基于ZigBee的井下長距離無線通訊系統(tǒng)

近年來，隨著同家對能源需求的不斷增加，國家加大了對煤炭資源的開采力度，建立一套完整的井下無線通訊系統(tǒng)將在礦井安全、高效生產中發(fā)揮十分重要的作用。特別是在礦井事故發(fā)生時，一套輕便高效的無線通訊系統(tǒng)顯得尤為重要。但由于井下環(huán)境的特殊性，無線電波在巷道中傳播遇到很大困難，井下無線通訊很難實現(xiàn)。現(xiàn)有煤礦井下無線通信系統(tǒng)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題。長期以來，人們?yōu)楦纳泼旱V井下通信的落后現(xiàn)象一直在不斷地探索和研究，Zigbee協(xié)議正式問世后．建立一套輕便高效的井下無線通訊系統(tǒng)成為了可能。Zigbee技術是一種具有統(tǒng)一技術標準的短距離無線通信技術，具有如下幾個特點：

(1)在組網性能上，可構造星型網絡或者點對點網絡，可容納的最大設備個數為264個，具有較大的網絡容量。

(2)在無線通信技術上，采用CSMA-CA方式，有效地避免了無線電載波之間的沖突。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經過擴頻處理。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量指示能力，根據這些 檢測結果，設備可自動調整設備的發(fā)射功率，在保證通信鏈路質量的條件下，最小地消耗沒備能量。

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

以上幾個優(yōu)點剛好可以滿足井下無線通信系統(tǒng)的要求。

2 系統(tǒng)網絡結構

Zigbee技術是基于IEEE 802.15.4協(xié)議標準的短距離無線通信技術。然而，井下通信要求通信距離比較長，單個結點通信很難滿足要求。利用Zigbee技術組網靈活的特點，系統(tǒng)采用鏈式組網方式來擴大通信距離。系統(tǒng)網絡結構如圖1所示。

系統(tǒng)傳輸距離除了通過提高每個結點模塊接收靈敏度和發(fā)射功率外，整個網絡采用鏈式組網結構，傳輸距離得到成倍向外延伸。系統(tǒng)采用全雙向通信，移動通信頭把語音信號發(fā)送給中繼結點，中繼結點收到信號后再把信號依次傳給下一個結點直到移動通信尾接收到信號，反之亦然。從理論上講，傳輸距離可以無限制延伸。實驗系統(tǒng)證明，在傳輸介質好的條件下，兩中繼結點最大可以傳輸90 m，在井下工作面，中繼結點平均傳輸30 m左右。拐點處，通過放置一對中繼結點完全可以實現(xiàn)穩(wěn)定通信。通過放置多對中繼結點，系統(tǒng)可以實現(xiàn)2～3 km的井下工作面通信。實驗證明只要合理地布置中繼結點，通信效果完全不受地形限制。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

移動通信頭和移動通信尾負責語音信號的處理、發(fā)送和接收，由語音處理模塊、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信號經處理后轉化為數字信號再送給語音處理模塊進行語音處理，從而得到清晰的語音信號。液晶顯示模塊用來顯示系統(tǒng)通信狀態(tài)和顯示各結點的信號強度，從而可以使通話指揮員實時了解整個網絡的通信狀況。RF信號調制采用O-QPSK調制，在調制前，將數據信號進行轉換處理，每4位信息比特組成一個符號數據，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。

中繼結點接收到移動通信端發(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，搜尋下一個通信目標直到整個通信鏈路聯(lián)通。中繼結點的功能框圖如圖4所示。

微控制器為發(fā)射接收模塊提供初始化程序，并對接收信號進行能量檢測，信號指示燈實時顯示信號強度。接收機的能量檢測是信道選擇算法中的一個重要組成部分，為對網絡進行連接管理而提供的一種信道測量。能量檢測的時間為8個符號周期，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描述接收功率的范圍至少為40 dB。在這個范圍之內，接收功率的分貝與能量檢測之間呈線性映射關系，其精度為6 dB。實驗系統(tǒng)采用10格信號來表示85 dB，每減少一格代表信號能量降低6 dB。實驗證明，兩格或兩格信號以上系統(tǒng)具有良好的通話效果，這為了解網絡的通信狀態(tài)提供了方便的通道。

4 硬件設計

本系統(tǒng)采用Silicon Laboratories公司提供的802.15.4和ZigbeeTM無線個域網硬件開發(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(tǒng)通過JTAG連接器在線編程和調試。連接器采用The SiliconLaboratories USB調配器來配置工作。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)及媒體訪問控制器(MAC)層，可組建一個具備65 000個結點的無線網絡，并可隨時擴充，以及具有低功耗、傳輸速率為250 kb／s、較低的快速喚醒時間(小于30 ms)、CSMA／CA信道狀態(tài)偵測等特性。此外，CC2420可以通過4線SPI總線(SI，SO，SCLK，CSn)設置芯片的工作模式，實現(xiàn)讀／寫緩存數據及讀寫狀態(tài)寄存器等，通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設置發(fā)射／接收緩存器，通過CCA管腳狀態(tài)的設置可以控制清除信道估計，通過SFD管腳狀態(tài)的設置可以控制時鐘／定時信息的輸入。

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(guī)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SPI接口)；

(13)采用QLP-48封裝，外形尺寸只有77 mm2。

移動通信端電源部分采用鋰電池LP188270-3.8 V／5 Ah4節(jié)供電，電池輸出經過兩級限流保護，然后用環(huán)氧樹脂灌封為一體，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。通信結點電源采用NiMh-1.2 V／2Ah4節(jié)供電，電池輸出經過1 Ω／30 W限流電阻保護，然后用環(huán)氧樹脂灌封為一體，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。整個系統(tǒng)達到井下安全設備要求。能夠在井下連續(xù)工作8 h以上，基本具有一個工作日的工作時間。

5 軟件開發(fā)

軟件開發(fā)采用Chipcon公司提供的配套開發(fā)工具，包括：評估軟件――SmartRFStudio。通信流程圖如圖5所示。網絡連接原語如下：

具體程序設計在這里不做一一講述。

6 系統(tǒng)測試

裝配成功后，系統(tǒng)具有-85 dBm的分辨率和10 dBm的發(fā)射功率。在實驗巷道和松藻煤電集團一號礦井工作面進行多次測試，系統(tǒng)語音通信效果良好。實驗巷道兩結點最遠能傳輸80 m，14個通訊結點能進行800 m清晰語音傳輸，在井下工作面16個結點可傳輸500 m，成功實現(xiàn)了井下長距離無線通訊。

7 結 語

本文講述了基于Zigbee技術的井下長距離無線通訊系統(tǒng)的設計。實驗結果表明，利用Zigbee技術來實現(xiàn)井下無線通訊是完全可能的，并成功地實現(xiàn)了井下無線通訊的設想。在實驗過程中，為了進一步擴大系統(tǒng)的功用，在語音通信的同時，系統(tǒng)增加了采集、傳輸多個傳感器的實測數據這一功能。實驗表明，兩者完全可以通信而互不影響。當然，實驗系統(tǒng)還存在有一些不足之處。例如：系統(tǒng)帶網能力還需加大，以便使傳輸距離更一步增大。性能的增強還需進一步研究和更多的實驗測試。