蓝牙技术用于矿井通信的可行性探讨.pdf

第 2期 2 0 0 3年 4月 工 矿 自 动 化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n No 2 Ap r 2 0 0 4 ● 综 述 ．● 文章 编号 1 6 7 1 2 5 I X 2 0 0 4 0 20 0 1 50 3 蓝牙技术用于矿井通信的可行性探讨* 郑 国莘 ， 汪敏 上海大学通信与信息工程学院， 上海2 0 0 0 7 2 摘 要 探讨 了蓝 牙技 术 用于矿井通信的可行性 ， 论证 了无线 电传 输的适 用性 ， 并针 对蓝 牙的技 术特性提 出这 一技 术在矿 井 中可能应 用的一 些场合。 关键词 矿井 ； 无线通信 ；蓝 牙技 术 ；可行性 中图分类号 T D6 5 5 ；T N 9 2 文献标识码 A Di s c u s s i o n o n P o s s i b i l i t y o f B l u e t o o t h Te c h n o l o g y Us e d i n M i n e Co mmu n i c a t i o n Z HENG GU O x i n． W ANG M i n C o l l e g e o f Co mmu n i c a t i o n a n d I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g ，S h a n g h a i Un i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 7 2 ，C h i n a Ab s t r a c t Th e p a p e r d i s c u s s e d t h e p o s s i b i l i t y o f b l u e t o o t h t e c h n o l o g y u s e d i n mi n e c o mmu n i c a t i o n，e x p o u n d e d a n d p r o v e d t h e a p p l i c a b i l i t y o f wi r e l e s s t r a n s mi s s i o n，a n d p u t f o r wa r d t h e b l u e t o o t h t e c h n o l o g y c a n b e u s e d s o me p l a c e s i n mi n e a c c o r d i n g t o c h a r a c t e r i s t i c s o f t h i s t e c h n o l o g y． Ke y wo r d s mi n e ，wi r e l e s s c o mmu n i c a t i o n，b l u e t o o t h t e c h n o l o g y，p o s s i b i l i t y 0 引 言 蓝牙是一个 开放 性 的无线 通信 标 准H 一 ， 它 将取 代目前多种电缆连接方案 ， 通过统一的短程无线链 路 ， 简化 小型网络设备 手机 、 移动 P C、 掌上 电脑 之 间 以及这些 设备 与 I n t e r n e t 之 间 的通 信 ， 免 除在 无 绳 电话或移动 电话 、 调制解 调器 、 头 套式送／ 受话 器 、 P DA、 计算机 、 打印机 、 幻灯机 、 局域 网等之 间加装 电 收 稿 日期 2 0 0 3 1 2一l 0 *基金项 目 国家自然科学基金项 目资助 6 9 9 7 2 0 3 0 作者简介 郑国莘， 男 ， 教授 ， 1 9 8 2年本科毕业 于太原工学院无 线电技术专业 ， 1 9 8 7年研究生毕业于山西矿业 学院工业 自动化专 业 ， 现从 事限 定空 间通 信研究 。 线 、 电缆和连接 器 ， 从 而实现个人 区域 内快 速灵活 的 数据和语音通信 。据估计 2 0 0 2年全球 蓝牙调 制解调 器等 外 围 设 备 达 1 ． 