（地球探测与信息技术专业论文）基于zigbee技术的矿井无线通信系统的研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 目前，我国煤矿井下通讯基本使用有线装置，依靠电缆传输信息。 由于井下特殊环境所限，地面潮湿，电缆腐蚀严重，一旦发生事故， 通信马上中断。指挥端很难与事故发生点取得联系，成为矿井通信的 一个至关重要的盲点。介于有线通信的种种弊端，国内外现正在积极 研究各种井下无线通信系统，这对煤矿生产管理，特别是矿井救灾具 有非常重要的意义。 随着电子通讯业的迅速发展，无线通信技术也得到了长足的进 步，z i g b e e 技术诞生后为矿井无线通信开辟了新的道路。本文就矿井 救灾无线通信技术的发展现状，以无线通信技术的基本理论，结合矿 用产品工作的特殊性，提出了一种基于z i g b e e 技术的语音和环境参 数并行传输的矿井无线通信系统的设计方案。对z i b g e e 技术的应用 进行了系统的论述，并设计实现了以z i g b e e 技术为平台的无线语音 通信系统，形成了具体的产品。系统轻便、使用灵活，能同时传输语 音信号和环境参数，弥补了当前矿用救灾设备只能单一传输语音信号 的缺陷。实践证明，该技术完全满足煤矿井下通信的现场需求，特别 适用于矿井突发事故时的救灾场合。 关键词：矿井通信，矿井无线通信，z i g b e e ，井下防爆 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t ，c o m m u n i c a t i o nu n d e rt h ec o a lm i n ei sb a s i c a l l yu s e da w i r e dd e v i c ei nc h i n aw h i c hi sr e l i e do nc a b l e st o 咖s m i ti n f o r m a t i o n a st h es p e c i a le n v i r o n m e n tu n d e r g r o u n dw h e r ei ss ow e t ，c o r r o s i o no f c a b l ei ss e r i o u st h a tl e a dt ot h ei n t e r r u p t i o no fc o m m u n i c a t i o n t h e c o n t a c tb e t w e e nt h ec o m m a n da n dt h ea c c i d e n to c c u r r e dp o i n ti sd i f f i c u l t t h a tb e c o m e sav i t a lb l i n ds p o ti nt h ec o m m u n i c a t i o ni nm i n e b e c a u s e t h ec a b l ec o m m u n i c a t i o n sh a v ev a r i o u sd r a w b a c k s ，w i r e l e s st e c h n o l o g y u n d e r g r o u n di ss t u d i e da c t i v e l yb o t ha th o m ea n da b r o a d t h i si sg r e a t s i g n i f i c a n c et om i n ep r o d u c t i o nm a n a g e m e n t ，e s p e c i a l l yi nr e l i e fo ft h e m i n ed i s a s t e r a st h e r a p i dd e v e l o p m e n t o ft h ee l e c t r o n i c c o m m u n i c a t i o n s ， w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a sa l s ob e e ns i g n i f i c a n tp r o g r e s s t h eb i r t ho fz i g b e et e c h n o l o g yf o rt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sm i n e h a so p e n e du pan e wp a t h t h ep a p e ri n t r o d u c et h er e a l i t yo fz i b g e e t e c h n o l o g ya n dt h eb a s i ct h e o r yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，p r o p o s ea c o m m u n i c a t i o ns y s t e mp r o je c to fv o i c ea n de