基于ZigBee的井下長(cháng)距離無(wú)線(xiàn)通訊系統

近年來(lái)，隨著(zhù)同家對能源需求的不斷增加，國家加大了對煤炭資源的開(kāi)采力度，建立一套完整的井下無(wú)線(xiàn)通訊系統將在礦井安全、高效生產(chǎn)中發(fā)揮十分重要的作用。特別是在礦井事故發(fā)生時(shí)，一套輕便高效的無(wú)線(xiàn)通訊系統顯得尤為重要。但由于井下環(huán)境的特殊性，無(wú)線(xiàn)電波在巷道中傳播遇到很大困難，井下無(wú)線(xiàn)通訊很難實(shí)現?，F有煤礦井下無(wú)線(xiàn)通信系統存在設備制造成本高、抗干擾能力差、攜帶不方便、使用范圍局限性大等問(wèn)題。長(cháng)期以來(lái)，人們?yōu)楦纳泼旱V井下通信的落后現象一直在不斷地探索和研究，Zigbee協(xié)議正式問(wèn)世后．建立一套輕便高效的井下無(wú)線(xiàn)通訊系統成為了可能。Zigbee技術(shù)是一種具有統一技術(shù)標準的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)在組網(wǎng)性能上，可構造星型網(wǎng)絡(luò )或者點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )，可容納的最大設備個(gè)數為264個(gè)，具有較大的網(wǎng)絡(luò )容量。

(2)在無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)上，采用CSMA-CA方式，有效地避免了無(wú)線(xiàn)電載波之間的沖突。此外，為保證傳輸數據的可靠性，建立了完整的應答通信協(xié)議。

(3)抗干擾性好。由于CDMA經(jīng)過(guò)擴頻處理。故抗干擾性能好，可和同頻帶的窄帶共存。而不影響其正常工作。

(4)低功耗，其發(fā)射輸出為0～3.6 dBm，通信距離為30～70 m，具有能量檢測和鏈路質(zhì)量指示能力，根據這些 檢測結果，設備可自動(dòng)調整設備的發(fā)射功率，在保證通信鏈路質(zhì)量的條件下，最小地消耗沒(méi)備能量。

(5)高安全保密性，采用密鑰長(cháng)度為128位的加密算法，對所傳輸的數據信息進(jìn)行加密處理。

以上幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)剛好可以滿(mǎn)足井下無(wú)線(xiàn)通信系統的要求。

2 系統網(wǎng)絡(luò )結構

Zigbee技術(shù)是基于IEEE 802.15.4協(xié)議標準的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。然而，井下通信要求通信距離比較長(cháng)，單個(gè)結點(diǎn)通信很難滿(mǎn)足要求。利用Zigbee技術(shù)組網(wǎng)靈活的特點(diǎn)，系統采用鏈式組網(wǎng)方式來(lái)擴大通信距離。系統網(wǎng)絡(luò )結構如圖1所示。

系統傳輸距離除了通過(guò)提高每個(gè)結點(diǎn)模塊接收靈敏度和發(fā)射功率外，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )采用鏈式組網(wǎng)結構，傳輸距離得到成倍向外延伸。系統采用全雙向通信，移動(dòng)通信頭把語(yǔ)音信號發(fā)送給中繼結點(diǎn)，中繼結點(diǎn)收到信號后再把信號依次傳給下一個(gè)結點(diǎn)直到移動(dòng)通信尾接收到信號，反之亦然。從理論上講，傳輸距離可以無(wú)限制延伸。實(shí)驗系統證明，在傳輸介質(zhì)好的條件下，兩中繼結點(diǎn)最大可以傳輸90 m，在井下工作面，中繼結點(diǎn)平均傳輸30 m左右。拐點(diǎn)處，通過(guò)放置一對中繼結點(diǎn)完全可以實(shí)現穩定通信。通過(guò)放置多對中繼結點(diǎn)，系統可以實(shí)現2～3 km的井下工作面通信。實(shí)驗證明只要合理地布置中繼結點(diǎn)，通信效果完全不受地形限制。