5亿 台 ， 蓝 牙 笔 记 本 电 脑 达 2 5 0 0万部 ， 2 0 0 3年 ， 全球 9 0 ％以上 的笔记 本 电脑采 用蓝牙技 术 ， 到 2 0 0 5年 ， 全球业界将推 出6 ． 7亿 台具 有蓝牙 功能的信息家 电。 虽然蓝牙技术初衷是应用于信息家电领域， 然 而 由于技 术先进 、 协议完备 ， 应用于工业监控 以及机 器人领域 的前 景广 阔 。信 息家 电市 场 占有量 大 ， 产 品开发 时考虑 降低单台成本 ， 缩小体积 ， 一般 在芯片 级上进行。工业监控类产品则优先考虑可靠性 、 技 术经济性 、 开发周期 ， 因此应用开发 时在蓝牙模块 基 础上进行是省 时省 力的选择 ， 如图 1所示 。图 1中． 脉冲的区间出现“ 有电流” 信号不是真的“ 有 参考文献 电流 ” 。 ～⋯ 4 结 语 用 MA TL A B对无环 流交 一交变频 器进行 仿真 研究 ， 仿 真结 果表明 无环流“ 死时” 使 电流过零不平 滑， 带来一系列 的低次谐波 ， 而且这些谐 波的幅值随 输 出频 率增大而增大 。 [ 1 ] 王兆安 ， 杨 君 ， 刘 进 军 ． 谐 波 抑 制 与 无 功 功 率 补 偿 [ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 1 9 9 9 ． 2 马 小亮 ． 大 功 率 交 一交 变 频 器 交 流 调 速 及 矢 量 控 制 M] ． 北 京 机械工业 出版 社 ， 1 9 9 2 ． 『 3 [ 美 ] B R佩莱 ． 可控硅相 控变 流器及 变频器 [ M] ． 杨启 元 译 ． 北京 冶金 工业 出版社 ， 1 9 8 1 ． 维普资讯 1 6 工 矿 自动 化 2 0 0 4年 4月 HCI 是主机与 主控 制 器的 接 I2 1 ， 主机 在这里 意 味着 原来设 备的电路 ， 控制 器则 意 味着 蓝牙模 块 。根据 蓝牙 白皮书 的 HCI 协议 ， 开 发者可 以根据 不 同应 用 进行程序编制 。本 文探讨 了蓝牙技术 用于矿井通信 的可行性 ， 主要论证 了无线 电传输 的适用性 ， 并针对 蓝牙 的技术 特性提 出一些 可能应 用的场合 。 b 1 硬件部分 图 1 在 蓝牙 模块 上 的应 用开 发部 分 1 蓝 牙无线 电在矿 井中传输的特性 UHF通 信的干扰效应 ， 结果表 明客观上 没有影 响通 信质量 。 分 图 2 2 GHz 无线电信号在矿井中传播的特性 蓝牙载 频 选 用 在 全 球 都 可 用 的 2 ． 4 5 GH z工 业 、 科 学 、 医学 I S M 频带 ， 蓝牙 技 术能 否应 用 于矿 井通信 ， 首要 问题 是这 一 频率 的无线 电波是否 能在 矿井中有效地传输。目前矿井实用的无线电系统还 未 用到这 样高 的频段 ， 而且普遍认 为 ， 地下无线通 信 的传输 频率也不能过高 。 然 而 ， 近年来 的实 验 表明 ， 当频率 进一 步提 高 ， 如过 3 0 0 MHz 时 ， 无线 电波 在矿井 中的 传输 反而 变 佳 。 目前 学者们用两种理 论来 解释这一点 1 基于波导理论 。矿井巷道 的半封 闭空 间结 构 以及煤 的 电介质特性使 得矿井在频率较 高的情况 下类似 于波 导 。波 导是 一个 高通 滤波 器 ， 因而 较高 频率无线电信号可以在其中较为有效地直接传输。 2 基于无线 电传输 的光学射线 理论 也可 以解 释这一现 象。当无线 电的波长远远小于限定空 间的 几何尺寸时， 无线电的传播可以看成是光在限定空 间中直射 、 反射 、 绕射 的综 合结 果 。在 UHF频 段传 输 比 VHF以及更低频 段更加有效 。 蓝牙工 作在 2 ． 4 GHz ， 对于 这 一频 率在 矿 井 中 的传输 许多学者 已经 进行 了多次实验 见 图 2 [ 。 在西山官地矿 以及邢 台矿务局显得 旺矿综 采工 作面 采用专用的工作在 2 ． 4 G H z 的扩频 电话通信的实 验 表明 ， l 0 0 d B m 的功率可以有效地传输 l 0 0 m。 在矿井 中采用 UHF无线 电通 信的另 外一个优 越性是空间电磁波对通信的干扰很小 ， 曾经在矿井 直巷道 中实验 了电机车通 过时电弓发 出的电火花对 2 蓝牙技术在矿 井中的可 能应用 蓝牙发 信机 采 用跳 频扩 谱 F r e q u e n c y Ho p p i n g S p r e a d S p e c t r u m 技 术 ，在 2 ． 