室內(nèi)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)分布系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究
——井下5G網(wǎng)絡(luò)與ZigBee融合組網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

白振昊，杜爽

（山東師范大學(xué)，山東 濟(jì)南 250358）

0 引 言

煤炭是我國(guó)重要的化石能源和化工原料，為社會(huì)發(fā)展提供源源不斷的能源，在能源發(fā)展戰(zhàn)略中始終占據(jù)主導(dǎo)地位，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展發(fā)揮著舉足輕重的作用?？梢哉f(shuō)，煤炭資源的產(chǎn)量與我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展息息相關(guān)，因此構(gòu)建一個(gè)合理的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)對(duì)提高煤炭資源的產(chǎn)量、推動(dòng)井下作業(yè)的智能化發(fā)展具有十分重要的意義。

由于井下環(huán)境既惡劣又復(fù)雜，使得井下傳感器數(shù)據(jù)的傳輸非常困難。當(dāng)前煤炭工業(yè)的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)多采用無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)，但每次收發(fā)數(shù)據(jù)都會(huì)有一定的延遲，多次收發(fā)數(shù)據(jù)之后延遲會(huì)大大增加，由于井下的特殊環(huán)境對(duì)實(shí)時(shí)性的要求比較高，所以Mesh網(wǎng)絡(luò)更適合井上作業(yè)，并不適用于井下作業(yè)。

每一種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)都有它的不足之處，所以?xún)H使用某一種無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)很難解決井下信號(hào)全覆蓋的問(wèn)題。2020年中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議確定，要大力發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)，加大新型基礎(chǔ)設(shè)施投資力度。這意味著“數(shù)字中國(guó)”迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇，融合組網(wǎng)技術(shù)在此情境下應(yīng)運(yùn)而生。融合組網(wǎng)為企業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型提供了可靠的基礎(chǔ)連接，克服了“單張網(wǎng)絡(luò)”的缺陷，將多個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，以“一張網(wǎng)絡(luò)”的優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)“另一張網(wǎng)絡(luò)”的不足，滿(mǎn)足當(dāng)下及未來(lái)不同業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景的需求，能夠大幅度提高企業(yè)的生產(chǎn)與經(jīng)營(yíng)效率。

1 技術(shù)概述

為解決上面提出的問(wèn)題，也就是提高井下嚴(yán)苛環(huán)境中的作業(yè)效率，采用5G網(wǎng)絡(luò)與ZigBee融合組網(wǎng)技術(shù)，本文提出一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。下文分析使用所選技術(shù)的原因：

（1）相較于其他無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，ZigBee具有功耗小、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，很適合惡劣環(huán)境下的長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)。采用ZigBee技術(shù)搭建傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)傳感器采集數(shù)據(jù)后，再由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控井下環(huán)境數(shù)據(jù)的功能。然而，由于ZigBee技術(shù)采用的是ISM頻段中的2.4G頻率，衍射能力弱，穿透能力差，抗干擾性差，覆蓋范圍小，且ZigBee的協(xié)議目前還沒(méi)有開(kāi)源，通信距離較短，因此僅僅使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)來(lái)搭建井下無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)困難重重。ZigBee的優(yōu)勢(shì)如圖1所示。

圖1 ZigBee技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

（2）相較于其他無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，5G的帶寬大、容量大、速度快，理論上的速度高達(dá)20 Gbps。5G技術(shù)是在4G技術(shù)基礎(chǔ)上的擴(kuò)展延伸，是無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的演進(jìn)。相較于其他無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，5G的優(yōu)勢(shì)在于有效提高了無(wú)線(xiàn)覆蓋性能，提高了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的利用率。但是隨著數(shù)據(jù)處理量的增大，5G網(wǎng)絡(luò)消耗的能源顯著提高，并且覆蓋同一個(gè)區(qū)域所需的5G基站數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)4G基站的數(shù)量，因此5G的建設(shè)成本比較高。5G通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)如圖2所示。

圖2 5G通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

（3）融合組網(wǎng)技術(shù)有利于減少基建的投入，大大精簡(jiǎn)網(wǎng)絡(luò)管理架構(gòu)，降低通信系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和維護(hù)的成本，無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的性能和質(zhì)量大幅提高，同時(shí)資源的利用和分配效率也得到進(jìn)一步的提高。本文結(jié)合運(yùn)用當(dāng)下流行的5G技術(shù)和成熟完善的ZigBee技術(shù)，ZigBee/5G融合組網(wǎng)技術(shù)彌補(bǔ)了ZigBee技術(shù)在傳播距離和傳播速度上的不足，ZigBee成本低廉也彌補(bǔ)了5G技術(shù)建設(shè)成本高昂的弊端。在此基礎(chǔ)上完成井下無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的搭建工作，可以有效提高煤礦網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和實(shí)用性，融合組網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)如圖3所示。