n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r s p a r a l l e lt r a n s m i s s i o ni nt h em i n eb a s e do nz i b g e et e c h n o l o g yw i t ht h e s p e c i a l n a t u r eo fm i n i n gp r o d u c t s z i b g e et e c h n o l o g yu s e di nt h e c o m m u n i c a t i o n so fm i n ei ss y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e d ，a n dd e s i g n e dt o a c h i e v et h ew i r e l e s sv o i c ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e m sw i t ht h ez i g b e e t e c h n o l o g ya sap l a t f o r m ，a n df o r m e das p e c i f i cp r o d u c t t h es y s t e mu s e f a c i l i t a t e sn i m b l y , a n dc a ns i m u l t a n e o u s l yt r a n s m i tv o i c es i g n a l sa n d e n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r s ，m a k eu pt h ec u r r e n tm i n ed i s a s t e rr e l i e f e q u i p m e n tc a no n l yb e as i n g l ev o i c es i g n a lt r a n s m i s s i o nd e f e c t s p r a c t i c eh a sp r o v e dt h a tt h et e c h n o l o g yf u l l ym e e tt h en e e d so f u n d e r g r o u n dc o a lm i n ec o m m u n i c a t i o n sa n dp a r t i c u l a r l yh a v eb e e nv e r y g o o da p p l i c a t i o n sw h e n t h ee m e r g e n c yo c c u r r e da n dr e l i e fh a p p e n si nt h e m i n e k e yw o r d s ：m i n ec o m m u n i c a t i o n s ，m i n ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ， z i g b e e ，m i n eb l a s t i l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：越 7 日期：盟年月亚日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 储虢醴亳燧名 ：堑年月鱼日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1研究背景与意义 第一章绪论弟一早珀 下匕 经济的快速发展，刺激了国家对能源的巨大需求，新能源在短时间内很难 以满足经济的快速发展。我国是储煤、产煤大国，煤炭资源很大程度上为国家 的经济建设提供了强有力的保障。因此，煤炭工业在经济建设中起着举足轻重 的作用。煤炭开采又是一个错综复杂的系统工程，安全、高效生产在煤炭开采 中发挥着至关重要的作用；而矿井通信在整个生产过程中担负着安全、高效生 产的重要使命。 近几年来，煤矿安全事故屡屡发生，造成了巨大的经济、人员损失和严重 的社会影响。国家在“十一五”规划【l 】中，提倡通过自主创新和集成创新的模式 推动煤矿重大灾害防治关键技术的研究，坚持以人为本，提高质量，建设高产 高效的现代化矿井。煤矿的安全生产被提高到了一个新的高度，其中矿井安全 调度与应急通信保障是首先需要解决的问题。由于矿井地形复杂以及综采面等 监控区域的流动性大，与有线生产调度系统相比，无线安全调度系统“即铺即用”， 随时随地可在矿井构建移动通信网络，方便流动接入，可实时把监控数据发至 地面监控中心，极大地提高了调度和监控效益；并且在矿难应急通信中，即使 现有通信系统遭到破坏，也可利用无线通信设备快速组网，接收传输信号，动 态掌握井下人员的分布及设备作业情况，并保证地面指挥中心与井下抢险工作 面实时通信，提高抢险救灾、安全救护效率和搜救效果。 随着现代电子通讯业的迅速发展，特别是无线通信技术的突飞猛进，一定 程度上加快了矿井无线通信的发展步伐。