煤礦井下TD無線數據采集終端的設計

張曉莉，劉 磊

(西安科技大學通信與信息工程學院，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。因此，快速、準確地監測井下瓦斯濃度、礦井壓力等信息，并把這些物理信息控制在安全范圍內，是避免礦井事故的有效手段。隨著無線通信技術的發展及其成熟運用，應國家對煤炭產業安全化、信息化的要求，無線通信技術在礦井中得到廣泛運用[1]。為對井下環境、人員健康和安全狀況等大量信息進行監測并及時報警，文中設計了一種適合煤礦井下無線通信網絡的信息采集系統，可以手持或掛于巷壁。該系統硬件采用聯芯科技的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，給出了系統的軟硬件設計方案，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 系統架構

系統整體結構如圖1所示，該煤炭專用網絡集成了公網通信的主體功能，相當于小型化TD-SCDMA無線通信系統，支持實時語音、數據傳輸以及實時調度等，還可實現煤礦信息共享，遠程數據查詢等功能[3]。系統中井下基站為本質安全型設計，井下設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。井下采集數據通過綜合接入控制設備連接至地面控制平臺，也可以連接PSTN或者移動網絡，實現信息的遠距離交互。TD-SCDMA煤炭專網的覆蓋，可同時解決煤礦井上、井下的通信調度問題，達到縱向調度靈活可靠，礦區內外通信暢通無阻，不僅能滿足日常安全生產的通信需要，而且能夠保證在自然災害和礦井事故發生時進行應急指揮通信，從而有效降低人員傷亡與財產損失。

圖1 系統總體設計圖

利用TD-SCDMA網絡高速的Internet接入，選擇采集終端設備與基站間采用TD無線網絡結合Internet的組網方案。基站連接Internet網絡，終端設備登錄TD-SCDMA網絡建立與基站之間的連接。TD-SCDMA無線應用的組網方式有多種，在實際應用中可以使用公網固定IP、動態域名解析、APN專線接入等方案[4]。

2 礦用采集終端的硬件設計

礦用數據采集終端由以下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無線采集終端結構框圖

2.1 TD無線傳輸單元LC6311(+)

聯芯科技的 LC6311(+)模塊，是一款 TDSCDMA＆GSM(GPRS)雙模無線模塊，支持 TDSCDMA與GSM系統間跨網自動無縫切換，通過配置可以設置TD-SCDMA模式。在TD制式下，支持上下行非對稱數據傳輸能力，上下行數據傳輸速率可分別達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備的需求;采用2.9 mm裝配高度的超薄設計，使其可以方便應用于智能手機和各類數據卡中;內部集成TCP/IP協議，可以方便連接Internet。

TD無線傳輸單元的主要功能:為數據采集系統提供無線傳輸通道，將采集的數據信息傳輸至地面控制平臺，接收地面控制中心發送的相關指令，轉發給主處理單元。

2.2 硬件接口設計

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，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 AT指令動態配置從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。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、瓦斯濃度等。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字接口輸出。模擬接口支持標準的電壓輸出類型和電流輸出類型，通過隔離轉換電路，將模擬電壓(電流)信號轉換為數字形式與主處理單元連接;數字接口支持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。

3 軟件接口及控制原理

采集終端利用TD-SCDMA無線網絡和Internet實現終端與基站之間的通信。由TD無線模塊LC6311(+)實現鏈路層、傳輸層和網絡層的協議，其中數據鏈路層采用PPP協議，傳輸層采用面向UDP協議，網絡層采用IP協議。

3.1 數據傳輸協議的選擇及其實現方式

數據采集終端通過無線網絡向基站傳輸數據，第一步是登錄TD-SCDMA網絡，登錄網絡的過程屬于數據鏈路層。終端可以通過AT命令登錄到網關支持節點GGSN，當PPP協商成功并遠程成功登錄Internet后，可以得到GGSN分配給自己的內網IP地址。

第二步是傳輸層協議選擇。

傳輸層的協議主要有UDP和TCP，UDP和TCP都使用相同的網絡層IP，根據應用要求進行選擇。

UDP是一個簡單的面向數據報的傳輸層協議，提供不可靠性連接，它把應用程序交下來的報文，傳給IP層發送出去，但并不保證它們能到達目的地。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。數據發送必須經過接收方確認，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量，TCP用以增加網絡開銷的方式提供傳輸保障。TDSCDMA網絡按流量計費，因此數據傳送效率就顯得十分重要。當單包傳送的用戶數據量比較小時，UDP協議傳輸效率明顯高于TCP協議。

考慮到本系統的通信特點:單位時間內數據流量小、通信頻率高、多點通信，而且視頻數據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，并可滿足系統擴充方便和遠距離通信的需要，采用UDP協議。

3.2 LC6311(+)的數據傳輸

LC6311(+)模塊中集成了TD-SCDMA的通信協議，MSP430F149通過串口1發送 AT指令控制LC6311(+)模塊[8]。數據傳輸的流程如圖5所示。

圖5 數據傳輸流程圖

MSP430通過AT指令控制LC6311(+)模塊[9]，完成數據通信，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，然后發送AT指令，連接TD-SCDMA網絡成功后，下一步是連接Internet，進入數據業務，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網絡分配的IP地址，LC6311(+)進入數據狀態，就可以發送數據信息，實現地面控制中心對井下狀況的實時監控。

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

4 結束語

設計的井下TD-SCDMA無線采集終端具有結構簡單、易于維護、通信距離遠、質量高等特點，免去了井下環境監控系統現場布線帶來的各種問題，是對現有煤炭井下檢測系統的創新，也是新一代通信技術在工業環境下的應用。

[1]王瑋，郭成城，李松.無線Mesh網絡在礦井通信中的應用[J].計算機工程，2008，36(6):91-94.

[2]謝楷，趙建.MSP430系列單片機系統工程設計與實踐[M].北京:機械工業出版社，2009.

[3]趙莉，李睿，張謙.基于TD-SCDMA煤礦專網的語音調度系統設計[J].科技信息，2011(7):48-49.

[4]鞏浩，屈玉貴.基于短距無線通信與3G的無線集中抄表系統[J].計算機工程，2011，37(2):290-292.

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

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

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

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

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