基于無(wú)線(xiàn)通信的煤礦瓦斯監控系統設計

煤炭行業(yè)一直以來(lái)是我國稅收收入的一個(gè)重要來(lái)源。然而由于煤礦地理位置普遍偏遠、交通不便，管理難度較大。同時(shí)稅務(wù)部門(mén)征稅手段相對落后，對煤礦缺乏有效監管，造成了我國稅收收入的流失。電子遠程監控系統能夠很好地解決以上問(wèn)題。針對煤礦地理位置偏遠的情況，無(wú)線(xiàn)通信方式是比較經(jīng)濟實(shí)用的遠程通信系統解決方案，其中CDMA（Code Division MuIf.pIe Access）通信方式具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、覆蓋范圍廣、抗干擾能力強、發(fā)射功率低、頻譜利用率高等優(yōu)點(diǎn)[1]，能夠滿(mǎn)足煤炭產(chǎn)量遠程監控系統對通信的遠距離、高可靠性、低功耗以及圖象信息傳輸等特殊要求。

　　概述

　　1.基本概念與原理

　　寧夏很多煤礦地理位置偏僻，地形復雜，采用有線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò )建設投資大，網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)困難，網(wǎng)絡(luò )維護成本高；采用微波、數傳電臺等載波方式進(jìn)行數據傳輸，網(wǎng)絡(luò )的覆蓋率低，傳輸距離有限，用戶(hù)須自己建立網(wǎng)絡(luò )，投資較大，還需要投入人力物力進(jìn)行維護。最后由于快速的通信速度、安全可靠的通信質(zhì)量和布網(wǎng)靈活的特性，寧夏煤炭安全監察局選擇了聯(lián)通CDMA 1X無(wú)線(xiàn)數據通信網(wǎng)絡(luò )作為“煤炭安全監控系統”的數據傳輸網(wǎng)絡(luò )。

　　CDMA 1X無(wú)線(xiàn)數據網(wǎng)絡(luò )可滿(mǎn)足寧夏煤炭安全監控系統對于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的傳輸要求。CDMA 1X無(wú)線(xiàn)數據網(wǎng)絡(luò )符合無(wú)線(xiàn)網(wǎng)IEEE 802.11標準，符合在全球范圍內免許可證的有關(guān)規定，對于所有傳輸到的數據、協(xié)議能毫不保留地轉發(fā)到上一級網(wǎng)絡(luò )；支持TCP/IP傳輸協(xié)議，支持WVPN通訊方式，具體可支持L2TP、IPSec、VR等路由方式的VPDN（虛擬專(zhuān)用撥號網(wǎng)絡(luò )）；傳輸丟包率小于1%，時(shí)延率平均為600毫秒，不大于井下安全生產(chǎn)監測監控系統的一個(gè)掃描周期的秒時(shí)（煤炭安全監控系統掃描周期為5秒），網(wǎng)絡(luò )的覆蓋率大于95%。

　　煤礦將從井下采集各種安全數據匯總到煤礦傳輸終端，通過(guò)CDMA 1X 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸至寧夏聯(lián)通網(wǎng)絡(luò )中心PDSN設備，再通過(guò)2M專(zhuān)線(xiàn)傳輸到寧夏煤炭安全監察局監控中心。為確保網(wǎng)絡(luò )安全，在現有物理網(wǎng)絡(luò )的基礎上建立基于L2TP協(xié)議的VPDN邏輯虛擬專(zhuān)網(wǎng)，實(shí)現煤礦與寧夏煤炭安全監察局的安全通信。煤礦傳輸終端通過(guò)分配的專(zhuān)用VPDN賬號以撥號方式撥入CDMA 1X網(wǎng)絡(luò )，認證服務(wù)器（AAA）和煤炭安全監察局認證服務(wù)器（RADIus）共同完成無(wú)線(xiàn)撥入煤礦用戶(hù)的認證和鑒權。煤礦用戶(hù)通過(guò)認證和鑒權后在煤礦和煤炭安全監察局之間建立VPDN專(zhuān)用通訊通道。通過(guò)VPDN網(wǎng)絡(luò )建立的虛擬專(zhuān)用通信通道，寧夏煤炭安全監察局監控中心可實(shí)時(shí)監控煤礦安全生產(chǎn)數據。