z i g b e e 技术诞生后，为研发新的矿井 无线通信系统提出了新的研究思路。 在这种背景下提出基于z i g b e e 技术的矿井无线语音通信系统的研制。通过 设计、研制、试验，成功使z i g b e e 技术应用到矿井无线通信，极大地提高矿井 抢险救灾、安全救护效率。 1 2 国内外研究现状 电子技术的进步、无线通信技术的快速发展，带动着矿井无线通信的同步 发展。从矿井通信的发展历程来看，每一种新通信技术的诞生都促使矿井通信 中南大学硕士学位论文第一章绪论 上一个新的台阶。国内外现有矿井无线通信系统主要有超低频透地通信、中频 感应通信、v h f 漏泄通信系统等。 ( 一) 超低频透地通信系统 透地通信是以大地为电磁波传播媒介、无线电波穿透大地的无线电通信方 式。目前实用的透地通信系统有澳大利亚开发的p e d ( p e r s o n a le m e r g e n c yd e v i c e ) 井下无线通信与急救系统。该系统的硬件由澳大利亚矿山技术公司( m s t ) 生产， 系统的软件由m s t 与安菲斯公司合作开发，主要应用于井下急救，即在紧急情 况发生、其它通信方式完全中断时，通过p e d 发射系统，使其超低频信号穿透 岩层到达井下任何位置，迅速有效地与井下人员通信。 p e d 系统的信息输入装置、发射机和发射天线均置于地面，当井下发生灾 变时，不会影响系统正常工作，系统可靠性高。但在实际使用过程中，也存在 以下缺点： 1 ) 信道容量小。为避免较大的传输衰减，透地通信的工作频率一般选择为 数百至数千赫兹的特低频。因此，不能用于语音等需要较大信道容量的通信， 只能用于传呼、简单遥控等。 2 ) 电磁干扰大。煤矿井下空间狭小、机电设备相对集中，特别是采掘运输 设备的功率较大，负载不稳定，造成井下电磁干扰严重，特别是5 0 h z 工频干扰 对特低频透地通信干扰严重。 3 ) 应用范围受限制。透地通信系统需要在地面架设很长的天线，限制了该 方法的应用1 2 】。 ( 二) 中频感应通信系统 感应通信系统借助专用感应线( 或借助井下原有电话线、信号线等) ，利用无 线电波感应场引导电磁波传输，频率一般选择在中低频。该系统投资费用低， 小范围内信道比较稳定，缺点是靠近感应体通信效果好，稍远离感应体信道不 稳定。代表性产品有南非的r b 2 0 0 0 ，德国的f m l 3 0 6 0 ，法国的x 二y p h o n e ， 日本的x a 3 3 1 f m x - - 1 ，中国的k t y 2 、k t 2 0 0 7 。目前使用较好的有r b 2 0 0 0 ， 工作频率为2 0 0 k h z - 1m h z ，单工、单边带( s s b ) 信号，信道数为3 5 个，具 有双音多频( d t m f ) ，允许进入程控交换机，主要用于井下救援通信。r b 2 0 0 0 是中频感应无线电设备，救援时可利用该通信系统的便携特点，将所有可用到 的无线联络都整合在一个系统里，系统通信采用中频感应操作，配置自动调谐 器，可在井下恶劣环境中锁定最佳的通信波段，输出高强度信号，确保达到理 想的通信效果。 为了抑制噪音，系统采用导频抑噪技术，可使r b 2 0 0 0 在噪音较高的电磁环 境中使用且通话效果十分清晰。在实际使用中，系统能够延伸到工作面进行良 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 好的通信。但是，也存在以下缺点： 1 1 感应通信受巷道形状、截面、粗糙程度、分支、拐弯、倾斜、围岩构造 与介质、非金属支护等影响较小，但受巷道内导体影响较大，因此，信道性能 不稳定。 2 ) 感应通信传输衰减和耦合衰减较大，因此，通信距离不远。 3 ) 为减少传输损耗，感应通信的工作频率一般为中频段，因此，信道容量 小，电磁干扰强。 ( 三) v h f 漏泄通信系统 漏泄通信系统是利用漏泄电缆的漏泄原理实现矿井无线电通信。电磁波在 漏泄电缆中，既沿内外导体纵向传输，也通过开孔向外辐射，通过利用具有良 好导引辐射性能的漏泄电缆，可延长通信距离和覆盖面积。漏泄通信不同于一 般无线通信，它用漏泄同轴电缆替代基地站的普通天线，漏泄同轴电缆附近的 移动台通过与漏泄电缆的漏泄耦合实现与基地站的移动通信。产品有英国的 9 8 6 l 、加拿大的f l e x c o m 、中国的k t 6 a 、k d l t 1 。目前，使用较好的是加 拿大的f l e x c o m ，工作在1 5 0 m h z 频段，提供了3 2 个语音数据信道，1 6 个 图像信道，既可以与光导纤维网络连接，又可以与使用普通电线的电话和数据 系统连接。漏泄通信系统采用超高频进行无线通信，具有信道较稳定、电磁干 扰较小等优点。但也存在以下缺点： 1 1 泄漏系统同样受制于漏泄电缆，并且随着电缆长度的增加，信号衰减严 重，必须增加信号放大器。中继放大器的增加，导致噪音容易累加，信号容易 失真。 2 1 各个通道指定用于固定的设备，信道利用率不高。当井下各种监测监控 系统和通信系统都要接入漏泄系统传输时，会出现某些信道长期空闲不用而总 的信道数又不够使用的状况【3 】。 随着计算机技术、通信技术、网络技术和相关电子技术的进步，各种无线 技术层出不穷。