浅析基于紫蜂技术的采煤机无线通信系统.pdf

Q Sc i e nce a nd Tech no l o gy i nn ov at i on He r al d 浅析基于紫蜂技术的采煤机无线通信系统 刘翔宇 内蒙古煤矿设计研究院有限责任公司 内蒙古自治区呼和浩特0 1 0 0 1 0 创 新 技 术 摘要 基于紫蜂技术的采煤机无线通信具有近距离 、 低复杂度， 低功耗 低数据速率， 低成本的托最 。 文章主要是对紫蜂技术支持下的采煤机无线 通信系 统进行了 简 单的分析。 关键词 紫蜂技术采煤机通信 中图分类号 T D 6 7 6 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 4 0 9 8 X 2 O 1 3 0 4 b 一 0 0 4 0 0 l 近年来 ， 全 国各地小型 煤矿 不断发生 煤矿事故， 给国家和人民的生命财产造成了 重大的 损失。 煤 矿事故的发 生原因是多方 面的， 但是， 人为因素是直接诱发事故的导 火索。 与世 界上先 进的采煤 国家相比， 我国 煤 炭产业还 比较 落后。 大 型矿井 多处 于机 械化、 自动化综 采的初期阶段。 部 分小型煤 矿仍然 普遍 采用人工作业 的生产方式 。 这 些 传统 的作业方式是事故 发生的温 床。 因 此 ， 研究开发可靠性 高、 安 全性好、 工作效 率强的煤矿开采设备是我国采矿业发展的 一 个 重要 方向 。 1紫蜂通信技术介绍 紫蜂 Z i g B e e 技术是 一种具 有统一 技术标 准 的短距离无线 通信技 术 ， 它具 有 近距离、 低 复杂度、 低功耗 、 低数据 速率、 低成本 的特点。 主要适合 于 自动控 制和远 程控 制 领 域 。 紫 蜂 技 术 的工作 频 段 分为 8 6 8 MHZ 、 9 l 5 MHz 和2 ． 4 GHz 3 个频 段， 这3 个工作 频段相距 较大 。 9 1 5 MH z 信道个 数为l 0 个， 传输速率 为4 0 k b P S 。 8 6 8 MH Z 信 道个数 为 1 个， 传输 速 率为 2 0 k b p s 。 2 ． 4 GH z 信道个数为l 6 个， 传 输速率 为2 5 0 k b p s 。 该频段为全球通用的 工业、 科学、 医学 I S M 频段 ， 无需 付费和 申请 。 基于紫蜂技 术的无线 通信网络 采用多 种节电的工作模式 ， 设备功耗低， 最大功耗 仅为l ～3 MW。 采用了C S MAC A碰撞避 免机制 、 帧确认 以及数 据校验 等，通信 可 靠 性 强 ，为需 要 固 定 带 宽 的 通 信 业 务 预 留 r专 用 时 隙 ，可 以 有 效 的 避 免 发 送 数 据 时 的冲突『 L d 题 。 可采 星型、 树型和网状型的 网络 拓 扑 结 构 ，最 多可 朴 载 2 5 4个 f 点 ， 最多可组成具 f 6 5 o o o 个 点的大 网络， 网 络容 。采川格栅状的 扑结构， 智能性 的路 I 1 1 点可 以 使 接 入点 须 经 过 中 央 交 换 机 点 即 可 相 互 通 信 ，对 { 故 障 的 产 有很强的预防作用， 同时 还提 供了自愈和自 我组 织 的功 能 。网络 提 供 了三 级 安全 模 式 ， 可灵活确定 其安全 属性 ， 因此数 据安全 性 高。 网络 层 Nw K 是位于MAC 层之上与 应 用层交互 的一个协议 层。 网络层 逻辑 上 包 含数据服 务实体 NL DE 和管理 服务实 体 NL ME 两个服务实体。 NL D E S AP 是 网络 层提 供给应用层的数据服务接 口。 NL ME s AP是网络 层给 应用 层提 供 的 管理 服务接 lZ l 。 应用 层是 由应 用支持子层 AP S 、 用户应 用程 序、 紫蜂网络设备配 置 层组成 。 应用支持层的功能包括 维持绑定 表 ’ 在绑定的设备之间传送消息。 2 紫蜂无线组网 通信系统是是联 系井上监控 中心和井 下采煤 机的桥梁 ， 是整 个采煤机系统的信 息 交换 通道 。 通信系统 的通畅关系到整 个 遥 控采 煤机系统的正常运行。 井上 监控 中 心所下达的各项动作指令要通过通信系统 传 送给井下采煤机终 端； 井下采煤机终端 的 所有 采集信息 、 动作 参数等需 要通过 通 信 网络 上传到井上 监控 中心。 