煤礦安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的研究與設(shè)計(jì)*

計(jì) 宏

(西安科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心)

目前，煤礦安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)主要采用2種組網(wǎng)方式:有線通信網(wǎng)絡(luò)與無線通信網(wǎng)絡(luò)?；诂F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的有線通信網(wǎng)絡(luò)具有可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。其中，CAN總線以其卓越的性能以及優(yōu)異的可靠性，成為應(yīng)用最廣泛的一種標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線［1］。但是，有線通信網(wǎng)絡(luò)存在系統(tǒng)布局不方便、監(jiān)控容易出現(xiàn)死角、對(duì)線路依賴性強(qiáng)等不足［2］。例如，應(yīng)用于綜采工作面液壓支架的壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，傳感器數(shù)量多，液壓支架需要根據(jù)工作進(jìn)度進(jìn)行移駕，同時(shí)工作面環(huán)境復(fù)雜，這都增加了有線通信網(wǎng)絡(luò)建立與擴(kuò)展的難度，限制了其應(yīng)用［3］。

隨著傳感器及無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在井下安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注。當(dāng)前用于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的無線通信技術(shù)有紅外技術(shù)、WiFi技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)與ZigBee技術(shù)等。無線通信網(wǎng)絡(luò)具有組網(wǎng)靈活、自組織、環(huán)境適應(yīng)性等特點(diǎn)［4］。但是，無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用也面臨著許多挑戰(zhàn)。例如，由于無線傳輸路徑損耗以及噪聲干擾影響信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?為了提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃裕档途W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗，需要采用短距、多跳路由的組網(wǎng)方式，這將增加組網(wǎng)的復(fù)雜性以及成本;基于以上原因，對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)也面臨巨大的困難［5］。

本研究針對(duì)當(dāng)前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)存在的不足，結(jié)合煤礦特殊的環(huán)境條件，提出一種有線與無線通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的組網(wǎng)方式，采用差錯(cuò)控制編碼技術(shù)提高無線通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性，并給出監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方法。

1 總體方案設(shè)計(jì)

鑒于煤礦復(fù)雜、惡劣的工作環(huán)境以及有線與無線通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，從可靠性以及經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，煤礦安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)采用有線與無線通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的組網(wǎng)方式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jī)。井下則分2種情況:①針對(duì)開拓巷道，如主副井、運(yùn)輸大巷、回風(fēng)大巷、井底車場(chǎng)等受采動(dòng)影響小、工作環(huán)境較穩(wěn)定、信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)的區(qū)域，有利于CAN總線網(wǎng)絡(luò)的鋪設(shè)，發(fā)揮有線通信網(wǎng)絡(luò)的高可靠性、高實(shí)時(shí)性和低成本優(yōu)勢(shì);②而對(duì)于采準(zhǔn)巷道，如工作面運(yùn)輸巷、采區(qū)車場(chǎng)等受采動(dòng)影響大，巷道壓力大，圍巖變形速度快的小范圍區(qū)域，采用基于ZigBee技術(shù)的無線通信網(wǎng)絡(luò)，既可以簡(jiǎn)單、靈活地進(jìn)行組網(wǎng)，又不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的可靠性及成本造成影響。

圖1 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

該安全監(jiān)控系統(tǒng)主要由上位機(jī)系統(tǒng)、智能節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)組成。其中，上位機(jī)作為安全監(jiān)控系統(tǒng)的信息處理中心，通過CAN總線與智能節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交換，以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)與控制。智能節(jié)點(diǎn)是以微處理器為核心的信息采集或現(xiàn)場(chǎng)控制節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)局部無線網(wǎng)絡(luò)的中心，采用主從式無線網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的管理。終端節(jié)點(diǎn)同樣是以微處理器為核心的信息采集或現(xiàn)場(chǎng)控制節(jié)點(diǎn)，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與局部協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交換。