尤其是无线局域网技术得到了飞速的发展并取得了巨大的成功， 使得矿井无线通信技术向着多样化的方向发展。 1 3 z i g b e e 矿井无线通信系统 z i g b e e 无线通信主要应用于数字低速率传送，用于较高速率的语音传输是一 个技术难点，作为一种实用煤矿通信技术还未见报道。在煤炭科学研究总院重 庆研究院，本人作为该项目的主要技术骨干，通过对地面无线通信新技术的消 化，结合煤矿井下的特殊性，很好地完成了一种新型矿用救灾无线通信系统的 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 设计。提高了矿井救护队员救护的灵活性，满足了当前矿难发生时对通信仪的 迫切需求。 论文以数字通信原理、z i g b e e 技术原理、无线组网技术、语音压缩原理、微 处理器应用技术等为基本理论构架，重点解决了z i g b e e 技术在煤矿井下无线通 信的应用。 第一章以矿井通信行业的发展为背景，论述矿井无线通信的进展及新技术在 矿井无线通信中的应用。着重介绍了矿用设备的特殊性和挑战性。 第二章介绍了几种新兴的无线通信技术的基本概况，概述了z i g b e e 技术的 特点；详细论述了z i g b e e 技术的基本原理。探讨了0 一q p s k 调制技术的基本原 理，介绍了c s m a c a 算法、网络拓扑结构以及相应的路由算法。 第三章提出用z i g b e e 技术进行救灾无线通信系统的设计与实现。研究在低 速率数据传输条件下稳定可靠的传输语音数据的实现方法。同时实现了环境参 数与语音信号并行传输，解决了救灾过程中指挥端实时了解救护队员周边环境 参数的难题。 第四、五章分别进行实验室测试和现场工业测试分析。探讨了应用中周边 环境条件对系统的影响，并提出改进建议。 4 中南大学硕士学位论文第二章z i g b e e 技术及其在矿井通信中应用的可行性分析 第二章z i g b e e 技术及其在矿井通信中应用的可行性分析 随着无线通信技术、网络技术、以及相关电子技术的进步，诸多新技术得 到了广泛的应用。如w i f i ( m e e 8 0 2 1 1 ) 、无线城域网w i m a x 、超宽带通信u w b 、 近场通信n f c 、蓝牙、红外线数据通信i r d a 等先进的无线通信技术在不同的领 域得到了较好的应用【4 1 。特别是最近发展起来的z i g b e e 技术，在工业监控、传 感器网络、家庭监控、安全系统等领域得到广泛的关注。 本章从几种无线局域网技术开始，对比介绍矿用设备和z i g b e e 技术的特点， 探讨z i g b e e 技术在矿井通信的可行性。并进一步介绍z i g b e e 技术的基本理论， 对其中的关键技术进行深入的介绍与分析。 2 1新兴的几种无线通信技术 自从m m 创造性地提出“普适计算”( u b i q u i t o u sc o m p u t i n g ) 的概念后，人们 就畅想网络无处不在的场景；在人和环境融为一体的模式下，能够在任何时间、 任何地点，以任何方式进行信息的获取与处理。而今，随着电子信息技术的快 速进步，让这一预想已有机会得以实现。尤其近几年来，随着各种无线组网通 信技术的迅速发展，在办公室、在家庭居室、在工业现场、在城市街道，甚至 在一望无垠的田野和广袤的山川，到处都有无线通信的身影。无线接入是有线 接入的有效支持、补充和延伸，是快速、灵活装备与实现普遍服务的重要途径； 而近年来无线组网通信发展迅速的重要原因，不仅是由于技术已达到可驾驭和 可实现的高度，更是因为人们对信息随时随地获取和交换的迫切需要，从而要 求各种通信技术发展的终极目标即是“无处不在”。正是由于这种迫切的需要，以 下几种无线局域网技术得到了飞速的发展【5 】。 1 ) w i - f i ( i e e e 8 0 2 11 ) w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ) 即i e e e 8 0 2 1 1 x ，其最初规范是在1 9 9 7 年提出的。 作为目前w l a n 的主要技术标准，目的是提供无线局域网的接入，可实现几 m b p s 至几十m b p s 的无线接入。w l a n 最大的特点是便携性，解决了用户“最 后1 0 0 m ”的通信要求，主要用于解决办公室无线局域网和校园网中用户与用户终 端的无线接入。i e e e 8 0 2 1 1 流行的几个版本包括：8 0 2 1 l a ，在5 8 g h z 频段最高 速率为5 4 m b p s ；8 0 2 1 l b ，在2 4 g h z 频段速率为1 m b p s - 1 1 m b p s ；8 0 2 1 1 9 ，在 2 4 g h z 频段与8 0 2 1 1 b 兼容，最高速率亦可达到5 4 m b p s 。w i f i 规定了协议的 5 中南大学硕士学位论文 第二章z i g b e e 技术及其在矿井通信中应用的可行性分析 物理( p h y ) 层、媒体接入控制( m a c ) 层，并依赖t c p i p 作为网络层。由于 其优异的带宽是以较高的功耗为代价的，因此大多数便携w i - f i 装置都需要较高 的电能储备，这限制了它在工业场合的推广和应用【6 】。 