煤礦安全監控網絡的研究與設計*

計 宏

(西安科技大學網絡中心)

目前，煤礦安全監控網絡主要采用2種組網方式:有線通信網絡與無線通信網絡。基于現場總線技術的有線通信網絡具有可靠性高、實時性強、價格低廉等優點。其中，CAN總線以其卓越的性能以及優異的可靠性，成為應用最廣泛的一種標準現場總線［1］。但是，有線通信網絡存在系統布局不方便、監控容易出現死角、對線路依賴性強等不足［2］。例如，應用于綜采工作面液壓支架的壓力監測系統，傳感器數量多，液壓支架需要根據工作進度進行移駕，同時工作面環境復雜，這都增加了有線通信網絡建立與擴展的難度，限制了其應用［3］。

隨著傳感器及無線通信技術的發展，無線通信網絡技術在井下安全監控系統中的應用受到越來越多的關注。當前用于煤礦安全監控系統的無線通信技術有紅外技術、WiFi技術、藍牙技術與ZigBee技術等。無線通信網絡具有組網靈活、自組織、環境適應性等特點［4］。但是，無線通信網絡技術在煤礦安全監測系統中的應用也面臨著許多挑戰。例如，由于無線傳輸路徑損耗以及噪聲干擾影響信號傳輸的可靠性;為了提高信號傳輸的可靠性，降低網絡節點的能耗，需要采用短距、多跳路由的組網方式，這將增加組網的復雜性以及成本;基于以上原因，對無線傳感網絡的維護也面臨巨大的困難［5］。

本研究針對當前煤礦安全監控系統存在的不足，結合煤礦特殊的環境條件，提出一種有線與無線通信網絡相結合的組網方式，采用差錯控制編碼技術提高無線通信網絡的可靠性，并給出監控系統的軟硬件設計方法。

1 總體方案設計

鑒于煤礦復雜、惡劣的工作環境以及有線與無線通信網絡的特點，從可靠性以及經濟角度出發，煤礦安全監控網絡采用有線與無線通信網絡相結合的組網方式。系統結構框圖如圖1所示。具體來說，井上采用CAN總線將采集到的信息傳輸給上位機。井下則分2種情況:①針對開拓巷道，如主副井、運輸大巷、回風大巷、井底車場等受采動影響小、工作環境較穩定、信號傳輸距離遠的區域，有利于CAN總線網絡的鋪設，發揮有線通信網絡的高可靠性、高實時性和低成本優勢;②而對于采準巷道，如工作面運輸巷、采區車場等受采動影響大，巷道壓力大，圍巖變形速度快的小范圍區域，采用基于ZigBee技術的無線通信網絡，既可以簡單、靈活地進行組網，又不會對系統的可靠性及成本造成影響。

圖1 煤礦安全監控系統拓撲結構

該安全監控系統主要由上位機系統、智能節點、協調器節點和終端節點組成。其中，上位機作為安全監控系統的信息處理中心，通過CAN總線與智能節點和協調器節點進行信息交換，以實現對現場的監測與控制。智能節點是以微處理器為核心的信息采集或現場控制節點。協調器節點是現場局部無線網絡的中心，采用主從式無線網絡控制協議實現對多個終端節點的管理。終端節點同樣是以微處理器為核心的信息采集或現場控制節點，通過ZigBee無線網絡與局部協調器節點進行信息交換。

2 ZigBee無線網絡的差錯控制編碼

通過上節介紹可以知道，ZigBee無線網絡被用于在小范圍內組網，這在一定程度上克服了無線通信網絡可靠性與成本之間的矛盾。但是，采準巷道通常比較狹窄，巷道壁結構復雜、平整性差，從而產生電磁波多徑傳播現象，導致接收信號出現頻率選擇性衰落和時延擴展;由礦用電機車架空接觸線火花等產生的電磁干擾也會影響無線信號的傳輸。因此，為了提高安全測控網絡中無線信號傳輸的穩定性和可靠性，采用差錯控制編碼技術降低比特誤碼率是非常必要的。

前向糾錯線性分組碼是一類應用廣泛的差錯控制編碼方法，其實現方法是在發端給被傳輸的信息碼元附上一定數量的監督碼元，信息碼元與監督碼元之間以線性檢驗關系相互關聯。在收端通過檢驗信息碼元與監督碼元之間是否滿足線性檢驗關系，可以發現傳輸錯誤及至糾正傳輸錯誤。在實際應用中，分組碼設計的主要依據是信道的信噪比情況。信噪比越小，信道傳輸信號的誤碼率越高，分組碼需要越強的糾錯能力，也就需要更加復雜的硬件來實現。為了以最簡單的分組碼達到比特誤碼率指標，設計工作的第1步是了解信道中的噪聲及其對信號傳輸的影響。