2 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的差錯(cuò)控制編碼

通過上節(jié)介紹可以知道，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)被用于在小范圍內(nèi)組網(wǎng)，這在一定程度上克服了無線通信網(wǎng)絡(luò)可靠性與成本之間的矛盾。但是，采準(zhǔn)巷道通常比較狹窄，巷道壁結(jié)構(gòu)復(fù)雜、平整性差，從而產(chǎn)生電磁波多徑傳播現(xiàn)象，導(dǎo)致接收信號(hào)出現(xiàn)頻率選擇性衰落和時(shí)延擴(kuò)展;由礦用電機(jī)車架空接觸線火花等產(chǎn)生的電磁干擾也會(huì)影響無線信號(hào)的傳輸。因此，為了提高安全測(cè)控網(wǎng)絡(luò)中無線信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，采用差錯(cuò)控制編碼技術(shù)降低比特誤碼率是非常必要的。

前向糾錯(cuò)線性分組碼是一類應(yīng)用廣泛的差錯(cuò)控制編碼方法，其實(shí)現(xiàn)方法是在發(fā)端給被傳輸?shù)男畔⒋a元附上一定數(shù)量的監(jiān)督碼元，信息碼元與監(jiān)督碼元之間以線性檢驗(yàn)關(guān)系相互關(guān)聯(lián)。在收端通過檢驗(yàn)信息碼元與監(jiān)督碼元之間是否滿足線性檢驗(yàn)關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤及至糾正傳輸錯(cuò)誤。在實(shí)際應(yīng)用中，分組碼設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是信道的信噪比情況。信噪比越小，信道傳輸信號(hào)的誤碼率越高，分組碼需要越強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，也就需要更加復(fù)雜的硬件來實(shí)現(xiàn)。為了以最簡(jiǎn)單的分組碼達(dá)到比特誤碼率指標(biāo)，設(shè)計(jì)工作的第1步是了解信道中的噪聲及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽?/p>

通過建立信道模型得到信道差錯(cuò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如信道轉(zhuǎn)移概率pe(誤碼率)、長(zhǎng)為n的碼組出現(xiàn)m個(gè)錯(cuò)誤碼元的碼組概率p(n，m)(錯(cuò)組率)、出現(xiàn)大于等于m個(gè)錯(cuò)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(shí)包含高斯噪聲和突發(fā)噪聲。修正二進(jìn)制對(duì)稱信道模型能夠較準(zhǔn)確地描述有記憶信道特征，其由2個(gè)參數(shù)確定:誤碼率pe反映信道的信噪比情況，通過對(duì)信道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到;錯(cuò)誤密度指數(shù)α反映差錯(cuò)碼元之間的相關(guān)程度(記憶性)，α越大，錯(cuò)誤碼元之間的相關(guān)性越大，其在m/n＜0.5時(shí)可以由m階錯(cuò)誤密度γm(n)表示為

其中，m階錯(cuò)誤密度γm(n)由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的錯(cuò)組率表示，

利用修正二進(jìn)制對(duì)稱信道模型計(jì)算錯(cuò)組率:

其中，

由以上的討論可知，在進(jìn)行分組碼設(shè)計(jì)之前，首先需要確定式(3)中的2個(gè)參數(shù)pe和α。文獻(xiàn)［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(tǒng)，通過仿真實(shí)驗(yàn)得到有關(guān)參數(shù)pe和α的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 信道誤碼率仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

仿真系統(tǒng)中，傳輸比特率定義為1 000 bps。傳輸信號(hào)由信源模塊產(chǎn)生二進(jìn)制單極性信號(hào)，采樣頻率設(shè)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(jì)算模塊將誤碼統(tǒng)計(jì)結(jié)果輸出到Matlab工作空間，同時(shí)也將結(jié)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(shù)目以及總統(tǒng)計(jì)碼組數(shù)目。由圖2可知礦井巷道信道的信道轉(zhuǎn)移概率pe=0.012 7，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可得到錯(cuò)誤密度指數(shù)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(zhǎng)和糾錯(cuò)能力的分組碼，進(jìn)行差錯(cuò)控制系統(tǒng)的性能分析和設(shè)計(jì)。在這里使用純糾錯(cuò)前向差錯(cuò)控制方法，設(shè)糾正t個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤的二進(jìn)制線性分組碼(n，k，2t)，其中每一個(gè)碼組的總碼長(zhǎng)為n位，信息碼長(zhǎng)為k位，監(jiān)督碼長(zhǎng)為r=n－k。2k個(gè)許用碼組等概率發(fā)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(cuò)誤概率是［7］