2 ) 无线城域网w i m a x w i m a x 亦常被称为“i e e ew i r e l e s sm a n ，其基本目标是提供一种在城域网 一点对多点的多厂商设备环境下，可有效进行互操作的宽带无线接入手段。 w i m a x 可实现7 4 8 1 m b p s 的最大传输速度，这个速度是3 g 所能提供的宽带速 率的3 0 倍，主要解决用户“最后1 k r n ”的通信需求。作为一种无线城域网技术， 它可以将w i f i 热点连接到互联网，也可作为数字用户线d s l 等有线接入方式 的无线扩展，实现最后l k m 的宽带连接，是极具发展潜力的一种无线接入技术， 但该技术还处于一种快速发展阶段，技术条件还不太成熟，并且还缺乏一个统 一的组织来定义和管理其协议【7 】。 3 ) 超宽带通信u w b 超宽带技术u w b ( u l t r aw i d e b a n d ) 是一种无线载波通信技术。它不采用正弦 载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占用的频谱范围 很宽。u w b 可在非常宽的带宽上传输信号，美国f c c 对u w b 的规定为：在 3 1 1 0 6 g h z 频段中占用5 0 0 m h z 以上的带宽。由于b w b 可以利用低功耗、低 复杂度发射接收实现高速数据传输，因此在近年来得到了迅速发展。它在非常 宽的频谱范围内，采用低功率脉冲传输数据而不会对常规窄带无线通信系统造 成大的干扰，并可充分利用频谱资源。尤其适用于室内等密集多径场所的高速 无线接入，非常适于建立于一个高效的无线局域网或无线个域网( w p a n ) 。u w b 最具行色的应用将是视频消费娱乐方面的无线个域网( r 埘) 。与其他传统的无 线通信技术相比较，u w b 传输速率高，通信距离短，平均发射功率低，多径分 辨率极高，适合于便携型应用【8 】。 4 ) 近场通信n f c n f c ( n e a rf i e l dc o m m u n i c a t i o n ，近距离无线传输) 是由p h i l i p s ，n o k i a 和s o n y 公司主推的一种类似于r f i d ( 非接触式射频识别) 的短距离无线通信技术标准。 与r f i d 不同，n f c 采用了双向的识别和连接技术，在2 0 c m 距离内工作于 1 3 5 6 m h z 频率。n f c 最初仅仅是遥控识别和网络技术的合并，但现在已发展成 无线连接技术。它能快速自动地建立无线网络，为蜂窝、蓝牙式w i - f i 设备提供 一个“虚拟连接”，使设备间可以在很短的时间内进行通信。通过n f c ，可实现 多个设备( 如数码相机、p d a 、机顶盒、电脑、手机等) 之间的无线互连，彼 此交换数据式服务。与蓝牙等短距离无线通信标准不同的是，n f c 的作用距离 进一步缩短且不像蓝牙那样需要有对应的加密设备【9 】。 6 中南大学硕士学位论文第二章z i g b e e 技术及其在矿井通信中应用的可行性分析 5 ) 蓝牙 蓝牙( b l u e t o o t h ) 工作在2 4 g h z 的频段，最早是爱立信公司在1 9 9 4 年开 始研究的一种能使手机与其附件( 如耳机) 之间互相通信的无线模块，采用f h s s 扩频方式，蓝牙信道带宽为1 m h z ，异步非对称连接最高数据速率为7 2 3 2 k b p s ， 连接距离一般小于1 0 m 。蓝牙被归入了i e e e 8 0 2 1 5 1 ，规定了包括p h y 、m a c 、 网络和应用层等集成协议栈。为对语音和特定网络提供支持，需要协议栈提供 2 5 0 k b 系统开销，从而增加了系统成本和集成复杂性。此外，由于蓝牙对每个微 型网最多只能配置7 个节点，因此制约了其在大型传感器网络中的应用。目前， 新的蓝牙标准和技术也在加强速率和距离方面的研究，其2 0 版拟支持高达 1 0 m b p s 以上的速率，使用蓝牙技术的无线电收发器的连接距离可达1 0 m ，使用 高增益无线可以将有效通信范围扩展到1 0 0 m 。鉴于蓝牙在睡眠状况下消耗的电 流及激活延迟，一般电池使用寿命2 - - 4 个月。由于蓝牙的上述特性，使得它可 以应用于无线设备、图像处理设备、智能卡、身份识别等安全产品，以及娱乐 消费、家用电器、医疗健身和建筑等领域【l o 】。 6 ) 红外线数据通信i r d a i r d a 是一种利用红外线进行点对点通信的技术。i r d a 标准的无线设备传输 速率已从1 1 5 2 k b p s 逐步发展到4 m b p s 、1 6 m b p s 。目前，支持它的软硬件技术都 很成熟，在小型移动设备( 如p d a 、手机、笔记本电脑) 上已被广泛使用。它 具有移动通信所需要的体积小、功耗低，连接方便、简单易用、成本低的特点。 由于i r d a 只能同时在2 台设备之间连接，并且存在有视距角度等问题，因此一 般不会用于工业网络上【l 。 7 ) z i g b e e z i g b e e 技术是最近发展起来的一种无线通信技术，它功耗低、成本低、易 应用，以2 4 g h z 为主要频段，采用扩频技术。