3 系統功能實(shí)現

移動(dòng)通信頭和移動(dòng)通信尾負責語(yǔ)音信號的處理、發(fā)送和接收，由語(yǔ)音處理模塊、微處理器、液晶顯示模塊和RF發(fā)射接收模塊組成。功能框圖如圖2所示。

微處理器把接收的RF信號經(jīng)處理后轉化為數字信號再送給語(yǔ)音處理模塊進(jìn)行語(yǔ)音處理，從而得到清晰的語(yǔ)音信號。液晶顯示模塊用來(lái)顯示系統通信狀態(tài)和顯示各結點(diǎn)的信號強度，從而可以使通話(huà)指揮員實(shí)時(shí)了解整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的通信狀況。RF信號調制采用O-QPSK調制，在調制前，將數據信號進(jìn)行轉換處理，每4位信息比特組成一個(gè)符號數據，然后將符號數據信號調制到載波信號上。其中，編碼為偶數的碼元調制到I相位的載波上，編碼為奇數的碼元，調制到Q相位的載波上。為了使I相位和Q相位的碼元調制存在偏移，Q相位的碼元相對于I相位的碼元要延遲Tc秒發(fā)送，Tc是碼元速率的倒數。如圖3所示。

中繼結點(diǎn)接收到移動(dòng)通信端發(fā)出的請求聯(lián)通信號后，立即與其建立信號聯(lián)通鏈路并發(fā)出回應信號。同時(shí)，搜尋下一個(gè)通信目標直到整個(gè)通信鏈路聯(lián)通。中繼結點(diǎn)的功能框圖如圖4所示。

微控制器為發(fā)射接收模塊提供初始化程序，并對接收信號進(jìn)行能量檢測，信號指示燈實(shí)時(shí)顯示信號強度。接收機的能量檢測是信道選擇算法中的一個(gè)重要組成部分，為對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行連接管理而提供的一種信道測量。能量檢測的時(shí)間為8個(gè)符號周期，檢測的結果為0x00～0xFF的8 b的整數，最小值(0)代表接收功率小于接收機靈敏度的10 dB，并且用能量檢測值來(lái)描述接收功率的范圍至少為40 dB。在這個(gè)范圍之內，接收功率的分貝與能量檢測之間呈線(xiàn)性映射關(guān)系，其精度為6 dB。實(shí)驗系統采用10格信號來(lái)表示85 dB，每減少一格代表信號能量降低6 dB。實(shí)驗證明，兩格或兩格信號以上系統具有良好的通話(huà)效果，這為了解網(wǎng)絡(luò )的通信狀態(tài)提供了方便的通道。

4 硬件設計

本系統采用Silicon Laboratories公司提供的802.15.4和ZigbeeTM無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)硬件開(kāi)發(fā)平臺。該平臺主要由C8051F121 MCU和Chipcon公司的CC2420 RF收發(fā)器組成。具有完整的Zigbee協(xié)議棧。系統通過(guò)JTAG連接器在線(xiàn)編程和調試。連接器采用The SiliconLaboratories USB調配器來(lái)配置工作。RF硬件由挪威半導體公司Chipcon提供的CC2420射頻芯片，該芯片收發(fā)器包含了物理層(PHY)及媒體訪(fǎng)問(wèn)控制器(MAC)層，可組建一個(gè)具備65 000個(gè)結點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，并可隨時(shí)擴充，以及具有低功耗、傳輸速率為250 kb／s、較低的快速喚醒時(shí)間(小于30 ms)、CSMA／CA信道狀態(tài)偵測等特性。此外，CC2420可以通過(guò)4線(xiàn)SPI總線(xiàn)(SI，SO，SCLK，CSn)設置芯片的工作模式，實(shí)現讀／寫(xiě)緩存數據及讀寫(xiě)狀態(tài)寄存器等，通過(guò)控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設置發(fā)射／接收緩存器，通過(guò)CCA管腳狀態(tài)的設置可以控制清除信道估計，通過(guò)SFD管腳狀態(tài)的設置可以控制時(shí)鐘／定時(shí)信息的輸入。