圖3 融合組網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

2 系統(tǒng)架構(gòu)

針對(duì)井下惡劣的工作環(huán)境，本文設(shè)計(jì)一款基于5G網(wǎng)絡(luò)與ZigBee融合組網(wǎng)技術(shù)的煤礦智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個(gè)軟硬協(xié)同設(shè)計(jì)的綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，下文將從硬件部分和軟件部分兩個(gè)方面展開(kāi)介紹。

硬件部分是以ZigBee為核心的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)，包含DS18B20溫度傳感器、QT-MQ-135有毒氣體傳感器、MPU6050加速度傳感器等部件。其主要功能是采集井下的溫濕度、有害氣體的濃度、井下施工人員的位置信息以及該區(qū)域的作業(yè)人數(shù)等數(shù)據(jù)。ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的路由設(shè)備使用的是F8434工業(yè)級(jí)ZigBee路由器，F(xiàn)8434是3GWCDMZigbee路由器，也是一種物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與3G（WCDMA）網(wǎng)絡(luò)的完美結(jié)合為用戶(hù)提供無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。終端設(shè)備以將ARM和RF進(jìn)行異構(gòu)的ZYNQ開(kāi)發(fā)板作為核心部件，在這個(gè)終端設(shè)備上部署Linux操作系統(tǒng)，在上面運(yùn)行終端設(shè)備機(jī)的代碼，并配備6英寸的OLED屏，進(jìn)行圖形化界面的展示。

軟件部分則根據(jù)ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分成三個(gè)部分：協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備，如圖4所示。協(xié)調(diào)器設(shè)備使用的是由C#開(kāi)發(fā)的WinForm窗體應(yīng)用，用于匯總和顯示每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；路由器節(jié)點(diǎn)設(shè)備則是固定在井下礦道里的路由器設(shè)備，負(fù)責(zé)將從終端設(shè)備中收集來(lái)的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器設(shè)備；終端設(shè)備則是每個(gè)礦工身上攜帶的便攜式通信模塊，上面集成了有毒氣體傳感器和陀螺儀等，每隔一段時(shí)間就會(huì)自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，然后發(fā)送給與此終端設(shè)備距離最近的路由器節(jié)點(diǎn)設(shè)備，路由器接收到信息后將接收到的信息與所攜帶傳感器檢測(cè)到的信息進(jìn)行打包，發(fā)送給井上的協(xié)調(diào)器設(shè)備，由協(xié)調(diào)器設(shè)備進(jìn)行最終的數(shù)據(jù)分析和處理。

圖4 ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

PC監(jiān)控設(shè)備系統(tǒng)為Windows操作系統(tǒng)，需要安裝有.NET Framework 4.0，使用的軟件為C#開(kāi)發(fā)的上位機(jī)軟件。目前實(shí)現(xiàn)的功能有：支持已進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)的用戶(hù)進(jìn)行登錄驗(yàn)證、按經(jīng)緯度查詢(xún)井下具體位置的環(huán)境信息、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)刷新環(huán)境信息。目前上位機(jī)軟件顯示的環(huán)境信息有：溫度、濕度、有害氣體（CO）濃度、該位置的作業(yè)人數(shù)。PC監(jiān)控設(shè)備軟件如圖5、圖6所示。

圖5 PC端信息監(jiān)控軟件登錄界面

圖6 PC端信息監(jiān)控軟件數(shù)據(jù)展示界面

為了降低建設(shè)成本，路由器設(shè)備也是使用ZigBee協(xié)議開(kāi)發(fā)的，其在接收到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后發(fā)送給5G智能網(wǎng)關(guān)，5G智能網(wǎng)關(guān)再將所收集經(jīng)處理的數(shù)據(jù)通過(guò)TCP/IP協(xié)議發(fā)送給井上的PC監(jiān)控設(shè)備。PC監(jiān)控設(shè)備中的特定專(zhuān)用軟件會(huì)將需要處理的所有數(shù)據(jù)顯示在可視化窗口中。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（即Zstack網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）體系結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 Zstack網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系

終端設(shè)備是由井下作業(yè)人員攜帶的低功耗便攜式設(shè)備，因此其規(guī)格設(shè)計(jì)為與移動(dòng)電話(huà)一樣，使用3.7 V、280 mAh的鋰電池供電。內(nèi)置芯片采用的是TI公司生產(chǎn)的低功耗芯片CC2530，型號(hào)為CC2530F256，使用的是增強(qiáng)型8051CPU、具有8 kΩ容量的RAM、具有256 kΩ的系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存?？梢允褂肐AR Embedded Workbench為其編寫(xiě)運(yùn)行程序，程序的功能應(yīng)包含：初始化串口程序、初始化ADC模塊、初始化中斷和時(shí)鐘、初始化定時(shí)器，晶振頻率應(yīng)調(diào)整為外接32 M石英晶振。附錄中的案例程序使用的就是CC2530內(nèi)置溫度傳感器的測(cè)量溫度程序，并對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。