z i g b e e 被业界认为是工业监控、 传感器网络、家庭监控、安全系统等领域的最佳选择。 2 2 矿井设备及z i g b e e 技术的特点 煤矿井下是一个特殊的工作环境，它不同于一般地面移动通信系统，具有 如下特点： 1 ) 电气防爆 煤矿井下具有甲烷等可燃性气体和煤尘。因此，移动通信设备必须是防爆 型电气设备，并宜采用安全性能好的本质安全型防爆措施。 2 ) 传输衰耗大 7 中南大学硕士学位论文 第二章z i g b e e 技术及其在矿井通信中应用的可行性分析 煤矿井下空间狭小且有风门、机车等阻挡体、巷道倾斜、有拐弯和分支、 巷道表面粗糙等，传输衰耗大。 3 ) 设备体积小 煤矿井下空间狭小，因此，移动通信设备的体积、特别是天线体积不能很 大，便携式移动台更要注意设备的体积和重量。 4 ) 发射功率小 本质安全型防爆电气设备对输出功率有一定的限制。为将矿井移动通信设 备制成本质安全型防爆电气设备，设备的发射功率应较小。 5 ) 抗干扰能力强 煤矿井下空间窄小、机电设备相对集中、功率大，因此，电磁干扰严重。 特别是大型机电设备启停、架线、电机车电火花等对通信设备干扰大，故应具 有较强的抗干扰能力。 6 ) 防护性能好 应具有防尘、防水、防潮、防腐、耐机械冲击等性能。 7 ) 电源电压波动适应能力强 井下电网电源电压波动范围在7 5 1 1 0 之间，甚至达7 5 1 2 0 。 因此，矿井移动通信设备应具有较强的电源电压波动适应能力，特别当电网停 电时，应由备用电源维持不小于2 小时的正常工作。 8 ) 抗故障能力强 煤矿井下环境恶劣，设备故障率高，人为破坏事件时有发生。因此，矿井 移动通信系统应具有较强的抗故障能力，当系统中某些设备发生故障时，不会 造成整个系统瘫痪，其余非故障设备仍能继续工作。 9 ) 服务半径大 矿井移动通信与一般地面移动通信相比，服务半径很小，仅为十几千米， 但同一般建筑物，公路，铁路隧道等限定空间的移动通信相比，服务半径较大。 因此，不可能在不采用中继等技术措施的情况下实现全矿井移动通信。 1 0 ) 信道容量大 煤矿井下是一个移动的工作环境，随着煤炭的开采，巷道的开拓与掘进， 工作场所一直在移动，现有有线调度电话均受到局限。并随着移动通信系统可 靠性、通信质量的提高、功能的完善、成本的降低，它将承担着全部生产调度 与救灾通信的任务，更需系统具有较大的信道容量。且井下电机车等移动设备 的监控和便携式仪器入网也需信息容量较大的移动通信网。 1 1 ) 移动速度慢 矿井移动通信系统的移动台的移动速度较慢，这主要是矿井运输工具主要 8 中南大学硕士学位论文 第二章z i g b e e 技术及其在矿井通信中应用的可行性分析 为胶带输送机、电机车、单轨吊车、斜井绞车、罐笼等其运行速度远远低于火 车、汽车等陆地运输工具。 煤矿井下的特殊性，制约了矿井移动通信系统的发展。迄今为止，还没有 一套较为理想的全矿井移动通信系统，除一些用于井筒、工作面、胶带输送、 电机车等局部通信的系统外，可用于全矿井移动通信的漏泄、感应和透地通信 系统均存在着一些问题到。 为了满足小型、低成本设备无线联网的要求，2 0 0 0 年1 2 月成立了i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组，主要负责制定z i g b e e 物理层和m a c 层的协议，其余协议主要 参照和采用现有的标准：高层应用、测试和市场推广等方面的工作则由成立于 2 0 0 2 年8 月的z i g b e e 联盟负责。z i g b e e 联盟由英国i n v e n s y s 公司、日本三菱电 气公司、美国m o t o r o l a 公司以及荷兰p h i l i p s 公司组成，如今已经吸引了上百家 芯片公司、无线设备公司和开发商的加入【1 3 1 。z i g b e e 技术是一种近距离、低复 杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，支持地理定位功能。 和本章上节中提到的几种无线通信技术相比，z i g b e e 技术具有以下几个特点： 1 ) 低功耗：在工作模式下，由于z i g b e e 技术的传输速率低，传输数据量 小，因此信号的收、发时间短；而在非工作模式时，z i g b e e 节点又处于休眠模 式。加之设备的搜索、休眠激活和信道接入时延都很短，使得z i g b e e 节点非常 省电。此外，电池的工作时间还取决于很多因素，如电池种类、容量和应用场 合等，z i g b e e 技术在协议中对电池的使用也作了优化。 2 )可靠数据传输：z i g b e e 的媒体接入控制层( m a c ) 采用c s m a c a 接 入算法，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的 竞争和冲突。m a c 层支持确认的数据传输模式，要求每个发送的数据包都必须 接收方的确认信息，如果传输过程中出现问题可以进行重发，从而建立起可靠 的数据通信模式。 3 )低成本：由于z i g b e e 协议栈相对于蓝牙、w i f i 要简单很多( 不到蓝牙 的十分之一) 、降低了对通信控制器的要求，因此可以采用8 位单片机和规模 很小的存储器，大大降低了器件成本。