式，为基于蓝牙 技术的无线数据传输系统设计提供应用接口。 ( 5 ) 根据蓝牙替代电缆的实现原理与模式，以单芯片蓝牙模块为核心进行无线数 据传输系统的硬件电路设计与制作；以蓝牙r f c o m m 协议为基础进行系统软件算法流 程的设计与实现。 ( 6 ) 根据对蓝牙模块与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。 4 2 短距离无线数据传输系统方案确定 2 短距离无线数据传输系统方案确定 在煤矿生产现场急需寻找一种有效的短距离无线数据传输技术来解决特殊环境下 数据传输难题的背景下，本章通过分析对比各种短距离无线通信技术技术来确定短距离 无线通信技术方案。根据煤矿生产现场的需求，提出一些蓝牙技术可能的应用设想，并 建立相应的应用模型，确定基于蓝牙技术的短距离无线数据传输系统总体设计思想。 2 1 短距离无线技术选型 除了蓝牙技术之外，其他比较成功的短距离无线通信技术还有红外技术、i e e e 8 0 2 1 l 无线局域网技术和h o m e r f 家用无线局域网技术。红外技术、i e e e 8 0 2 1 l 和h o m e r f 技术 的诞生都早于蓝牙技术，并且经过多年的发展，已经日渐成熟，各项技术指标也不断得 到提升。其中，蓝牙、i e 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【l 】。通过下面的介绍，将选出一种适合煤矿数据传输的最佳性价比的短 距离无线数据传输技术。 2 1 1 蓝牙与其他类似技术比较 一蓝牙与i e e e 8 0 2 1 1 技术比较( 1 4 】【1 5 】 i e e e 8 0 2 1 1 是电气电子工程师协会( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de 1 e c t r o n i c s e n g i n e e r s ，i e e e ) 8 0 2 工作组制定的无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an 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。i e e e 在8 0 2 1 l 的基础上相继推出 了8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 1 b 两个标准。8 0 2 1 1 a 工作在5 g h 的u n i i 频带，8 0 2 1 1 b 工作在 与蓝牙一样的2 4 g h zi s m 频带。 8 0 2 1 l b 的传输速率比蓝牙高许多，其传输速率最高达i 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 l b 的传输距离在室外是3 0 0 m ，在办公环境中最 长为1 0 0 m ，均比蓝牙要长。另外，8 0 2 1 i b 可同时连接的设备数目也比蓝牙多，可达 1 0 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 1 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。但是，8 0 2 1 l b 技术在体积、功耗和成本上无法与蓝牙相比，因 此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。并且8 0 2 1 l 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。 总的来说，这两种技术具有互补的特性，8 0 2 1 l b 的优势在于传输速率和距离，蓝牙 的优势在于成本和功耗。 西安科技大学硕士学位论文 二蓝牙与h o m e r f 技术比较【1 4 】【1 5 】 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。该协议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 d c o r d l e s st e l e p h o n y ，d e c t ) 标准，使用时分多址( t i m ed i v i s i o n m u l t i p l ea 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l o o 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，主要针对低成本的家庭语音与 数据的无线连接，不仅可以组成家庭范围的局域网，还可以将家中的各种电器设备通过 相应的网络接入点与互联网相连。当h o m e r f 技术采用p c 卡的形式实现时，其成本虽然 比8 0 2 1 1 b 相对要低，但还是无法与蓝牙相比。 三蓝牙与红外( i r d a ) 技术比较【1 4 】【1 5 】 红外通信技术由红外数据协会( i r d a ) 提出并推行。它通过波长为8 5 0 r l m 的红外 光传输数据和语音。就目前而言，无论是技术成熟度还是普及程度都是其他新兴的无线 连接技术所无法相比的。红外通信的传输速率较高，最高可达1 6 l v 日o p s ，而蓝牙只能达 到7 2 1 k b p s ，所以，红外技术适合传输容量较大的数据文件和多媒体信息流。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，红外技术技术的缺陷也是显而易见的。首先，它只能实现点对点的连接，无 法实现点对多点的连接，因此无法灵活地进行组网，蓝牙可以同时连接8 台设备。其次， 它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 1 2 短距离无线技术方案的确定 通过以上对各种应用成熟短距离无线技术的对比分析，不难看出，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。