通過建立信道模型得到信道差錯統計數據，如信道轉移概率pe(誤碼率)、長為n的碼組出現m個錯誤碼元的碼組概率p(n，m)(錯組率)、出現大于等于m個錯誤碼元的碼組概率p(n≥m)，是分析分組碼性能的有效手段。煤礦巷道信道是一種典型的有記憶信道，即信道中同時包含高斯噪聲和突發噪聲。修正二進制對稱信道模型能夠較準確地描述有記憶信道特征，其由2個參數確定:誤碼率pe反映信道的信噪比情況，通過對信道實測數據進行統計得到;錯誤密度指數α反映差錯碼元之間的相關程度(記憶性)，α越大，錯誤碼元之間的相關性越大，其在m/n＜0.5時可以由m階錯誤密度γm(n)表示為

其中，m階錯誤密度γm(n)由實測數據統計的錯組率表示，

利用修正二進制對稱信道模型計算錯組率:

其中，

由以上的討論可知，在進行分組碼設計之前，首先需要確定式(3)中的2個參數pe和α。文獻［6］提出一種礦井巷道的信道模型，本研究利用該信道模型建立礦井巷道無線通信仿真系統，通過仿真實驗得到有關參數pe和α的統計數據，仿真系統結構如圖2所示。

圖2 信道誤碼率仿真系統結構

仿真系統中，傳輸比特率定義為1 000 bps。傳輸信號由信源模塊產生二進制單極性信號，采樣頻率設置為0.001 s。礦井巷道信道采樣由S－Function定義的信道模塊。誤碼率計算模塊將誤碼統計結果輸出到Matlab工作空間，同時也將結果輸出到端口，通過顯示模塊顯示出來。顯示模塊中分別顯示誤碼率、總誤碼數目以及總統計碼組數目。由圖2可知礦井巷道信道的信道轉移概率pe=0.012 7，根據統計結果可得到錯誤密度指數α=0.252 3。

在得到礦井巷道信道模型之后，通過分析比較不同碼長和糾錯能力的分組碼，進行差錯控制系統的性能分析和設計。在這里使用純糾錯前向差錯控制方法，設糾正t個隨機錯誤的二進制線性分組碼(n，k，2t)，其中每一個碼組的總碼長為n位，信息碼長為k位，監督碼長為r=n－k。2k個許用碼組等概率發送，則碼組通過誤碼率為pe=0.012 7的巷道信道后，收端得到的碼組錯誤概率是［7］

其中，0≤αm≤1為糾錯系數。通常線性分組碼可以由式(5)得到錯誤概率的上限:

將巷道的信道模型(3)代入式(6)可得

當(m/n)＜0.3時，式(3)可進一步簡化為

則式(7)可以重新整理為

由式(9)可知，當信道的信噪比一定時(由pe反映)，信道傳輸的錯誤概率與碼長n和糾錯能力t的比值有關，同時其最大值與錯組率和編碼效率(R=k/n)有關。分組碼糾錯能力對比見表1所示。

表1 分組碼糾錯能力對比

由表1可知，n/(t+1)越小，錯組率越低，即編碼的糾錯能力越強。在碼長相同的情況下，糾錯能力越強(t越大)，n/(t+1)越小，但是編碼效率也越低。另一方面，隨著碼長的增加，編碼效率隨之增強，但是因為n/(t+1)增大，錯組率也隨之增加。通過以上分析可以知道，通常提高編碼效率與提高糾錯能力是相互矛盾的，無法同時實現;尤其是對于噪聲嚴重、信噪比小的信道，隨著n/(t+1)增大，錯組率將顯著地增加，如表 1中的(255，223)與(255，239)。因此，考慮到安全監控系統的無線傳輸數據量較小，系統對可靠性要求較高，所以編碼應選擇中、小碼，并且以提高糾錯能力為主。因此，在安全監控系統中可以選擇(15，9)，在保證較強糾錯能力的同時，兼顧編碼效率。

3 系統硬件設計

3.1 智能節點硬件電路

智能節點直接與CAN總線連接，用于現場的實時監測與控制。其核心采用德州儀器(TI)推出的MSP430微控制器，MSP430將智能外設、易用性、低成本以及業界最低功耗等優異特性完美地結合在一起。CAN控制器與總線收發器分別選擇PHILIPS公司的SJA1000以及82C250。SJA1000支持CAN 2.0A/B協議，具有多主結構、總線訪問優先權及硬件濾波等功能。82C250作為CAN控制器與物理總線間的接口，不僅能夠提供對總線的差動收發能力，具有抗干擾、保護總線的能力，而且能夠提高總線驅動能力，支持多達110個節點以1 Mbps的速率工作于惡劣電氣環境。針對不同的環境變量，采用相應的傳感器或作動器實現信號采集或設備控制。智能節點硬件電路的結構框圖如圖3。

