煤礦井下TD無線數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計

張曉莉，劉 磊

(西安科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，陜西西安 710054)

我國煤炭主要依靠井下開采，而且高瓦斯礦井多，瓦斯泄漏、透水事故多發(fā)。因此，快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測井下瓦斯?jié)舛?、礦井壓力等信息，并把這些物理信息控制在安全范圍內(nèi)，是避免礦井事故的有效手段。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展及其成熟運用，應(yīng)國家對煤炭產(chǎn)業(yè)安全化、信息化的要求，無線通信技術(shù)在礦井中得到廣泛運用[1]。為對井下環(huán)境、人員健康和安全狀況等大量信息進(jìn)行監(jiān)測并及時報警，文中設(shè)計了一種適合煤礦井下無線通信網(wǎng)絡(luò)的信息采集系統(tǒng)，可以手持或掛于巷壁。該系統(tǒng)硬件采用聯(lián)芯科技的TD終端LC6311(+)作為無線傳輸平臺，以低功耗著稱的MSP430單片機作為主控單元，給出了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方案，外部接口豐富，配置簡單，可以很好地與外部傳感器或傳輸模塊互連[2]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該煤炭專用網(wǎng)絡(luò)集成了公網(wǎng)通信的主體功能，相當(dāng)于小型化TD-SCDMA無線通信系統(tǒng)，支持實時語音、數(shù)據(jù)傳輸以及實時調(diào)度等，還可實現(xiàn)煤礦信息共享，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查詢等功能[3]。系統(tǒng)中井下基站為本質(zhì)安全型設(shè)計，井下設(shè)備全部采用光纜連接，不涉及任何電信號，安全可靠，不會有打火的危險。井下采集數(shù)據(jù)通過綜合接入控制設(shè)備連接至地面控制平臺，也可以連接PSTN或者移動網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離交互。TD-SCDMA煤炭專網(wǎng)的覆蓋，可同時解決煤礦井上、井下的通信調(diào)度問題，達(dá)到縱向調(diào)度靈活可靠，礦區(qū)內(nèi)外通信暢通無阻，不僅能滿足日常安全生產(chǎn)的通信需要，而且能夠保證在自然災(zāi)害和礦井事故發(fā)生時進(jìn)行應(yīng)急指揮通信，從而有效降低人員傷亡與財產(chǎn)損失。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計圖

利用TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)高速的Internet接入，選擇采集終端設(shè)備與基站間采用TD無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合Internet的組網(wǎng)方案。基站連接Internet網(wǎng)絡(luò)，終端設(shè)備登錄TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)建立與基站之間的連接。TD-SCDMA無線應(yīng)用的組網(wǎng)方式有多種，在實際應(yīng)用中可以使用公網(wǎng)固定IP、動態(tài)域名解析、APN專線接入等方案[4]。

2 礦用采集終端的硬件設(shè)計

礦用數(shù)據(jù)采集終端由以下3部分組成:主處理單元、TD無線傳輸單元和傳感器接口單元，如2圖所示。

圖2 TD無線采集終端結(jié)構(gòu)框圖

2.1 TD無線傳輸單元LC6311(+)

聯(lián)芯科技的 LC6311(+)模塊，是一款 TDSCDMA＆GSM(GPRS)雙模無線模塊，支持 TDSCDMA與GSM系統(tǒng)間跨網(wǎng)自動無縫切換，通過配置可以設(shè)置TD-SCDMA模式。在TD制式下，支持上下行非對稱數(shù)據(jù)傳輸能力，上下行數(shù)據(jù)傳輸速率可分別達(dá)384 kbit·s-1;支持UART和USB兩種通信接口，使用更為方便靈活，可以滿足不同主控設(shè)備的需求;采用2.9 mm裝配高度的超薄設(shè)計，使其可以方便應(yīng)用于智能手機和各類數(shù)據(jù)卡中;內(nèi)部集成TCP/IP協(xié)議，可以方便連接Internet。