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

將巷道的信道模型(3)代入式(6)可得

當(dāng)(m/n)＜0.3時(shí)，式(3)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

則式(7)可以重新整理為

由式(9)可知，當(dāng)信道的信噪比一定時(shí)(由pe反映)，信道傳輸?shù)腻e(cuò)誤概率與碼長(zhǎng)n和糾錯(cuò)能力t的比值有關(guān)，同時(shí)其最大值與錯(cuò)組率和編碼效率(R=k/n)有關(guān)。分組碼糾錯(cuò)能力對(duì)比見表1所示。

表1 分組碼糾錯(cuò)能力對(duì)比

由表1可知，n/(t+1)越小，錯(cuò)組率越低，即編碼的糾錯(cuò)能力越強(qiáng)。在碼長(zhǎng)相同的情況下，糾錯(cuò)能力越強(qiáng)(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(zhǎng)的增加，編碼效率隨之增強(qiáng)，但是因?yàn)閚/(t+1)增大，錯(cuò)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(cuò)能力是相互矛盾的，無法同時(shí)實(shí)現(xiàn);尤其是對(duì)于噪聲嚴(yán)重、信噪比小的信道，隨著n/(t+1)增大，錯(cuò)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(jiān)控系統(tǒng)的無線傳輸數(shù)據(jù)量較小，系統(tǒng)對(duì)可靠性要求較高，所以編碼應(yīng)選擇中、小碼，并且以提高糾錯(cuò)能力為主。因此，在安全監(jiān)控系統(tǒng)中可以選擇(15，9)，在保證較強(qiáng)糾錯(cuò)能力的同時(shí)，兼顧編碼效率。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 智能節(jié)點(diǎn)硬件電路

智能節(jié)點(diǎn)直接與CAN總線連接，用于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shè)、易用性、低成本以及業(yè)界最低功耗等優(yōu)異特性完美地結(jié)合在一起。CAN控制器與總線收發(fā)器分別選擇PHILIPS公司的SJA1000以及82C250。SJA1000支持CAN 2.0A/B協(xié)議，具有多主結(jié)構(gòu)、總線訪問優(yōu)先權(quán)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(duì)總線的差動(dòng)收發(fā)能力，具有抗干擾、保護(hù)總線的能力，而且能夠提高總線驅(qū)動(dòng)能力，支持多達(dá)110個(gè)節(jié)點(diǎn)以1 Mbps的速率工作于惡劣電氣環(huán)境。針對(duì)不同的環(huán)境變量，采用相應(yīng)的傳感器或作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集或設(shè)備控制。智能節(jié)點(diǎn)硬件電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖3。

圖3 智能節(jié)點(diǎn)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

智能節(jié)點(diǎn)的工作過程是通過觀測(cè)器采集各種環(huán)境變量信息，經(jīng)過信號(hào)隔離、調(diào)理電路后送人MSP430的模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)接口，之后通過CAN總線將信息傳輸給上位機(jī);上位機(jī)整合、處理各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息，通過CAN總線向需要調(diào)控的節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制信號(hào);智能節(jié)點(diǎn)接收到控制信號(hào)后，根據(jù)被控變量的特點(diǎn)，例如關(guān)于水泵流量的模擬變量或繼電器開闔的開關(guān)變量，將控制信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換(D/A)或進(jìn)行位操作。

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件電路

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的作用是作為一個(gè)通信樞紐，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的無線通信，其硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4。

圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)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(gòu)成射頻收發(fā)接口。MSP430與CC2420采用SPI主從工作模式，來自終端節(jié)點(diǎn)的無線信號(hào)經(jīng)過CC2420存入MSP430的存儲(chǔ)器中，定時(shí)向上位機(jī)發(fā)送;同時(shí)，來自上位機(jī)的控制信號(hào)由MSP430控制經(jīng)過CC2420發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn)。

3.3 終端節(jié)點(diǎn)硬件電路

終端節(jié)點(diǎn)的硬件電路框圖如圖5，其主要由3部分構(gòu)成:MSP430、ZigBee通信接口、現(xiàn)場(chǎng)傳感器電路或作動(dòng)器電路。其功能與智能節(jié)點(diǎn)類似，兩者的主要區(qū)別是前者采用無線通信方式與上位機(jī)連接，而后者采用有線通信方式與上位機(jī)連接。

