淺析基于紫蜂技術(shù)的采煤機(jī)無(wú)線通信系統(tǒng)

摘 要：基于紫蜂技術(shù)的采煤機(jī)無(wú)線通信具有近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的特點(diǎn)。文章主要是對(duì)紫蜂技術(shù)支持下的采煤機(jī)無(wú)線通信系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析。

關(guān)鍵詞：紫蜂技術(shù) 采煤機(jī) 通信

中圖分類號(hào)：TD676 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）04（b）-0040-01

近年來(lái)，全國(guó)各地小型煤礦不斷發(fā)生煤礦事故，給國(guó)家和人民的生命財(cái)產(chǎn)造成了重大的損失。煤礦事故的發(fā)生原因是多方面的，但是，人為因素是直接誘發(fā)事故的導(dǎo)火索。與世界上先進(jìn)的采煤國(guó)家相比，我國(guó)煤炭產(chǎn)業(yè)還比較落后。大型礦井多處于機(jī)械化、自動(dòng)化綜采的初期階段。部分小型煤礦仍然普遍采用人工作業(yè)的生產(chǎn)方式。這些傳統(tǒng)的作業(yè)方式是事故發(fā)生的溫床。因此，研究開(kāi)發(fā)可靠性高、安全性好、工作效率強(qiáng)的煤礦開(kāi)采設(shè)備是我國(guó)采礦業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

1 紫蜂通信技術(shù)介紹

紫蜂（ZigBee）技術(shù)是一種具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無(wú)線通信技術(shù)，它具有近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的特點(diǎn)。主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。紫蜂技術(shù)的工作頻段分為868 MHz、915 MHz和2.4 GHz 3個(gè)頻段，這3個(gè)工作頻段相距較大。915 MHz信道個(gè)數(shù)為10個(gè)，傳輸速率為40 kbps。868 MHz信道個(gè)數(shù)為1個(gè)，傳輸速率為20 kbps。2.4 GHz 信道個(gè)數(shù)為16個(gè)，傳輸速率為250 kbps。該頻段為全球通用的工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)（ISM）頻段，無(wú)需付費(fèi)和申請(qǐng)。

基于紫蜂技術(shù)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)采用多種節(jié)電的工作模式，設(shè)備功耗低，最大功耗僅為1～3 MW。采用了CSMA-CA碰撞避免機(jī)制、幀確認(rèn)以及數(shù)據(jù)校驗(yàn)等，通信可靠性強(qiáng)，為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，可以有效的避免發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的沖突問(wèn)題。可采用星型、樹型和網(wǎng)狀型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最多可掛載254個(gè)子節(jié)點(diǎn)，最多可組成具有65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)容量高。采用格柵狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，智能性的路由節(jié)點(diǎn)可以使接入點(diǎn)無(wú)須經(jīng)過(guò)中央交換機(jī)點(diǎn)即可相互通信，對(duì)于故障的產(chǎn)生具有很強(qiáng)的預(yù)防作用，同時(shí)還提供了自愈和自我組織的功能。網(wǎng)絡(luò)提供了三級(jí)安全模式，可靈活確定其安全屬性，因此數(shù)據(jù)安全性高。

網(wǎng)絡(luò)層（NWK）是位于MAC層之上與應(yīng)用層交互的一個(gè)協(xié)議層。網(wǎng)絡(luò)層邏輯上包含數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體（NLDE）和管理服務(wù)實(shí)體（NLME） 兩個(gè)服務(wù)實(shí)體。NLDE一SAP是網(wǎng)絡(luò)層提供給應(yīng)用層的數(shù)據(jù)服務(wù)接口。NLME一SAP是網(wǎng)絡(luò)層給應(yīng)用層提供的管理服務(wù)接口。應(yīng)用層是由應(yīng)用支持子層（APS）、用戶應(yīng)用程序、紫蜂網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置層組成。應(yīng)用支持層的功能包括：維持綁定表、在綁定的設(shè)備之間傳送消息。

2 紫蜂無(wú)線組網(wǎng)