预计z i g b e e 模块初期成本在几十元左右， 且z i g b e e 协议免专利费，可进一步降低软件的应用费用。 4 )短时延：针对时延敏感的应用作了优化，通信时延和从休眠状态激活 的时延都非常短。设备搜索时延典型值为3 0m s ，休眠激活时延典型值是1 5m s ， 活动设备信道接入时延为1 5 m s 。 5 )节点通信设置易于配置：在可通信的距离内，z i g b e e 通过网络协调器 自动建立网络，采用载波侦听冲突检测( c s m a c a ) 方式进行信道接入；对节 点设备可随时加入和退出，是一种自配置、自组织的组网模式。 9 中南大学硕士学位论文 第二章z i g b e e 技术及其在矿井通信中应用的可行性分析 6 )网络容量大：z i g b e e 可以采用星形、网状、串状结构组网，而且可以 通过任一节点连接组成更大的网络结构。从理论上讲，其可连接的节点多达6 4 0 0 0 个。1 个z i g b e e 网络最多可以容纳2 5 4 个从设备和1 个主设备，1 个区域内 可以同时存在最多1 0 0 个z i g b e e 网络。 7 ) 安全：z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用 a e s l 2 8 ，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。 8 )全球通用性和完好的开放性：z i g b e e 标准协议，使z i g b e e 设备间的通 信极为方便。 综合上面几种通信技术的特点及矿用设备的特殊要求，超宽带技术u w b 和 z i g b e e 技术是矿井无线通信的最佳选择。但考虑到市场对矿井救灾设备的迫切 需求和超宽带技术u w b 和z i g b e e 现有技术的成熟度；综合矿用设备要求，体 积小、重量轻、功耗低等特点。设计前决定采用z i g b e e 技术来开发矿井救灾无 线通信系统这一方案。 2 3 z i g b e e 技术的基本原理 z i g b e e 协议架构建立在i e e e8 0 2 1 5 4 标准基础之上。其物理层( p h y ) 和 媒体访问控制层( m a c ) 采用i e e e8 0 2 1 5 4 标准。z i g b e e 联盟则定义了z i g b e e 协议的网络层( n w k ) 、应用层( a p l ) 和安全服务规范。其协议构架如图( 2 1 ) 所示。z i g b e e 协议以o s i 七层参考模型为基础，定义了其中与l r w p a n 应用 相关的协议层【1 4 1 。协议栈的每层为其上层提供一套服务功能：数据实体提供数 据传输服务，管理实体提供其他的服务。每个服务实体和上层之间的接口称作“服 务访问点( s a p ) ”，通过s a p 交换一组服务原语为上层提供相关的服务功能。 物理层提供两类服务：物理层数据服务和物理层管理服务。p h y 层功能包 括无线收发信机的开启和关闭、能量检测( e d ) 、链路质量指示( l q i ) 、信道 评估( c c a ) 和通过物理媒体收发数据包。 m a c 层提供m a c 层数据服务和m a c 层管理服务，其主要功能包括采用 c s m a c a 进行信道访问控制、信标帧发送、同步服务和提供m a c 层可靠传输 机制【1 5 】。 网络层提供设备加入、退出网络的机制、帧安全机制、路由发现以及维护 机制。网络协调器的网络层还负责新网络并为新关联设备分配地址。应用层包 括应用支持子层( a p s ) 、z i g b e e 设备对象( z d o ) 和制造商定义的应用对象。 a p s 子层负责维护绑定列表，根据设备的服务和需求对设备进行匹配，并在绑 定的设备之间传送信息。z d o 负责发现网络中的设备并明确提供的应用服务。 1 0 中南大学硕士学位论文 第二章z i g b e e 技术及其在矿井通信中应用的可行性分析 2 3 1 物理层技术 图( 2 - 1 ) z i g b e e 协议栈结构 物理层主要负责开启和关闭无线收发信机、能量检测( e d ) 、链路质量指 示( l q i ) 、空闲信道评估( c c a ) 、信道选择、数据发送和接收。物理层分三个 频段，8 6 8 m h z 、9 1 5 m h z 和2 4 g h z 三个频段。在三个频段上共划分了2 7 个信 道，信道编号k 为0 , - - - , 2 6 。2 4 5 0 m h z 频段上划分了1 6 个信道，9 1 5 m h z 频段有 1 0 个信道，8 6 8 m h z 频段上只有1 个信道。2 7 个信道的中心频率和对应的信道 中南大学硕士学位论文 第二章z i g b e e 技术及其在矿井通信中应用的可行性分析 编号定义如下： f c = 8 6 8 3 m h z f c = 【9 0 6 + 2 ( k - 1 ) m h z 厶= 2 4 0 5 + 5 ( k 一1 1 ) m h z 七= 0 k = 1 , 2 ，1 0 k = 1 1 ，1 2 ，2 6 三个频段上采用的调制和扩频技术参数可归纳为表( 2 1 ) 。