此外，為了豐富終端設(shè)備的可應(yīng)用性，本文將使用ARMv7和CC2530異構(gòu)來(lái)擴(kuò)展終端設(shè)備的功能，使用Xilinx公司推出的可擴(kuò)展處理平臺(tái)Zynq，配備6英寸的OLED屏，實(shí)現(xiàn)的功能有：實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前作業(yè)區(qū)域的溫濕度、CO濃度、當(dāng)前位置坐標(biāo)，以及任務(wù)查看、緊急通信、備忘錄等功能。為便于作業(yè)人員的攜帶，ZigBee模塊使用的是2.4 GHz貼片天線(xiàn)，定制了一個(gè)移動(dòng)電話(huà)一樣大小的外殼，將Zynq和ZigBee模塊以及總線(xiàn)、存儲(chǔ)單元、備用電源和傳感器放在里面，如圖8所示為終端設(shè)備的架構(gòu)圖，如圖9所示為Zynq驅(qū)動(dòng)OLED顯示的上位機(jī)界面。

圖8 井下作業(yè)人員移動(dòng)終端設(shè)備

圖9 Zynq上位機(jī)顯示功能界面

井下路由設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間以及終端設(shè)備與路由器設(shè)備之間的通信傳輸依靠5G網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)，本文井下5G通信系統(tǒng)包括專(zhuān)網(wǎng)核心網(wǎng)、核心交換機(jī)、5G交換機(jī)、基站控制器、5G基站。系統(tǒng)采用的是分布式組網(wǎng)方式，專(zhuān)網(wǎng)核心網(wǎng)與核心交換機(jī)部署在井上，基站控制器則部署在井下，井上和井下通過(guò)光纖環(huán)網(wǎng)通信。通過(guò)查詢(xún)資料得知，5G基站無(wú)線(xiàn)覆蓋半徑為100 m，覆蓋范圍內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度不低于-100 dB，所以合理配置5G基站對(duì)提高通信質(zhì)量、增大通信的覆蓋范圍、提高信號(hào)的傳輸速率、減少項(xiàng)目開(kāi)發(fā)成本等大有裨益。

5G基站的硬件如圖10所示，使用127 V的交流電源通過(guò)變壓器對(duì)5G基站模塊進(jìn)行供電?；灸K通過(guò)兩個(gè)射頻端口分別連接外置的兩條定向天線(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)井下多并發(fā)、高容量、高速率和低時(shí)延的無(wú)線(xiàn)通信，為井下安全穩(wěn)定的作業(yè)提供通信保障。

圖10 5G基站硬件組成

總體來(lái)說(shuō)，井下作業(yè)人員攜帶的便攜式終端設(shè)備，其內(nèi)核是使用ARM和RF內(nèi)核異構(gòu)而成，實(shí)現(xiàn)井下環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且通過(guò)在ZYNQ上搭建的Linux操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，包含井下地形、任務(wù)詳情、位置上傳等多項(xiàng)功能。終端設(shè)備會(huì)在一定時(shí)間后上傳數(shù)據(jù)，上傳數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔可以設(shè)置，數(shù)據(jù)先由終端設(shè)備上傳到路由設(shè)備，路由設(shè)備會(huì)將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總并且做出適當(dāng)?shù)奶幚?，如可以?duì)同一區(qū)域收到的多項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理等操作，再與自身傳感器所攜帶的環(huán)境信息數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，將最終的數(shù)據(jù)包通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給井上的協(xié)調(diào)器設(shè)備，再由協(xié)調(diào)器設(shè)備分析數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)展示在井上的PC機(jī)上。綜上所述，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框架如圖11所示。

圖11 融合組網(wǎng)通信系統(tǒng)架構(gòu)

3 結(jié) 論

本文采用5G網(wǎng)絡(luò)與ZigBee融合組網(wǎng)技術(shù)為井下作業(yè)人員設(shè)計(jì)一套無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合利用5G通信網(wǎng)的高速率、低時(shí)延以及ZigBee技術(shù)的低成本、低功耗、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)，非常適合在環(huán)境惡劣的井下場(chǎng)景中使用。5G網(wǎng)絡(luò)與ZigBee融合組網(wǎng)技術(shù)使得井下通信系統(tǒng)在信號(hào)強(qiáng)度、傳輸速率、通信質(zhì)量等方面大有改善，為我國(guó)煤炭產(chǎn)業(yè)數(shù)字化的順利發(fā)展保駕護(hù)航。