TD無線傳輸單元的主要功能:為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供無線傳輸通道，將采集的數(shù)據(jù)信息傳輸至地面控制平臺，接收地面控制中心發(fā)送的相關(guān)指令，轉(zhuǎn)發(fā)給主處理單元。

2.2 硬件接口設(shè)計

采集終端選擇MSP430F149作為主處理單元，MSP430系列單片機以超低功耗著稱，同時，將大量的外圍模塊整合到片內(nèi)，接口豐富，可很好地與外部傳感器或傳輸模塊互連[5]。單片機與 TD模塊(LC6311(+))的硬件接口電路如圖3所示。

LC6311(+)提供兩個UART接口，UART1用作與主機的通訊口，其速率缺省為115.2 kbit·s-1，可以采用相關(guān) AT指令動態(tài)配置從9 600 bit·s-1到921.6 kbit·s-1。UART2用作軟件下載，通訊速率115.2 kbit·s-1[6]。

圖3 MSP430F149與LC6311(+)硬件連接

設(shè)計采用MSP430F149的UART1和LC6311(+)的UART1交叉相連，即MSP430的34腳UTXD1、35腳URXD1分別與 L C6311(+)的43腳 U ART1_RX、42腳UART1_TX相連。LC6311(+)的UART1接口中，UART1_RTS和UART1_CTS引腳可以懸空。

LC6311(+)模塊加電后，為使之正常工作，必須在POWERON信號端加至少5 s的高電平信號，且在這期間RESET信號端保持高電平狀態(tài)。建議把VBAT引腳和POWERON引腳直接相連，以確保TD模塊正常啟動。

井下傳感器可檢測礦井下各種物理信息，如壓力、氧氣濃度、瓦斯?jié)舛鹊?。傳感器接口單元支持的傳感器輸出類型包括模擬接口輸出和數(shù)字接口輸出。模擬接口支持標(biāo)準(zhǔn)的電壓輸出類型和電流輸出類型，通過隔離轉(zhuǎn)換電路，將模擬電壓(電流)信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式與主處理單元連接;數(shù)字接口支持RS232、RS485/RS422接口，通過隔離電路連接至主處理單元。

另外，該終端設(shè)有蜂鳴報警電路和指示電路，使得在檢測到危險來臨時告知檢測人員做出反應(yīng)。

3 軟件接口及控制原理

采集終端利用TD-SCDMA無線網(wǎng)絡(luò)和Internet實現(xiàn)終端與基站之間的通信。由TD無線模塊LC6311(+)實現(xiàn)鏈路層、傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議，其中數(shù)據(jù)鏈路層采用PPP協(xié)議，傳輸層采用面向UDP協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層采用IP協(xié)議。

3.1 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的選擇及其實現(xiàn)方式

數(shù)據(jù)采集終端通過無線網(wǎng)絡(luò)向基站傳輸數(shù)據(jù)，第一步是登錄TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)，登錄網(wǎng)絡(luò)的過程屬于數(shù)據(jù)鏈路層。終端可以通過AT命令登錄到網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點GGSN，當(dāng)PPP協(xié)商成功并遠(yuǎn)程成功登錄Internet后，可以得到GGSN分配給自己的內(nèi)網(wǎng)IP地址。

第二步是傳輸層協(xié)議選擇。

傳輸層的協(xié)議主要有UDP和TCP，UDP和TCP都使用相同的網(wǎng)絡(luò)層IP，根據(jù)應(yīng)用要求進(jìn)行選擇。

UDP是一個簡單的面向數(shù)據(jù)報的傳輸層協(xié)議，提供不可靠性連接，它把應(yīng)用程序交下來的報文，傳給IP層發(fā)送出去，但并不保證它們能到達(dá)目的地。其報文格式如圖4所示。TCP與UDP不同，TCP提供了一種面向連接的、可靠的bit流服務(wù)。數(shù)據(jù)發(fā)送必須經(jīng)過接收方確認(rèn)，并且有超時重傳等保障機制，這是TCP傳輸有一定保障的原因[7]。