CC2420的主要性能參數如下：

(1)工作頻帶范圍：2.400～2.483 5 GHz；

(2)采用IEEE802.15.4規范要求的直接序列擴頻方式；

(3)數據速率達250 kb／s碼片速率達2 Mchip／s；

(4)采用O-QPSK調制方式；

(5)超低電流消耗(RX：19.7 mA，TX：17.4 mA)；

(6)高接收靈敏度(-99 dBm)；

(7)抗鄰頻道干擾能力強(39 dB)；

(8)內部集成有VCO，LNA，PA以及電源整流器；

(9)采用低電壓供電(2.1～3.6 V)；

(10)輸出功率編程可控；

(11)IEEE802.15.4 MAC層硬件可支持自動(dòng)幀格式生成、同步插入與檢測、16 b CRC校驗、電源檢測、完全自動(dòng)MAC層安全保護(CTR，CBC-MAC，CCM)；

(12)與控制微處理器的接口配置容易(4總線(xiàn)SPI接口)；

(13)采用QLP-48封裝，外形尺寸只有77 mm2。

移動(dòng)通信端電源部分采用鋰電池LP188270-3.8 V／5 Ah4節供電，電池輸出經(jīng)過(guò)兩級限流保護，然后用環(huán)氧樹(shù)脂灌封為一體，構成本安電池組件。電池組符合GB3836.4-2000中7.4的要求。本安輸出：A組最高輸出電壓5.3 V，最大輸出電流2 A；B組輸出最高電壓5.3 V，最大輸出電流2 A。通信結點(diǎn)電源采用NiMh-1.2 V／2Ah4節供電，電池輸出經(jīng)過(guò)1 Ω／30 W限流電阻保護，然后用環(huán)氧樹(shù)脂灌封為一體，構成本安電池組件。電池組應符合GB3836.4-2000中7.4的要求。本安輸出：最高輸出電壓Uo：5.4 V，最大輸出電流Io：5.4 A。整個(gè)系統達到井下安全設備要求。能夠在井下連續工作8 h以上，基本具有一個(gè)工作日的工作時(shí)間。

5 軟件開(kāi)發(fā)

軟件開(kāi)發(fā)采用Chipcon公司提供的配套開(kāi)發(fā)工具，包括：評估軟件――SmartRFStudio。通信流程圖如圖5所示。網(wǎng)絡(luò )連接原語(yǔ)如下：

具體程序設計在這里不做一一講述。

6 系統測試

裝配成功后，系統具有-85 dBm的分辨率和10 dBm的發(fā)射功率。在實(shí)驗巷道和松藻煤電集團一號礦井工作面進(jìn)行多次測試，系統語(yǔ)音通信效果良好。實(shí)驗巷道兩結點(diǎn)最遠能傳輸80 m，14個(gè)通訊結點(diǎn)能進(jìn)行800 m清晰語(yǔ)音傳輸，在井下工作面16個(gè)結點(diǎn)可傳輸500 m，成功實(shí)現了井下長(cháng)距離無(wú)線(xiàn)通訊。

7 結 語(yǔ)

本文講述了基于Zigbee技術(shù)的井下長(cháng)距離無(wú)線(xiàn)通訊系統的設計。實(shí)驗結果表明，利用Zigbee技術(shù)來(lái)實(shí)現井下無(wú)線(xiàn)通訊是完全可能的，并成功地實(shí)現了井下無(wú)線(xiàn)通訊的設想。在實(shí)驗過(guò)程中，為了進(jìn)一步擴大系統的功用，在語(yǔ)音通信的同時(shí)，系統增加了采集、傳輸多個(gè)傳感器的實(shí)測數據這一功能。實(shí)驗表明，兩者完全可以通信而互不影響。當然，實(shí)驗系統還存在有一些不足之處。例如：系統帶網(wǎng)能力還需加大，以便使傳輸距離更一步增大。性能的增強還需進(jìn)一步研究和更多的實(shí)驗測試。