因为蓝牙系统以模块为节点，无需建立基站就可以实现廉价、简 6 2 短距焉无线数据传输系统方案确定 便的数据及语音传输。它应用范围广泛，可以完全嵌入到各种移动通信设各，这一优势 是其他同类技术所不具备的。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 1b p s ，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 m w ( 2 0d b m ) ，可以用电池供电。 表2 1 蓝牙系统的功率消耗 ( 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，一旦找到就会自动自 动建立连接，使用很方便。另外，蓝牙系统可同时连接多达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。 与地面环境不同，煤矿生产现场环境错综复杂，信号干扰大，并且要求各种电子自 动化设备实现本安特性。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 ) 首先要求技术成熟，数据传输可靠性高。 ( 2 ) 煤矿生产现场环境复杂，信号干扰强，这就要求所采用的无线技术具有很强 的抗干扰能力，并且传输信号要具有一定的穿透障碍物的能力。 ( 3 ) 要求技术实现成本低。即在原有设备不做改动或改动很小的情况下增加这种 无线数据传输功能。充分利用现有资源，增加功能。 ( 4 ) 要求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。 总上所述，本文最后确定了基于蓝牙技术的无线数据传输系统方案，来解决短距离、 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 西安科技大学硕士学位论文 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 蓝牙技术在煤矿数据传输的应用设想与模型 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 现无线数据传输。 一蓝牙技术在煤矿智能传感器上的应用 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。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。由于有线电缆与红外数据传输的弊端，可以开发基于蓝牙 技术的智能传感器，其应用模型如图2 i 所示。这些长了“蓝牙”的智能传感器就可 以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。 匣 毋 显示 l 单片机 螺塾瞄南 报警断电 i 蓝牙模块 图2 i 蓝牙技术在智能传感器中的应用模型 二蓝牙技术在采煤机遥控装置中的应用 目前，在煤矿生产中，工人操作采煤机的方式一般有两种方式，一种是以采煤机上 的按纽或者采煤机上的操作站来进行操作控制，采用这种操作控制方式距离采煤面太近 由于采煤机附近煤尘很大，给操作带来不便，并给工人健康带来威胁。另一种利用遥控 装置对采煤机进行简单的操作控制，在薄煤层或大倾角采煤过程中，遥控装置更能显示 其优点。目前的一些遥控装置大多采用1 5 0 | w d z 的无线电频率，理论与实践证明采用这一 频率的无线电在煤矿生产现场进行数据传输时，信号衰减很大，致使遥控器电池笨重，实 现本安特性困难：并且这种遥控装置功能简单，可靠性不高，存在误动作的危险隐患。 采用遥控方式控制采煤机，一般要求有效传输距离为1 5 m 。由于蓝牙技术的传输距离为 l o m ，增加功率可达l o o m ，所以可以采用蓝牙技术来实现采煤机的遥控。蓝牙技术在采 煤机遥控装置中的应用模型如图2 2 所示。当系统工作时，主控制器不间断地采集采煤 2 短距离无线数据传输系统方案确定 机的工作状态参数。每隔一定的时间主控制器通过蓝牙通信单元向遥控器发送一次数 据，遥控器接收到这些信息后进行显示，并且根据显示状态由键盘输入控制指令，通过 蓝牙通信单元发送给主控器，控制采煤机动作。 ( a ) 主控器 ( b ) 遥控器 图2 2 蓝牙技术在采煤机遥控装置的应用模型 三蓝牙技术在数据采集报警系统中的应用 数据采集报警系统对于生产现场的安全生产至关重要，它为上位机提供原始数据， 为监控人员提供决策信息。通过显示报警提醒生产工作人员，保证现场工人生命安全。 生产现场许多危险地方都需装备数据采集报警系统，但是对于一些如采空区的特殊环 境，由于无法安装有线电缆的报警系统，就使得这些地方、区域存在安全隐患，给工人 生命带来危险。可以利用蓝牙无线功能开发无线数据采集报警系统，无线系统便于安装 放置，无需电缆即可进行检测报警或数据的上传，消除这些区域的安全隐患。其系统模 型如图2 3 所示。 图2 3 蓝牙技术在数据采集报警系统中的应用模型 9 西安科技大学硕士学位论文 四蓝牙技术在短距离环境监控网的应用 利用蓝牙技术可以在煤矿的掘进面、工作面回风巷等地方组成环境安全监控微微 网，实现这些生产现场的瓦斯、一氧化碳、温度等检测信号的无线电传输。蓝牙技术支 持点对点和点对多点的连接，可采用无线方式将若干蓝牙设备连成一个微微网，多个微 徼网可连接构成散射网，形成灵活的网络拓扑结构。其应用模型如图2 。4 所示。 图2 4 蓝牙技术的环境监控网应用模型 五蓝牙技术在监测监控系统的应用 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。 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1 0 m ，但是加上功率放大器可以支持最大1 0 0m 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，扩大传感 器检测的范围，提高安全生产监测监控系统的功能。