圖3 智能節點硬件電路結構框圖

智能節點的工作過程是通過觀測器采集各種環境變量信息，經過信號隔離、調理電路后送人MSP430的模數轉換(A/D)接口，之后通過CAN總線將信息傳輸給上位機;上位機整合、處理各個節點的信息，通過CAN總線向需要調控的節點發送控制信號;智能節點接收到控制信號后，根據被控變量的特點，例如關于水泵流量的模擬變量或繼電器開闔的開關變量，將控制信號進行數模轉換(D/A)或進行位操作。

3.2 協調器節點硬件電路

協調器節點的作用是作為一個通信樞紐，實現上位機與多個終端節點的無線通信，其硬件電路結構框圖如圖4。

圖4 協調器節點硬件電路結構框圖

協調器節點的主要組成:MSP430、CAN總線接口和ZigBee通信接口。ZigBee通信接口電路采用TI的無線射頻模塊CC2420，其僅需晶振、天線等少量外圍電路就能構成射頻收發接口。MSP430與CC2420采用SPI主從工作模式，來自終端節點的無線信號經過CC2420存入MSP430的存儲器中，定時向上位機發送;同時，來自上位機的控制信號由MSP430控制經過CC2420發送給終端節點。

3.3 終端節點硬件電路

終端節點的硬件電路框圖如圖5，其主要由3部分構成:MSP430、ZigBee通信接口、現場傳感器電路或作動器電路。其功能與智能節點類似，兩者的主要區別是前者采用無線通信方式與上位機連接，而后者采用有線通信方式與上位機連接。

圖5 終端節點硬件電路框圖

4 系統軟件設計

安全監控系統的軟件分為2部分:第一部分設計CAN通信協議在應用層上的功能實現，主要包括初始化、接收和發送［8］。初始化程序通過設置CAN控制器SJA1000的寄存器，確定CAN總線網絡的工作方式。接收程序實現MSP430從SJA1000的接收緩沖區進行數據讀取，并釋放接收緩沖區，準備接收下一數據幀。發送程序是MSP430將數據幀寫入SJA1000的發送緩沖區，同時啟動發送命令。因為CAN總線網絡采用非破壞性總線仲裁與多主工作方式，當總線空閑時，總線上任一智能節點或協調器節點可以占用總線;當有多個節點同時發送數據幀時，則優先級低的節點主動退出發送，而優先級高的節點可以不受影響地發送。

軟件的第二部分包括ZigBee通信協議的建立和應用層功能實現［9］。建立一個新ZigBee網絡的程序需要網絡層管理實體(NLME)通過原語NLMENETWORK－FORMATION.Request發起。當這個程序發起后，NLME通過發出原語NLMESCAN.Request來請求媒體訪問控制(MAC)子層對一組指定信道進行能量檢測掃描，以尋找可能的干擾。NLME在收到能量檢測掃描結果后，對其中可接受信道進行主動掃描，以便選擇一個新網絡最好的信道。如果找到一個合適的信道，NLME將為新網絡選擇一個個人區域網絡(PAN)標識符，并且向MAC子層請求開始運行新的PAN。NLME接收到PAN啟動的狀態標志著以ZigBee協調器為中心的網絡建立。還未加入網絡的終端節點通過發出原語NLME－NETWORK－DISCOVERY.Request請求加入網絡，此時網絡層(NWK)層請求MAC子層執行一個被動或主動掃描。一旦MAC子層通過MLME－SCAN.Confirm發送掃描完成信號給NLME，NWK層必須發出NLME－NETWORK－DISCOVERY.Confirm原語，包含每個偵聽網絡的一個描述。在NLME收到上述原語后，通過發出NLME－JOIN.request從已發現的網絡中選擇一個網絡加入。此時NWK層通過查詢NLME的鄰居表確定一個合適的父節點設備，而NLME通過原語MLME－ASSOCIATE.requst向MAC子層請求連接，并得到一個唯一的16位邏輯地址，以便子節點在未來的傳輸中使用。在組網的基礎上可以通過傳感器和作動器實現對現場的安全監控。圖6為ZigBee網絡程序的一個流程圖。

圖6 ZigBee網絡程序流程

5 結論

針對目前煤礦安全監控系統所采用的有線組網與無線組網方式的不足，本研究充分考慮煤礦具體的開拓結構，提出一種有線與無線相結合的組網形式，既發揮了有線網絡的實時性與可靠性，也發揮了無線網絡組網靈活、簡單的優勢。針對煤礦巷道信道的復雜性，分析了無線通信差錯控制編碼技術在巷道信道中的應用，給出了具體的設計方法和步驟。該系統具有良好的可靠性與實時性，對提高煤礦安全生產具有重要的意義。

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