淺析基于紫蜂技術的采煤機無線通信系統

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、低數據速率、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生煤礦事故，給國家和人民的生命財產造成了重大的損失。煤礦事故的發生原因是多方面的，但是，人為因素是直接誘發事故的導火索。與世界上先進的采煤國家相比，我國煤炭產業還比較落后。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的生產方式。這些傳統的作業方式是事故發生的溫床。因此，研究開發可靠性高、安全性好、工作效率強的煤礦開采設備是我國采礦業發展的一個重要方向。

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、低數據速率、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信道個數為10個，傳輸速率為40 kbps。868 MHz信道個數為1個，傳輸速率為20 kbps。2.4 GHz 信道個數為16個，傳輸速率為250 kbps。該頻段為全球通用的工業、科學、醫學（ISM）頻段，無需付費和申請。

基于紫蜂技術的無線通信網絡采用多種節電的工作模式，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、幀確認以及數據校驗等，通信可靠性強，為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，可以有效的避免發送數據時的沖突問題。可采用星型、樹型和網狀型的網絡拓撲結構，最多可掛載254個子節點，最多可組成具有65000個節點的大網絡，網絡容量高。采用格柵狀的拓撲結構，智能性的路由節點可以使接入點無須經過中央交換機點即可相互通信，對于故障的產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。網絡提供了三級安全模式，可靈活確定其安全屬性，因此數據安全性高。

網絡層（NWK）是位于MAC層之上與應用層交互的一個協議層。網絡層邏輯上包含數據服務實體（NLDE）和管理服務實體（NLME） 兩個服務實體。NLDE一SAP是網絡層提供給應用層的數據服務接口。NLME一SAP是網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

通信系統是是聯系井上監控中心和井下采煤機的橋梁，是整個采煤機系統的信息交換通道。通信系統的通暢關系到整個遙控采煤機系統的正常運行。井上監控中心所下達的各項動作指令要通過通信系統傳送給井下采煤機終端；井下采煤機終端的所有采集信息、動作參數等需要通過通信網絡上傳到井上監控中心。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 系列技術架設網絡的費用較高。使用基于紫蜂（ZigBee）技術的無線通信單元，組網簡單、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模塊內嵌串口透明傳輸通信協議，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 紫蜂通信協議的體系結構

IEEE無線個人局域網工作頻段為868/915 MHz和2.4 GHz，是一種經濟、高效、低速率的無線技術網絡層。按照OSI模型，ZigBee網絡可分為物理層（PYH）、媒體訪問控制層（MAC）、網絡/安全層（NWK）和應用層（APL）4層。根據 IEEE802.15.4協議標準規定，物理層定義了3個載波頻段用于接收/發送數據。

2.3 紫蜂網絡拓撲結構

ZigBee網絡層支持星型、樹型和網狀型三種拓撲結構。網狀型拓撲網絡，設備之間使用完全對等的通信方式，在網絡的覆蓋范圍內，所有全功能節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絡的覆蓋范圍。這種結構適用于大規模的工業監控網絡。星型拓撲結構中，網絡由一個協調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調器進行轉發。樹型網絡路由器由全功能設備擔當，可以增加網絡節點的數量。終端設備可以成為路由器的子設備或者是成為協調器的子設備。

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。采用樹型網絡拓撲結構進行組網。

3 結語

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

參考文獻

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