4 5 GHz频 带 上 以 l 6 0 0跳／ s 的速 率进行跳 频 。在发射带 宽 为 1 MHz 时 ， 其有效数据速率为7 2 1 k b p s ， 并 采用低 功率 时分 复用 方式发射 ， 适合 1 0 m 范围内的通信 。 蓝牙短距离传输适应 于矿井 许多场合的局部监 控 ， 例如采煤机 的遥 控就 是一 例 。由于采煤 机 截割 部的煤 尘很大 ， 同时为了便于观察周 围情况 ， 采煤机 司机手 持遥 控 器在 机 器 近旁 遥 控操 作 是 非 常必 要 的。 目前 国外的采煤机 以及国产 的新型采煤机都采 用遥 控方式 。一般要求遥控有效 距离是 1 5 m， 遥控 的内容包括主机 的开 、 停 ， 摇臂 的升高 、 降低 ， 采煤机 的先进 、 后退等 。先进 的 电牵引 采煤 机还包 括牵 引 的无级调速 。 目前 国外 以及国内的采煤机遥控有 以 下几 个 问题 遥 控 无 线 电频 率 均 选 用 1 5 0 MHz频 段。实践与理论都表 明这一频段 的无线 电波在矿井 限定空间传输时损耗大 ， 致使遥控器电池笨重 ， 实现 本安特性 困难 。另外采用 常规 的无线电遥控技术可 靠性级 别不高 ， 存 在误 动的危险隐患 。还 有 ， 最新 的 国内采煤机遥控未实现双工通信， 因此不能在遥控 器上显示 采煤机的行走速度等反馈 信息 。 蓝 牙 技术 在 解决 这 几 个关 键 问题 上 是有 优 势 的。如前 所述 ， UHF频 段在矿井环境 中传输 比较 有 效 ， 蓝牙采用跳频 的扩频 技术 ， 抗 干 扰能 力更 强 ， 传 输距离更远 。经 计算 ， 0 d B m 的发射 功率 已经 能 完 成采煤机有效 的遥 控 ， 整 机功耗 仅需 现有 遥 控器 的 l ／ 5 。蓝牙的功能完善， 其协议栈为双工通信提供方 便 ， 可 以在遥控 器上实 现采 煤机 众 多信息 的反 馈显 示 。因此 ， 未来 的遥控 器将 是单 片机 核心模 块 与蓝 牙模 块的结合 。蓝牙 除采用跳 频扩频的低功率传输 外 ， 还采用 鉴权 和加密等措施来提高通信 的安全性 ， 攀 喜 维普资讯 2 0 0 4年 第 2期 郑 国莘等 蓝牙技 术 用于矿 井通信 的可行性探 讨 ’1 7 这 点对设备遥控 非常重要 。 蓝牙模块在 增加 功 率 的情 况 下 ， 无线 电信 号 穿 透工作面传输可能成功。蓝牙在地面传输距离可以 达到 1 O 0 m， 由于 UHF在 限定空 间传播 的有 效性 ， 加上天线增益 ， 在井下的传输也可以达到这一距离。 这将对工作面的通 信 以及生产 自动化 具有意 义。例 如综采工作面急需实现采煤机 的机载瓦斯遥测 ， 由于 工作面无法敷设专用 电缆 ， 目前 尚没有有 效的手段将 工作面的信号传到顺槽。利用蓝牙技术可将信号直 接从采煤机传 到端头 ， 解 决这 一难题 。此外 ， 可 以实 现工作面的个人 移动通信 ， 解决 工作面生 产调度 、 设 备维护的无线通信难题。一旦传输问题解决 ， 信号接 口问题较为简单， 蓝牙协议中已经包含了语音传输的 部分 ， 局部的语 音通信可 以在底层进 行 ， 与现有通 信 系统 的连接 以及数据通信则可 以在高层开发。 蓝牙 技术用于矿井 瓦斯监控 也有可行性 。蓝牙 支持点对点 和点 对 多点 的连 接 ， 可 采用无 线 方式将 若干蓝 牙设备连 成一 个微 微 网 P i c o n e t ， 多 个微 微 网又可 互连 成特 殊分 散 网 ， 形成灵 活 的多 重微微 网 的拓扑结构 ， 从 而实现各类 设备之 间的快速通信 。它 能在一个微微 网内寻址 8个设备 实际上互联 的设备 数量 是 没 有 限 制 的， 只 不 过 在 同一 时 刻 只 能 激 活 8 个， 其中 1 个为主， 7个为从 。因此利用蓝牙技术 在掘进 、 工作面 回风巷 等处组 成安全监 控微微 网 ， 有 望实现瓦斯 监控信号 的无线 电传输 。在矿井这 种环 境恶劣 、 工作地点移动频 繁 的场 合 ， 采 用无线 电传输 无疑提高了系统 的可靠性， 简化了操作与维护 。 