如图2 5 所示，我们可以给各种智 能传感器配置蓝牙通信模块单元，蓝牙通信模块单元可以将智能传感器检测到的各种环 境参数以无线的方式传送到它通信范围内的蓝牙数据采集装置，这种装置上也装有蓝牙 1 0 2 短距离无线数据传输系统方案确定 通信模块单元作为主设备，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监控主站。在这种情况 下，蓝牙数据采集装置与它附近的蓝牙智能传感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。 图2 5 有线电缆与蓝牙技术相结合的监测监控系统 另外，利用蓝牙技术可以实现采煤机的机载瓦斯遥测。由于工作面无法敷设专用电 缆，目前还没有有效的手段将工作面的瓦斯信号传送出来，可以采用蓝牙技术以无线方 式将信号传送出来，实现采煤机的机载瓦斯遥测，消除采煤机采煤时由于瓦斯的大量聚 集带来的危险隐患综上所述，将蓝牙技术应用于煤矿生产现场的各种自动化设备中，实 现短距离数据传输功能。蓝牙技术与有线电缆相结合组成完整高效的数据传输设备，扩 大各种监测监控系统的范围，提高设备数据传输的可靠性。 2 t 3 基于蓝牙技术的无线数据传输系统总体设计思想 给煤矿自动化设备加入蓝牙功能，有两种方法可以采用，e p # i - 挂式应用与内部嵌入 式的应用。采用内部嵌入式应用是将蓝牙功能嵌入到设备内部硬件或软件中，这种实现 西安科技大学硕士学位论文 方式集成度高，开发难度比较大。采用外挂式应用可以不改变原有设备的构造，通过外 加适配器的办法给原有设备添加无线连接功能。采用这种实现方式无需要改变原有设备 的设计，开发周期短，实现成本低，本文采用这种实现方式给煤矿数据传输设备添加蓝 牙功能。 蓝牙技术的典型应用之一就是以无线链路来替代传统串行电缆，可以提供透明的数 据传输。基于蓝牙技术的无线数据传输系统是在现有的设备中添加无线替代有线功能， 便于与原有的矿用自动化设备对接，采用连接到现有设备外部端口的蓝牙通信单元。无 须布线就可以很方便地安装在现有环境，减少了系统的维护费用，增加了系统的灵活性 和可移动性。基于蓝牙技术的无线数据传输系统总体框图如图2 6 所示。 【蓝牙通信单元 ： 主设备 无线接口 | 蓝牙通信单元 ： 从设备 图2 6 基于蓝牙技术的无线数据传输系统总体框图 其设计实现思想是在不改变原有设备的基本性能状态的前提下，给设备增加蓝牙无 线数据传输功能。其主设备可以是以单片机系统构成的智能仪器仪表，也可以是通用计 算机系统；从设备主要是以单片机系统组成的各种自动化设备。主设备与从设备通过蓝 牙通信单元来实现短距离的数据交互。 2 4 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。根据煤矿生产现场实际隋况提出了一些蓝牙技术在煤矿数据传输 应用的设想并建立了相应的应用模型，确定了基于蓝牙技术的短距离无线数据传输系统 总体设计思想。 3 蓝牙通信原理与协议分析研究 蓝牙通信原理与协议分析研究 本章通过介绍蓝牙技术特点与蓝牙系统的基本组成原理来说明蓝牙通信原理。分析 蓝牙协议规范，重点研究蓝牙串口仿真协议，为蓝牙替代串行电缆的应用实现提供理论 基础。 3 1 蓝牙通信原理 3 1 1 蓝牙技术概要 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范( 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。到目前为止，已颁布的蓝牙规范有1 0 、1 0 b 、1 1 三个版本。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。 蓝牙利用短距离无线连接技术替代专用电缆连接。将蓝牙微芯片嵌入蜂窝电话、手 提或台式电脑、打印机、个人数字助理、数码相机、传真机、键盘等设备内部，在这些 “长了蓝牙”的设备之间，建立起低成本、短距离的无线连接，取消了设备之间不方便 的连线，为现存的数据网络和小型外围设备接口提供了统一方便的连接方式，形成了不 同与固定网络的小型、专用无线连接群。 蓝牙技术本身不独立构成完整的通信设备，也不涉及移动通信业务，它只是配合其 他系统，使它们具有无线传输的能力。蓝牙的小功率设备支持距离大约1 0 m 的无线通信， 大功率设备也只支持大约1 0 0 m 的无线通信。蓝牙规定了4 种物理接口：通用串行总线 u s b ，e i a 2 3 2 ，p c 卡及通用异步收发器u a r t 接口。蓝牙允许在各种环境通信，包括 机电工业区应用。其发送和接收数据的模块具有纠错功能和自动重传请求功能。 蓝牙采用时分双工( t d d ) 方式收发数据，采用二进制g f s k 作为调制方式。蓝牙 g f s k 调制的带宽时间( b t ) 为o 5 ，调制指数h 为0 2 8 0 ，3 5 。蓝牙使用跳频( f r e q u e n c y h o p p i n g ) 、时分多用( t i m ed i v i s i o nm u l t i a c c e s s ) 和码分多用( c o d ed i v i s i o nm u l t i a c c e s s ) 等先 进技术来建立多种通信。蓝牙工作在2 4 g h z 的频段上，这是留给工业、科学和医疗进 行短距离通信的，不需要许可证。不同的国家对该频段分配的频率可能有所差异。蓝牙 作为一种射频无线技术，支持点对点和多点通信。一个蓝牙设备可以跟一个也可以跟多 个蓝牙设备通信。异步数据信道的最大传输速率为7 2 1 k b p s 。 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 西安科技大学硕士学位论文 低，其应用已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。为了避免与工作在同一频段上的其他通信 系统相互干扰，蓝牙技术特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定。跳频技术是 把频带分成若干个跳频信道，在一次连接中，无线电收发器按一定的码序不断地从一个 信道跳到另一个信道，只有收发双方按这个规律通