基于MESH的本安無線通信裝置的研究

劉小滿，劉建芳，黃其舟

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基于MESH的本安無線通信裝置的研究

劉小滿，劉建芳，黃其舟

摘 要：針對煤礦井下網絡通信中傳統的有線和無線傳輸形式存在的不足，基于MESH技術構建采煤工作面無線監控網絡，實現井下工業以太網的全部覆蓋，對煤礦各系統的遠程監控具有重要意義。對無線MESH交換機的設計過程進行了闡述，并對其工作性能及可靠性進行了測試。結果表明，采煤工作面無線傳輸裝置及網絡工作性能穩定、可靠，效果良好。

關鍵詞：采煤工作面；MESH網絡；礦井通信；無線通信裝置；遠程監控

0　引言

煤礦綜合自動化是煤礦高產、高效和安全生產的保證，而煤礦井下網絡平臺是實現煤礦綜合自動化的基礎。尤其是采煤工作面網絡監控系統的如何監控構建，乃煤礦自動化、信息化發展的根本，成為生產過程中急需解決的問題[1]。目前，煤礦建立的高速工業以太網，用于井下機電裝備以及井下環境參數的監控，主要采用有線網絡方式（光纖+防爆交換機）和傳統的無線網絡通信方式[2]，但是這些方式存在著覆蓋面小、通信不兼容、抗干擾性低、數據傳輸速率小及傳輸距離受限等缺點[3,4]。課題組提出了以無線MESH技術應用到井下采煤工作面的網絡通信中[4-6]，彌補了傳統有線及無線傳輸形式存在的問題和不足。井下無線網絡系統的關鍵部件是無線MESH通信裝置，本文對無線MESH通信裝置的設計過程進行闡述分析，其可以和有線網絡集成，實現煤礦井下工業以太網的全部覆蓋，對煤礦各系統的遠程監控具有重要意義。

1　MESH網絡簡介

無線MESH網絡又為WMN，是一種當前比較新型的網絡模式，具有組建簡單，設置和維護方便的優點[7]。在WMN中，所有的MESH節點都可自主相互連接通信，都具有發送和接收數據的功能。網絡中的任何無線節點都可以同時地多節點間進行網絡通信，WMN的每個節點可以和鄰近節點直接通信，也可以通過一些中間節點連接互相原理不能直接連接的無線路由器，不需要搭建主干網即可構建富有彈性的網絡[8]。任意兩個節點建立連接，從信源到信宿之間存在多跳可以供選擇的通信通道，當一個節點受阻時，數據可以選擇從其他的路徑傳輸下去，而且隨著節點的增減或已有節點位置的改變，具有自適應性。因此，WMN是一種多跳、具有動態自組織和自配置的寬帶無線網絡結構[9]。無線WMN網絡通信可靠、安全系數更高，部署布線費用更低，可覆蓋范圍更大，環境要求更低，MESH技術主要應用于軍事，但目前也已經廣泛應用于校園網、城市智能交通系統和一些需要快速部署、臨時安裝的場合，并取得了良好的效果。

2　設計過程

基于 MESH技術的采煤工作面無線網絡，由采煤機上安裝位移、傾角傳感器接入機載控制器、機載控制器接入機載MESH交換機、網絡攝像頭接入液壓支架裝載的MESH而構建通信，網絡系統中的關鍵部件無線 MESH交換機。MESH是Wi-Fi技術的進一步延伸，通常的無線交換裝備主要應用于地面及正常環境下的網絡傳輸，還沒有本安型的無線交換機。本文設計的符合煤礦安全要求的設備，適用于煤礦井下運動機電裝備的工況信息傳輸（特別是綜采工作面的機電裝備）。本安型無線MESH交換機的原理圖如圖1所示：