　　VPDN主要是采用第二層隧道協(xié)議（L2TP），采用L2TP基于以下幾點(diǎn)原因。

　　其一，對于GRE（通用路由封裝協(xié)議）及IPSec這些三層隧道協(xié)議，區分用戶(hù)將比較困難；因為在三層（IP層），一般只能通過(guò)IP 地址來(lái)區分用戶(hù)。對于VPN來(lái)說(shuō)，用戶(hù)的地址是可以重復的，這樣，三層隧道協(xié)議不適合區分用戶(hù)。

　　其二，L2TP 是二層（鏈路層）的隧道協(xié)議，是作為PPP 的擴展提出來(lái)的。PPP適合區分不同的用戶(hù)，比如撥號用戶(hù)、采取專(zhuān)線(xiàn)直連的對端路由器等等，因為PPP 可以得到對端的用戶(hù)名和更多用戶(hù)信息。對于撥號用戶(hù)接入這種情況來(lái)說(shuō)，需要區分不同的VPN 用戶(hù)，使用L2TP進(jìn)行VPDN組建是最理想的。

　　其三，采用L2TP隧道協(xié)議，只分配企業(yè)網(wǎng)內部IP地址，而PPTP等第二層的隧道協(xié)議，要求有正式的IP地址，在撥入撥號服務(wù)器時(shí)，由撥號服務(wù)器提供，再二次撥入企業(yè)網(wǎng)關(guān)時(shí)，由企業(yè)網(wǎng)關(guān)分配內部網(wǎng)地址。

　　其四，采用L2TP隧道協(xié)議的VPDN網(wǎng)絡(luò )，通信運營(yíng)商主要維護運營(yíng)商和企業(yè)之間的二層隧道。不同企業(yè)之間的二層隧道是區分開(kāi)來(lái)的，相互獨立的二層隧道將保證各企業(yè)VPDN網(wǎng)的完全私有性和絕對安全性。

　　2.網(wǎng)絡(luò )系統構成

　　VPDN服務(wù)主要由CDMA1x路由器、LAC和LNS（防火墻或者cisco接入路由器如C2600 Series）、AAA和內部服務(wù)器構成。

　　CDMA1x路由器： 連接在遠程網(wǎng)絡(luò )上的訪(fǎng)問(wèn)終端，是VPDN呼叫的發(fā)起者。

　　LAC: 是“第二層隧道協(xié)議（L2TP）訪(fǎng)問(wèn)集中器”，在CDMA1x分組網(wǎng)中是PDSN節點(diǎn)。它是L2TP隧道的其中一個(gè)端點(diǎn)，也是LNS的對端。LAC處于LNS和Client的中間，負責轉發(fā)雙方的數據包。從LAC發(fā)往LNS的數據包需要封裝到L2TP隧道中，而從LAC到Client的連接則使用CDMA1x無(wú)線(xiàn)分組傳輸技術(shù)。

　　LNS: 是“第二層隧道協(xié)議網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器”。它是L2TP隧道的另一個(gè)端點(diǎn)，也是LAC的對端。它是PPP會(huì )話(huà)的邏輯終點(diǎn)，而PPP會(huì )話(huà)被LAC封裝成隧道形式，是從Client端開(kāi)始的。

　　AAA server：AAA是認證、授權和記帳的縮寫(xiě)。AAA服務(wù)器負責對Client的身份進(jìn)行驗證。

　　3.實(shí)現過(guò)程

　　遠程無(wú)線(xiàn)CDMA1x路由器通過(guò)CDMA1x網(wǎng)絡(luò )連入拜訪(fǎng)地LAC。LAC服務(wù)器通過(guò)用戶(hù)名或接入號碼識別出該用戶(hù)為VPDN用戶(hù)后，就和用戶(hù)的目的VPDN服務(wù)器（企業(yè)內部服務(wù)器）建立一條連接，這條連接稱(chēng)為隧道，然后將用戶(hù)數據包封裝成IP報文后從該隧道傳送給VPDN服務(wù)器，VPDN服務(wù)器收到數據包并拆封后就可以讀到真正有意義的報文了。具體流程如圖1。