在井底 调车场 ， 蓝牙技 术 可 以用 来实现 车辆 信 集闭 系统 的信息 传 输 ， 可 以 向机车 司机 反馈道 轨 的 状态等， 扩大了信息传播 的内容 以及形式。同时还 能解决 以前有线传输无法 解决 的问题 。 在 与全 矿井监 控 网络连接 方 面 ， 蓝牙技 术具有 标准 的接 口。 目前 尽 管 全矿 井 监 控 网络 产 品非 常 多， 然而在监控网络的终端都采用有线传输连接传 感器、 监控分站等。采用漏泄电缆的传输系统可以 实现一定 的移动 监控 ， 但 离 开漏泄 电缆 的覆 盖 区域 例如在工作面 这种监控就无 能为力。利用蓝牙技 术作 为终端接 入的有效 手段 ， 可 以连接 有线 一无线 的全矿井安全、 生产 、 调度等系统。 3 结 语 蓝牙 的短距离传输 、 完善的协议栈以及适 应于限 定空间使用的特点使其具有 在矿井 中使 用的潜 在前 景。随着蓝牙芯片价格的降低， 相信其未来应用会象 单片机应用那 样普及 。但 目前 在工业领域 制约其 推 广的关键主要还不是芯片或模块的价格 ， 而是技术支 持不 足。目前其开发工具不多 ， 且 界面并不友好 。比 如爱立信的 E B D K开发 系统适宜于基于模块的开发 ， 若进行基于芯片 的开 发 ， 协议 的复杂 与专业程度 、 编 程工作量之大都远 非单片机可 比。只有 当开发 工具 适宜于普通工程师二次开 发时 ， 蓝牙才会普及 。蓝牙 在矿井 中的应用还需作进一步 的研究 ， 作为专业厂商 领先一步开展相关产品的预研无疑是 明智 的。 参 考文 献 [ 1 ] B l u e t o o t h Wh i t e P a p e r B l u e t o o t h P r o t o e o l Ar c h i t e c t u r e ． Ve r s i o n 1 ． 0 [ E B／ OL ] ．h t t p W WWb l u e t o o t h o r g ． c o rn [ 2 ] Z h e n g G X，Z h a n g Y P ． P r o p a g a t i o n o f UHF R a d i o Wa v e s i n Tr a p e z o i d Tu n n e l s [ J ] ．Mi c r o wa v e s a n d Op t i c a l Te c h n o lo g y L e t t e r s ，1 9 9 9 ， 2 0 5 2 9 5 ～2 9 7 ． [ 3 ] Z h a n g Y P，Hw a n g Y．Ch a r a c t e r i z a t i o n R a d i o P r o p a g a t i o n Ch a n n e l s i n Tu n n e l En v i r o n me n t s f o r Mi c r o c e l l u l a r a n d P e r s o n a l C o mmu n i c a t i o n [ J ] ．I E E E Tr a n s a c t i o n o n Ve h i c u l a r Te c h n o l o g y，1 9 9 8， 4 7 2 8 3～ 2 7 6． 综采面采煤机位置连续监测 系统 兖矿集 团东滩 煤矿采 用计齿法 和感应通信相结合 的方法 ， 实现 了采煤机动态位 置的实时连续监测 ， 使地 面的生产管理人员 打开计算机就能够及 时 了解采煤机 的运行情况 。 检测装 置通过接 近开关提供 的采 煤机牵引齿轮运行时 产生 的开关 脉 冲信号 ， 完成 采煤机 运行状 况 的检 测 ； 主机通 过对该信号 的分析 ， 可得 到采煤机 全部运行参数 ， 如开 、 停 、 运行速度 、 运 行方 向及相对位 置等 。在 完成 检测后 ， 主机将数据传送 给井下中心站及地面调度室 。检测装 置与 中心站采用无线感应式 通信 ，发送数 据 由通信 电路调制成 1个 字频 发射信号 ， 通过无线耦合 到采煤机 动力0 a_Ny _ ，完成与 中心站 的联 系。采煤机 动态位 置显示在地面计算机软件 主显示屏幕上 。 李剑 锋 维普资讯