淺析基于紫蜂技術的采煤機無線通信系統(tǒng)

摘 要：基于紫蜂技術的采煤機無線通信具有近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的特點。文章主要是對紫蜂技術支持下的采煤機無線通信系統(tǒng)進行了簡單的分析。

關鍵詞：紫蜂技術 采煤機 通信

中圖分類號：TD676 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）04（b）-0040-01

近年來，全國各地小型煤礦不斷發(fā)生煤礦事故，給國家和人民的生命財產(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)事故的導火索。與世界上先進的采煤國家相比，我國煤炭產(chǎn)業(yè)還比較落后。大型礦井多處于機械化、自動化綜采的初期階段。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，研究開發(fā)可靠性高、安全性好、工作效率強的煤礦開采設備是我國采礦業(yè)發(fā)展的一個重要方向。

1 紫蜂通信技術介紹

紫蜂（ZigBee）技術是一種具有統(tǒng)一技術標準的短距離無線通信技術，它具有近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的特點。主要適合于自動控制和遠程控制領域。紫蜂技術的工作頻段分為868 MHz、915 MHz和2.4 GHz 3個頻段，這3個工作頻段相距較大。915 MHz信道個數(shù)為10個，傳輸速率為40 kbps。868 MHz信道個數(shù)為1個，傳輸速率為20 kbps。2.4 GHz 信道個數(shù)為16個，傳輸速率為250 kbps。該頻段為全球通用的工業(yè)、科學、醫(yī)學（ISM）頻段，無需付費和申請。

基于紫蜂技術的無線通信網(wǎng)絡采用多種節(jié)電的工作模式，設備功耗低，最大功耗僅為1～3 MW。采用了CSMA-CA碰撞避免機制、幀確認以及數(shù)據(jù)校驗等，通信可靠性強，為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，可以有效的避免發(fā)送數(shù)據(jù)時的沖突問題?？刹捎眯切?、樹型和網(wǎng)狀型的網(wǎng)絡拓撲結構，最多可掛載254個子節(jié)點，最多可組成具有65000個節(jié)點的大網(wǎng)絡，網(wǎng)絡容量高。采用格柵狀的拓撲結構，智能性的路由節(jié)點可以使接入點無須經(jīng)過中央交換機點即可相互通信，對于故障的產(chǎn)生具有很強的預防作用，同時還提供了自愈和自我組織的功能。網(wǎng)絡提供了三級安全模式，可靈活確定其安全屬性，因此數(shù)據(jù)安全性高。

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

2 紫蜂無線組網(wǎng)

通信系統(tǒng)是是聯(lián)系井上監(jiān)控中心和井下采煤機的橋梁，是整個采煤機系統(tǒng)的信息交換通道。通信系統(tǒng)的通暢關系到整個遙控采煤機系統(tǒng)的正常運行。井上監(jiān)控中心所下達的各項動作指令要通過通信系統(tǒng)傳送給井下采煤機終端；井下采煤機終端的所有采集信息、動作參數(shù)等需要通過通信網(wǎng)絡上傳到井上監(jiān)控中心。通過各種通信技術的比較我們可以看出紅外技術、藍牙技術、射頻識別技術的有效傳輸距離較短；超寬帶無線通信技術傳輸距離有限，隔墻穿透能力不好；數(shù)字增強無繩電話技術主要針對家庭用戶，易受到多徑影響；IEEE 802.11 系列技術架設網(wǎng)絡的費用較高。使用基于紫蜂（ZigBee）技術的無線通信單元，組網(wǎng)簡單、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，支持空中升級固件或配置遠程模塊信息。其具有以下幾個方面的特點：高達7dBm的功率輸出和-100dBm的接受靈敏度；采用單芯片設計方案，抗干擾能力更強；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)議的體系結構

IEEE無線個人局域網(wǎng)工作頻段為868/915 MHz和2.4 GHz，是一種經(jīng)濟、高效、低速率的無線技術網(wǎng)絡層。按照OSI模型，ZigBee網(wǎng)絡可分為物理層（PYH）、媒體訪問控制層（MAC）、網(wǎng)絡/安全層（NWK）和應用層（APL）4層。根據(jù) IEEE802.15.4協(xié)議標準規(guī)定，物理層定義了3個載波頻段用于接收/發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.3 紫蜂網(wǎng)絡拓撲結構

ZigBee網(wǎng)絡層支持星型、樹型和網(wǎng)狀型三種拓撲結構。網(wǎng)狀型拓撲網(wǎng)絡，設備之間使用完全對等的通信方式，在網(wǎng)絡的覆蓋范圍內(nèi)，所有全功能節(jié)點之間均能夠進行直接通信。可以采用多跳的傳輸方式增大網(wǎng)絡的覆蓋范圍。這種結構適用于大規(guī)模的工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡。星型拓撲結構中，網(wǎng)絡由一個協(xié)調(diào)器和多個終端設備組成。所有的終端設備間通信必須通過協(xié)調(diào)器進行轉發(fā)。樹型網(wǎng)絡路由器由全功能設備擔當，可以增加網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)量。終端設備可以成為路由器的子設備或者是成為協(xié)調(diào)器的子設備。

本設計中采用廣州致遠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)一的無需申請的ISM頻段。為了避免 2.4 GHz附近各種無線通信設備的干擾，同時引入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制移相鍵控（BPSK）的直接序列擴頻（DSSS）技術。采用樹型網(wǎng)絡拓撲結構進行組網(wǎng)。

3 結語

基于紫蜂技術的采煤機無線通信系統(tǒng)，可以實時監(jiān)控井下的情況，操控人員通過遠程操作在監(jiān)控中心對井下的開采機械進行控制。該通信網(wǎng)絡省去了布線的麻煩，簡化了網(wǎng)絡配置，節(jié)省了布網(wǎng)的成本，因此非常適用于小型煤礦的開采工作。

參考文獻

[1] 侯宇剛，朱桂新，孟祥忠，等.基于有線/無線通信技術的綜采機組監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J].工礦自動化，2009（12）.

[2] 王增強，車萬里，權振林，等.電牽引采煤機在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)研究[J].重型機械，2012（5）.

[3] 徐志鵬，王忠賓，李輝.采煤機遠程監(jiān)控關鍵技術的研究[J].內(nèi)江科技，2011（5）.

[4] 韋佳，劉煥強，顧曉峰，等.基于ZigBee的集中式無線定位系統(tǒng)設計[J].計算機工程與設計，2013（2）.