　　瓦斯數據無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現

　　1.網(wǎng)絡(luò )建設的主要內容

　　瓦斯無(wú)線(xiàn)數據傳輸網(wǎng)絡(luò )重點(diǎn)解決各礦井瓦斯數據傳輸集中的難題，實(shí)現由分布在各市、縣級的礦井節點(diǎn)匯聚到區級集中節點(diǎn)構成無(wú)線(xiàn)數據傳輸網(wǎng)絡(luò )。

　　煤礦瓦斯采集數據無(wú)線(xiàn)傳輸過(guò)程包括：煤礦瓦斯數據通過(guò)專(zhuān)用設備（采集終端）進(jìn)行采集，采集的數據包括礦井瓦斯濃度、溫度、通風(fēng)情況、風(fēng)扇工作情況等。采集到的數據通過(guò)礦井監控網(wǎng)絡(luò )傳輸到井上系統計算機，安裝在計算機上的協(xié)議轉換軟件進(jìn)行數據格式和協(xié)議轉換，轉換后的數據通過(guò)接口（如RS232接口模塊等）接到無(wú)線(xiàn)數據通訊終端，并完成數據在無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )上的數據傳輸。

　　2、無(wú)線(xiàn)數據傳輸網(wǎng)絡(luò )

　　煤炭瓦斯監控系統在CDMA網(wǎng)絡(luò )服務(wù)承載上主要有兩個(gè)部分：CDMA無(wú)線(xiàn)數傳部分和短信告警服務(wù)部分。

　　數字專(zhuān)線(xiàn)部分：租用2M光纖線(xiàn)路，與煤礦安全監察網(wǎng)絡(luò )組建的VPDN網(wǎng)絡(luò )相連，通過(guò)CDMA無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )完成自治區煤礦安全監察局與各煤礦之間的信息上傳下達。

　　礦井數據采集線(xiàn)路及傳輸部分：煤礦將從井下采集各種安全數據匯總到煤礦傳輸終端，通過(guò)CDMA無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸至電信公司網(wǎng)絡(luò )中心PDSN設備，再通過(guò)2M專(zhuān)線(xiàn)傳輸到寧夏煤礦安全監察局監控中心。

　　3.礦井層面的無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )實(shí)施

　?。?）網(wǎng)絡(luò )規范

　　煤礦監測監控系統地面主機與現場(chǎng)實(shí)時(shí)數據采集機之間的數據傳輸，采用串行口接口方式；從現場(chǎng)數據采集機到上行各節點(diǎn)采用TCP/IP方式傳輸。

　　其體系結構為：實(shí)時(shí)數據采集節點(diǎn)與現場(chǎng)接口層節點(diǎn)之間監測，構成分布式體系結構，網(wǎng)絡(luò )拓撲結構采用總線(xiàn)形及星形。

　　訪(fǎng)問(wèn)方式采用主從方式。主從方式就是一個(gè)高級別的節點(diǎn)控制所有的信號傳輸，順序和時(shí)間。除非主節點(diǎn)要求，其他節點(diǎn)不能通信。

　　實(shí)時(shí)數據采集通信規范包括：采用RS-232串行數據接口標準；接口支持MODEM通訊方式，支持主動(dòng)撥號和被動(dòng)撥號方式；支持CDMA方式數據傳輸，自動(dòng)適應廠(chǎng)家數據通過(guò)CDMA方式透明數據傳輸。

（2）瓦斯監控采集設備連接

　　在煤礦礦井現場(chǎng)，井上、下數據采集通過(guò)Super KJ系列井下數據采集設備進(jìn)行采集，其中采集設備采集到的數據通過(guò)協(xié)議轉換器進(jìn)行協(xié)議轉換，轉換后的數據通過(guò)串口（RS232）接到RW2000-DTU（CDMA無(wú)線(xiàn)路由器），RW2000-DTU完成數據在CDMA無(wú)線(xiàn)數據分組網(wǎng)絡(luò )中透明的數據傳輸，如圖3所示。