通信系統(tǒng)是是聯(lián)系井上監(jiān)控中心和井下采煤機(jī)的橋梁，是整個(gè)采煤機(jī)系統(tǒng)的信息交換通道。通信系統(tǒng)的通暢關(guān)系到整個(gè)遙控采煤機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。井上監(jiān)控中心所下達(dá)的各項(xiàng)動(dòng)作指令要通過(guò)通信系統(tǒng)傳送給井下采煤機(jī)終端；井下采煤機(jī)終端的所有采集信息、動(dòng)作參數(shù)等需要通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)上傳到井上監(jiān)控中心。通過(guò)各種通信技術(shù)的比較我們可以看出紅外技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)的有效傳輸距離較短；超寬帶無(wú)線通信技術(shù)傳輸距離有限，隔墻穿透能力不好；數(shù)字增強(qiáng)無(wú)繩電話技術(shù)主要針對(duì)家庭用戶，易受到多徑影響；IEEE 802.11 系列技術(shù)架設(shè)網(wǎng)絡(luò)的費(fèi)用較高。使用基于紫蜂（ZigBee）技術(shù)的無(wú)線通信單元，組網(wǎng)簡(jiǎn)單、通信可靠、功率低，能夠很好的滿足井下通信的需求。

2.1 紫蜂通信終端選型

ZigBee模塊ZICM2410P2模塊內(nèi)嵌串口透明傳輸通信協(xié)議，支持空中升級(jí)固件或配置遠(yuǎn)程模塊信息。其具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：高達(dá)7dBm的功率輸出和-100dBm的接受靈敏度；采用單芯片設(shè)計(jì)方案，抗干擾能力更強(qiáng)；具有Turbo模式（500Kbps）和Premium（1Mbps）模式；具有豐富的接口類型；硬件128位AES加密，具有高安全性。

2.2 紫蜂通信協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)

IEEE無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)工作頻段為868/915 MHz和2.4 GHz，是一種經(jīng)濟(jì)、高效、低速率的無(wú)線技術(shù)網(wǎng)絡(luò)層。按照OSI模型，ZigBee網(wǎng)絡(luò)可分為物理層（PYH）、媒體訪問(wèn)控制層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)/安全層（NWK）和應(yīng)用層（APL）4層。根據(jù) IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，物理層定義了3個(gè)載波頻段用于接收/發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.3 紫蜂網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)層支持星型、樹型和網(wǎng)狀型三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)狀型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，設(shè)備之間使用完全對(duì)等的通信方式，在網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍內(nèi)，所有全功能節(jié)點(diǎn)之間均能夠進(jìn)行直接通信。可以采用多跳的傳輸方式增大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。這種結(jié)構(gòu)適用于大規(guī)模的工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器和多個(gè)終端設(shè)備組成。所有的終端設(shè)備間通信必須通過(guò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。樹型網(wǎng)絡(luò)路由器由全功能設(shè)備擔(dān)當(dāng)，可以增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。終端設(shè)備可以成為路由器的子設(shè)備或者是成為協(xié)調(diào)器的子設(shè)備。

本設(shè)計(jì)中采用廣州致遠(yuǎn)電子有限公司代理的CEL公司的ZigBee模塊ZICM2410P2。采用的2.4 GHz頻段為全球統(tǒng)一的無(wú)需申請(qǐng)的ISM頻段。為了避免 2.4 GHz附近各種無(wú)線通信設(shè)備的干擾，同時(shí)引入868 MHz頻段和915 MHz頻段。物理層的碼片調(diào)制方式采用帶有二進(jìn)制移相鍵控（BPSK）的直接序列擴(kuò)頻（DSSS）技術(shù)。采用樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)。

3 結(jié)語(yǔ)

基于紫蜂技術(shù)的采煤機(jī)無(wú)線通信系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控井下的情況，操控人員通過(guò)遠(yuǎn)程操作在監(jiān)控中心對(duì)井下的開(kāi)采機(jī)械進(jìn)行控制。該通信網(wǎng)絡(luò)省去了布線的麻煩，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)配置，節(jié)省了布網(wǎng)的成本，因此非常適用于小型煤礦的開(kāi)采工作。

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