圖4 UDP報文格式

UDP與TCP提供不同的傳輸方式和傳輸質(zhì)量，TCP用以增加網(wǎng)絡(luò)開銷的方式提供傳輸保障。TDSCDMA網(wǎng)絡(luò)按流量計費，因此數(shù)據(jù)傳送效率就顯得十分重要。當(dāng)單包傳送的用戶數(shù)據(jù)量比較小時，UDP協(xié)議傳輸效率明顯高于TCP協(xié)議。

考慮到本系統(tǒng)的通信特點:單位時間內(nèi)數(shù)據(jù)流量小、通信頻率高、多點通信，而且視頻數(shù)據(jù)的傳輸要求高實時性，對差錯控制沒有太高要求。綜合以上考慮，并可滿足系統(tǒng)擴充方便和遠(yuǎn)距離通信的需要，采用UDP協(xié)議。

3.2 LC6311(+)的數(shù)據(jù)傳輸

LC6311(+)模塊中集成了TD-SCDMA的通信協(xié)議，MSP430F149通過串口1發(fā)送 AT指令控制LC6311(+)模塊[8]。數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒倘鐖D5所示。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸流程圖

MSP430通過AT指令控制LC6311(+)模塊[9]，完成數(shù)據(jù)通信，一個完整的通信控制流程如下:

LC6311(+)模塊開機后MSP430首先收到“COM_READY^DEEI:0”響應(yīng)，然后發(fā)送AT指令，連接TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)成功后，下一步是連接Internet，進(jìn)入數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，具體流程如圖6所示。

圖6 終端與地面控制中心連接建立過程

上述過程完成后，獲取到TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)分配的IP地址，LC6311(+)進(jìn)入數(shù)據(jù)狀態(tài)，就可以發(fā)送數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)地面控制中心對井下狀況的實時監(jiān)控。

LC6311(+)和地面控制中心建立連接后，如果一段時間沒有數(shù)據(jù)傳輸則可能出現(xiàn)服務(wù)器端斷鏈的情況，無法繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。解決這個問題的常用方法是發(fā)送心跳包，按照預(yù)先設(shè)定的時間或按數(shù)據(jù)管理中心的指令每隔一段時間發(fā)送一次心跳包，保證地面控制中心在傳輸數(shù)據(jù)時實時在線。

4 結(jié)束語

設(shè)計的井下TD-SCDMA無線采集終端具有結(jié)構(gòu)簡單、易于維護(hù)、通信距離遠(yuǎn)、質(zhì)量高等特點，免去了井下環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場布線帶來的各種問題，是對現(xiàn)有煤炭井下檢測系統(tǒng)的創(chuàng)新，也是新一代通信技術(shù)在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用。

[1]王瑋，郭成城，李松.無線Mesh網(wǎng)絡(luò)在礦井通信中的應(yīng)用[J].計算機工程，2008，36(6):91-94.

[2]謝楷，趙建.MSP430系列單片機系統(tǒng)工程設(shè)計與實踐[M].北京:機械工業(yè)出版社，2009.

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[5]Texas Instruments.MSP430x1xx family user's guide[M].USA:Texas Instruments，2006.

[6]聯(lián)芯科技有限公司.LC6311硬件接口手冊[S].深圳:聯(lián)芯科技有限公司，2009.

[7]RICHARD S W.TCP/IP詳解[M].范建華，譯.北京:機械工業(yè)出版社，2000.

[8]聯(lián)芯科技有限公司.LC6311 AT command set user manual[S].深圳:聯(lián)芯科技有限公司，2009.

[9]GUO W N，DENG H.Design of interact remote control hanging keyboard for computer teaching [J].Control Automation，2005(3):1-17.