圖1　本安型無線交換機原理圖

其主要組成結構包括：

1）U1核心處理模塊：由32位網絡處理器組成，該模塊為該交換機的核心，負責對其它模塊的控制和通訊。該模塊采用嵌入式體系結構，該網絡處理器具有533兆赫的英特爾 Xscale RISC核心，三個網絡處理器引擎，兩個配備有MII/RMII介面的10/100Base-T以太網MAC以及兩個UART。工作溫度負-40℃-85℃。微處理器的端口電壓 3.3V，功耗1W，具有高性能和低功耗的特性，容易滿足煤礦安全標準。

2）U2-U3 程序存儲模塊：是一個高速的同步動態隨機存取存儲器（4M Words×4banks×16bits），時鐘頻率143MHz，該芯片能夠滿足PC機的工業標準，采用低功耗設計，工作電壓3.3V，工作電流低于1mA，工作溫度-40℃-80℃。用于存放嵌入式操作系統、已調試好的用戶應用程序以及在系統掉電后需要保存的用戶數據等。

3）U4 數據存儲模塊：該模塊是Intel公司生產的一種Strata Flash閃存，在本裝置中的功能是實現代碼執行以及數據存儲，它是當今市場中應用最為廣泛的多級單元（Multilevel cell，MLC）產品，能夠讓單個存儲單元在相同空間保存2倍的數據量。

4）U5 Mini PCI 總線插槽：該模塊是Mini PCI無線網卡的標準接口。Mini PCI插槽是在PCI的基礎上發展起來的，在本裝置中用于無線網卡的安裝。

5） U6 無線傳輸模塊：該模塊為Intel公司生產的Mini PCI-type3無線網卡，完全符合 IEEE802.11g標準，兼容IEEE802.11b標準，提供最高達54Mbps的數據傳輸率。該模塊主要負責CPU處理以后數據的無線傳輸，并可以和其它網絡設備組網使用。

6）U7 以太網數據交換模塊：為以太網交換控制器，用于以太網的數據交換操作，具有接收和發送數據的功能[10]。它具有高性能、低成本和高集成的特點，具有5個自動檢測的 10/100Mbs全/半雙工端口，一個 10/100介質訪問控制(MAC)，所有的端口支持10/100Mbs的全/半雙工數據傳輸[11]。該交換模塊內嵌SRAM用于數據包緩沖，為了得到優化的存貯應用，地址表被分為256個塊。內嵌的智能算法可以使其能夠辨識2048個MAC地址。

7）U8 通訊網絡變壓器：通訊網絡變壓器是以太網收發芯片連接終端設備接口的磁性組件，在其二者之間起著信號傳輸、阻抗匹配、波形修復、信號雜波抑制和高電壓隔離作用[12]。

8）U9 電源模塊：本儀器采用由本安型DC12V電源供電。但本儀器的主板工作電壓為 5V，主要芯片工作電壓為3.3V和 1.3V電源，需進行電壓變換。U10電源模塊采用International Rectifier公司生產的電源調節器 IRF7416和CSS1031把DC12V轉換為5V和3.3V，然后再通過電源調節器LP3965ES，把3.3V轉換為1.3V和2.5V。

3　工作原理

當數據通過RJ45接口傳輸到該無線交換機時，經過通訊網絡變壓器（U8）和以太網數據交換模塊（U7）傳輸到核心處理模塊（U1），U1調用程序存儲模塊（U2、U3）中的程序對數據進行分析并打包處理，將打包后的數據包送入數據存儲模塊（U4）。同時U1調用程序進行分析計算，賦予數據包將要達到的目的地的標簽，這一步驟確定了數據包將要到達的地址。然后由U1調用U2和U3中的程序進行路由計算，決定該數據包經由哪個路徑發送到其目的地節點，并對數據包加密。U1通過和Mini PCI總線插槽（U5）將數據傳輸到無線傳輸模塊（U6），無線傳輸模塊通過無線的方式發送該數據包。