圖5 終端節(jié)點(diǎn)硬件電路框圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

安全監(jiān)控系統(tǒng)的軟件分為2部分:第一部分設(shè)計(jì)CAN通信協(xié)議在應(yīng)用層上的功能實(shí)現(xiàn)，主要包括初始化、接收和發(fā)送［8］。初始化程序通過設(shè)置CAN控制器SJA1000的寄存器，確定CAN總線網(wǎng)絡(luò)的工作方式。接收程序?qū)崿F(xiàn)MSP430從SJA1000的接收緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，并釋放接收緩沖區(qū)，準(zhǔn)備接收下一數(shù)據(jù)幀。發(fā)送程序是MSP430將數(shù)據(jù)幀寫入SJA1000的發(fā)送緩沖區(qū)，同時(shí)啟動(dòng)發(fā)送命令。因?yàn)镃AN總線網(wǎng)絡(luò)采用非破壞性總線仲裁與多主工作方式，當(dāng)總線空閑時(shí)，總線上任一智能節(jié)點(diǎn)或協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可以占用總線;當(dāng)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，則優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)退出發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可以不受影響地發(fā)送。

軟件的第二部分包括ZigBee通信協(xié)議的建立和應(yīng)用層功能實(shí)現(xiàn)［9］。建立一個(gè)新ZigBee網(wǎng)絡(luò)的程序需要網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體(NLME)通過原語(yǔ)NLMENETWORK－FORMATION.Request發(fā)起。當(dāng)這個(gè)程序發(fā)起后，NLME通過發(fā)出原語(yǔ)NLMESCAN.Request來請(qǐng)求媒體訪問控制(MAC)子層對(duì)一組指定信道進(jìn)行能量檢測(cè)掃描，以尋找可能的干擾。NLME在收到能量檢測(cè)掃描結(jié)果后，對(duì)其中可接受信道進(jìn)行主動(dòng)掃描，以便選擇一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)最好的信道。如果找到一個(gè)合適的信道，NLME將為新網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè)個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(PAN)標(biāo)識(shí)符，并且向MAC子層請(qǐng)求開始運(yùn)行新的PAN。NLME接收到PAN啟動(dòng)的狀態(tài)標(biāo)志著以ZigBee協(xié)調(diào)器為中心的網(wǎng)絡(luò)建立。還未加入網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)通過發(fā)出原語(yǔ)NLME－NETWORK－DISCOVERY.Request請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)層(NWK)層請(qǐng)求MAC子層執(zhí)行一個(gè)被動(dòng)或主動(dòng)掃描。一旦MAC子層通過MLME－SCAN.Confirm發(fā)送掃描完成信號(hào)給NLME，NWK層必須發(fā)出NLME－NETWORK－DISCOVERY.Confirm原語(yǔ)，包含每個(gè)偵聽網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)描述。在NLME收到上述原語(yǔ)后，通過發(fā)出NLME－JOIN.request從已發(fā)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)中選擇一個(gè)網(wǎng)絡(luò)加入。此時(shí)NWK層通過查詢NLME的鄰居表確定一個(gè)合適的父節(jié)點(diǎn)設(shè)備，而NLME通過原語(yǔ)MLME－ASSOCIATE.requst向MAC子層請(qǐng)求連接，并得到一個(gè)唯一的16位邏輯地址，以便子節(jié)點(diǎn)在未來的傳輸中使用。在組網(wǎng)的基礎(chǔ)上可以通過傳感器和作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的安全監(jiān)控。圖6為ZigBee網(wǎng)絡(luò)程序的一個(gè)流程圖。

圖6 ZigBee網(wǎng)絡(luò)程序流程

5 結(jié)論

針對(duì)目前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)所采用的有線組網(wǎng)與無線組網(wǎng)方式的不足，本研究充分考慮煤礦具體的開拓結(jié)構(gòu)，提出一種有線與無線相結(jié)合的組網(wǎng)形式，既發(fā)揮了有線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性與可靠性，也發(fā)揮了無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)靈活、簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)煤礦巷道信道的復(fù)雜性，分析了無線通信差錯(cuò)控制編碼技術(shù)在巷道信道中的應(yīng)用，給出了具體的設(shè)計(jì)方法和步驟。該系統(tǒng)具有良好的可靠性與實(shí)時(shí)性，對(duì)提高煤礦安全生產(chǎn)具有重要的意義。

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