我国2 4 g h 为免费公 用频段。因此，本系统中采用频段2 4 g h z 。 表( 2 - 1 ) i e e e8 0 2 1 5 4 扩频和调制参数 扩频参数数据参数 频率姗z 码片速率比特速率符号速率 符号 ( k c h i p s 1 ) 调制方式 k b p s( k s y m b 0 1 s - 1 ) 阶数 8 6 88 6 8 8 6 8 63 0 0b p s k2 02 0二进制 9 1 59 0 2 9 2 86 0 0b p s k4 04 0 二迸制 2 4 5 02 4 0 0 2 4 8 3 52 0 0 0o - q p s k2 5 06 2 5十六进制 2 4 g h z 物理层中，z i g b e e 采用1 6 进制准正交调制技术。在调制前，先将数 据信号进行转换处理，将信息按每4 位信息比特进行处理，每4 位信息比特组 成一个符号数据。根据该符号数据，从1 6 个几乎正交的伪随机序列( p n 序列) 中，选取其中一个序列作为传送序列。根据所发送连续的数据信息，将所选出 的p n 序列串接起来，并使用o q p s k 的调制方法。将这些集合在一起的序列调 制到载波上。调制器框图如图( 2 2 ) 所示： i p 二p d 进u 行燃数据 l 调制信一 l 1r 比特一符号 符号一码片 o - q p s k 调 1r 转换器 转换器 制器 图( 2 - 2 )扩展调制功能 从图中可以看出，在对物理层协议数据单元进行调制前，必须对其所有的 二进制数据进行转换处理。首先，必须将二进制数据转换成符号数据，其转换过 程如下所述： 1 2 中南大学硕士学位论文 第二章z i g b e e 技术及其在矿井通信中应用的可行性分析 将每个字节按4 比特位进行分解，将低4 位( b o ，b l , b 2 ，b 3 ) 转换成一个符号 数据，高4 位( b 4 ，b 5 ，b 6 , b 7 ) 转换成一个符号数据。物理层协议数据单元的每个 字节都要逐个进行处理，即从它的前同步码字段开始到它的最后一个字节。在 每个字节处理过程中，优先处理低4 位( b 0 ，b l ，b 2 , b 3 ) ，随后处理高4 位 ( b 4 ，b 5 ，b 6 ，b 7 ) 。 扩展后的码元序列通过采用半正弦脉冲形式的0 q p s k 调制方式，将符号 数据信号调制到载波信号上。其中，编码为偶数的码元调制到i 相位的载波上， 编码为奇数的码元，调制到q 相位的载波上。每个符号数据由3 2 码元的序列来 表示，所以，码元速率( 一般为2 0 m c h i p s ) 是符号速率的3 2 倍。为了使i 相 位和q 相位的码元调制存在偏移，q 相位的码元相对于i 相位的码元要延迟t c 秒发送，t c 是码元速率的倒数。如图( 2 3 ) 所示。 厶1 0 c oc 2 c 4 c 3 0 c 1c 3c 5 c 3 1 图( 2 - 3 ) 0 - q p s k 码元相位偏移 每个基带码元用半正弦脉冲形式来表示，其表达式如( 2 1 ) 下： 荆= s i 疵7 2 o f 其它( 2 - 1 ) 图( 2 4 ) 为半正弦脉冲形式的基带码元序列的样图。 调制后的信号，在每个符号周期内，最低有效码片c 。优先发送，最高有效 码片c 。最后发送n 引。 o - - q p s k 调制解决7 q p s k 调制中信号轨迹经过零点且幅度变化大的缺点， 因而具有更高的功率效率，可以使用线性范围较小的功率放大器，适合于体积 小、功率小的移动站。 中南大学硕士学位论文 第二章z i g b e e 技术及其在矿井通信中应用的可行性分析 z ，1 1 c c 2 念厂c o u 仁佾c 。厂 t c 卜u 2 3 2m a c 层概述 图( 2 - 4 )半正弦脉冲形式的基带码元序列 m a c 子层主要负责协调器网络信标的产生、信标同步、支持p a n 关联和解 关联、c s m a c a 信道访问机制、处理和维护保证时隙( g t s ) 机制以及在两个 对等m a c 实体问提供可靠链路等任务n ，是数据可靠传输的保证。本节主要介 绍m a c 层中采用的c s m a c a 信道访问机制。 2 3 2 1c s m a - c a 算法流程 协议采用c s m a c a 算法来访问信道。在使用信标的p a n ( 个域网) 中，m a c 层采用时隙型c s m a c a 算法在c a p ( 竞争访问周期) 内传输数据。相反，如 果在不使用信标的p a n 中，或在使用信标的p a n 中无法定位信标，则m a c 层 采用非时隙型c s m a - c a 算法。两种形式c s m a - c a 算法的实现都要用到称作“退 避周期”的单位时间，一个退避周期等于2 0 s y m b o l 的时间。 图( 2 5 ) 是c s m a c a 算法流程。在时隙c s m a c a 算法中，p a n 每个设备 退避周期的边界都应该与p a n 协调器超帧时隙的边界对齐，即每个设备的第一 个退避周期的开始位置总是和信标的开始位置对齐的。使用时隙c s m a c a 算 法时，m a c 层应保证物理层的所有发送开始于退避周期的边界