同理，當在數據經由無線傳輸模塊（U6）接收時，U6通過U5和U1通訊，U1調用程序存儲模塊（U2、U3）中的程序對數據進行分析并打包處理，將打包后的數據包送入數據存儲模塊（U4）。同時U1調用程序進行分析計算，賦予數據包將要達到的目的地的標簽，這一步驟確定了數據包將要到達的地址。然后由U1調用U2和U3中的程序進行路由計算，決定該數據包經由哪個路徑發送到其目的地節點，并對數據包加密。U1 通過以太網數據交換模塊（U7）和通訊網絡變壓器（U8），將數據通過 RJ45端口進行傳輸，實現和其他具有RJ45接口的工業設備的通信。

4　技術特點

1）根據爆炸性氣體環境用電氣設備通用要求GB3836.1 -2000以及本質安全型要求GB3836.4-2000設計。

2） 低功耗設計，主板工作電壓5V，正常工作電流0.6A，峰值電流小于1A。

3）為了降低本裝置的功耗，利用外置本安電源供電。

4）安全性能高，采用工業級芯片，適合煤礦井下的惡劣工作環境。

5）煤礦井下無線傳輸帶寬大于25Mbps。

6）煤礦井下無線傳輸距離大于等于50m。

7）工作環境：溫度范圍在-20~40度，工作環境濕度≥85%。

8）本無線交換機具有路由功能。

9）本交換機具有有線轉接無線和無線轉接有線的功能。

10）具有多跳（Multi-Hop）功能及自適應性。

5　現場試驗

為了驗證本安型無線交換機的工作性能及可靠性，先后在平煤股份二礦和十三礦的綜采工作面進行了本安型無線交換機和無線網絡管理系統的工業性試驗。試驗過程中通過工業環網把采煤機的信息及狀態傳輸到地面，采煤機的狀態及遠程控制信息傳輸流暢、視頻清晰。并能根據采集到的采煤機公開參數，對采煤機進行故障診斷、報警和自動保護。通過工業性試驗，證明該采煤工作面無線傳輸裝備及網絡工作性能穩定、可靠，效果良好，可以用于煤礦井下信息的無線傳輸，并基于監測信息實現設備工況參數的遠程監測和控制。

6　總結

基于MESH技術的本安無線交換機，具有多跳功能及自適應性，結合高速以太網構建的煤礦工作面無線網絡管理系統，實現了采煤面現場工作狀態的遠程監控，對煤礦井下以太網的全部覆蓋具有重要的推動作用。本文對本安無線交換機的設計過程進行了闡述，并對其工作性能及可靠性進行了測試。結果表明，采煤工作面無線傳輸裝置及網絡工作性能穩定、可靠，效果良好。

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中圖分類號：TP393.02

文獻標志碼：A

文章編號：1007-757X(2016)07-0050-03

收稿日期：（2016.04.21）

作者簡介：劉小滿（1987-），女，河南鄧州人，平頂山學院，助教，碩士，研究方向：計算機應用、軟件開發方面的教學與研究工作，平頂山，467000劉建芳（1983-），女，湖北宜城人，平頂山學院，講師，碩士，研究方向：Web智能、軟件工程、算法研究方面的教學與研究工作，平頂山，467000黃其舟（1964-），男，河南平頂山人，平頂山學院，高級工程師，研究方向：礦井機電自動化方面的研究工作，平頂山，467000

Study on Intrinsically Safe Wireless Communication Device by MESH

Liu Xiaoman1, Liu Jianfang1, Huang Qizhou2
(1. Renmin University of China, Beijing 100872, China; 2. Petrochina Planning and Engineering Institute, Beijing 100083, China)

Abstract:According to the insufficient form of traditional wired network and wireless transmission in coal mine communication, wireless monitoring networks of coal face is constructed based on MESH technology，which achieves full coverage of underground industrial Ethernet，and is great significance for the remote monitoring of each coal mine system. This paper describes the design process of wireless MESH switches，and their performance and reliability are tested. The experiment shows that the wireless transmission devices and network of coal face has stable and reliable performance and good effect.

Key words:Coal Face; MESH Network; Mine Communication; Wireless Communication Device; Remote Monitoring