0 引言
該系統(tǒng)是基于CAN和ZigBee技術(shù)的井下無線通信系統(tǒng)。主要作用是使礦山井下作業(yè)人員能較方便的進行雙向無線通信,并輔助實時人員跟蹤,便于企業(yè)合理的調(diào)度和管理,特別是礦難發(fā)生時,在原有線通信系統(tǒng)損害的情況下,對救援受困人員起很大的作用。
ZigBee是一種新興的基于IEEE 802.15.4短距離,低功耗的無線通信技術(shù),主要適用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域,可以嵌入到各種設(shè)備中,ZigBee技術(shù)可以用很少的能量在數(shù)千個微小的節(jié)點之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信,以接力的方式通過無線電波數(shù)據(jù)從一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳到另一個節(jié)點,通信效率非常高。
CAN(Controller Area Network,CAN)是ISO國際標準化的串行通信協(xié)議,由1986年德國Bosch公司開發(fā)的,CAN總線已成為嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標準總線,廣泛的應(yīng)用于工業(yè)自動化、醫(yī)療設(shè)備、汽車等方面。
1 系統(tǒng)基本組成與工作原理
1.1 系統(tǒng)組成
結(jié)合煤礦應(yīng)用的特殊情況,煤礦井下無線通信系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,由井上的上位機、通信接口及井下的CAN總線、ZigBee通信基站和ZigBee通信終端5部分組成,如圖1所示。
1.1.1 Can總線硬件組成
CAN總線使用兩端連接120 Ω終端電阻雙絞線通過通信接口連接到上位機,并與井下的各個ZigBee通信基站連接。當距離大于10 km時,在合適位置增加CANbridge網(wǎng)橋,改變網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu),增加連接設(shè)備的能力。
1.1.2 ZigBee通信基站組成
通信基站分CAN節(jié)點、微控制器、ZigBee節(jié)點3個部分,如圖2所示。
其中CAN節(jié)點由CAN控制器、CAN驅(qū)動器、光電隔離模塊3部分組成,CAN控制器模塊選用TM320F2812,其中集成了CAN控制器,提供了完整的CAN協(xié)議。收發(fā)控制器采用PHZLZPS公司生產(chǎn)的PCA62C250。使用6N137光電耦合器使PCA62C250與TMS320F2812隔離,實現(xiàn)各CAN節(jié)點接的電氣隔離。
ZigBee可在868 MHz,915 MHz和2.4 GHz 3個頻段上進行。由于煤礦巷道的特殊結(jié)構(gòu)和材料組成,不同頻率無線波在巷道中的衰減、受干擾程度不同,總體上頻段越高,衰減、受干擾的越小,所以選擇使用2.4GHz的頻段,采用Chipcon公司的CC2420,CC2420是IEEE802.15.4標準的低功耗單片集成度高的芯片。工作在2.4 GHz免費頻帶上。
1.1.3 移動通信終端組成
如圖3所示,ZigBee通信模塊選擇CC2420,語音處理模塊負責上下行語音的數(shù)模轉(zhuǎn)換,液晶屏與鍵盤負責人機交互,麥克負責語音的收集,喇叭負責語音的播放,電源可用充電電池。
1.2 工作原理
系統(tǒng)共有4個關(guān)鍵步驟,如圖4所示。
(1)ZigBee移動終端由工作人員帶入巷道,包含該終端地址和數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包以射頻信號與ZigBee通信基站握手。
(2)ZigBee基站接收到射頻信號經(jīng)處理后得到該數(shù)據(jù)包的地址和數(shù)據(jù)信息,以及天線信號參數(shù),轉(zhuǎn)發(fā)給CAN總線。
(3)CAN總線對經(jīng)MCU處理過的ZigBee基站解析的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機,該數(shù)據(jù)包包含移動ZigBee終端的ID號、數(shù)據(jù)及天線信號參數(shù)。
(4)上位機軟件解析CAN數(shù)據(jù)包發(fā)送的數(shù)據(jù),如沒有呼叫則登記并管理該ZigBee通信終端的位置、電量、信號等參數(shù)。如該ZigBee終端呼叫其他終端則后臺軟件進行路由判斷,并與被呼叫終端建立路由,路由建立后進行語音數(shù)據(jù)傳輸,完成語音通信。
1.3 上位機軟件
上位機軟件采用.NET平臺開發(fā),數(shù)據(jù)庫采用SQL2008,整個軟件模塊如圖5所示。
2 結(jié)語
相對于現(xiàn)煤礦已應(yīng)用的井下無線通信系統(tǒng),小靈通和WIFI技術(shù),本文提供了一種較新的技術(shù)實現(xiàn)方式。ZigBee具有低成本、數(shù)據(jù)傳輸可靠、低功耗、節(jié)點通信設(shè)置易于配置、安全及技術(shù)相對成熟的特點。經(jīng)驗證,該系統(tǒng)更好的滿足了井下無線通信的功能。