通 过各种通 信 技术的比较我们可 以看出红 外技 术 、 蓝 牙技 术、 射频识 别技术的有效传输距离 较 短 ； 超宽带无线通信技术传输距离有限 ， 隔 墙穿透能力不好； 数字增强无绳 电话技术主 要 针对家庭 用户， 易受 到多径 影响； I E EE 8 0 2 ． 1 1 系列技术架设网络的费用较高 。 使 用基于紫蜂 Z i g Be e 技 术的无线 通信单 元， 组网简单、 通信可靠、 功率低， 能够很好 的满足井下通信的需求。 2 ． 1紫蜂通信终端选型 Z i g B e e 模块 ZI CM 2 4 1 0 P 2 模 块 内 嵌 串口透 明传输通信 协议， 支持空 中升 级 固 件或 配 置远 程 模块 信息 。 其 具 有 以下 几个方 面的特点 高达7 d B m的功率 输 出 和 -1 O OdBm的 接 受 灵敏 度 ； 采 用 单芯 片 设 计方案， 抗干扰能力更强； 具 有T u r b o 模式 5 O 0 Kbp s 和Pr e mi um 1 Mb ps 模 式 ； j 土有 丰富 的 接 F I 类 ； 硬 什 1 2 8 位 AES加 密， 具有高安全性。 2 ． 2紫蜂通信协议的体系结构 I E E E无线 个人 局 域 网工 作 频 段 为 8 6 8 ／ 9 1 5 MHz 和2 ． 4 GHz ， 是一种经济、 高效、 低速率的无线技术网络层。 按照OS I 模 型， Z i g B e e 网络可分为物理层 P Y H 、 媒体 访问控制层 MAC 、 网络／ 安全层 NWK 和应用层 AP L 4 层。 根据I E E E 8 0 2 ． 1 5 ． 4 协议标准规定， 物理 层定义了3 个载波频段 4 0 科技创新导报S c i e n c e a n d T e c h n o lo g y I n n o v a t i o n H e r a ld 用干接收／ 发送数据。 2 ． 3 紫蜂网络 拓扑结构 Z i g B e e 网络层支持星 型、 树型和网状 型三种拓扑 结构。 网状型拓扑网络， 设备之 间使用完全对等的通信方式 ， 在网络的覆盖 范 围内， 所有全功能节点之间均能够进行直 接通信。 可以采用多跳的传输方式增大网络 的覆盖范围。 这种结构适用于大规模的工业 监 控网络。 星 型拓扑结构中， 网络由一 个协 调器和多个终端设备组成。 所有的终端设备 间通信必须通过协调器进行转发。 树型网络 路 由器由全功 能设 备担 当， 可以增加网络节 点的数量。 终端设备可以成为路由器的子设 备或者是成为协调器的子设备。 本 设 计 中采 用 广 州 致 远 电 子 有 限 公 司 代理 的 C E L公 司的 Z i g B e e 模 块 Z I C M2 4 l 0 P 2 。 采用的2 ． 4 GHz 频段为全 球 统一 的无需 申请 的I S M频 段。为了避 免 2 ． 4 GHz 附近各种 无线通信设备的干扰 ， 同时引入8 6 8 MHz 频段和9 1 5 MHz 频段。 物理层的码片调制方 式采用带有二进制移 相键控 B P S K 的直接序列扩频 D S S S 技术。 采用树型网络拓扑结构进行组网。 3 结语 基于紫蜂技术的采煤机无线通信系统 ， 可 以实时监 控井下的情况 ， 操 控人 员通过 远程操作在监控 中心对井下的开采机械进 行控制。 该通信 网络省去了布线的麻烦， 简 化了网络配置， 节省了布网的成 本， 因此 非 常适用于小型煤矿的开采工作。 参考文献 【 1 】侯宇刚， 朱桂 新， 孟祥忠 ， 等 ． 荩 丁有线 ／ 无线通信 技术 的综采机组 控 系统 的 设i ． 1- [ J 】 ． i 矿 自动化， 2 0 0 9 1 2 ． [ 2 】王增强， 午万 ， 权振林， 等． 电牵 引采煤 机在线监f ll lJ 与故障诊断系统研究【 J 】 ． 重 型机 械 ， 2 0l 2 5 ． 【 3 】徐志 鹏， 壬忠宾， 李辉． 采煤机远程监 控 关键技 术的研究【 J 】 ． 内江科技， 2 0 1 1 5 ． [ 4 】韦佳， 刘焕 强， 顾晓峰 ， 等． 基于Z i g B e e 的集中式 无线定位 系统设计【 J 】 ． 计算 机 工程与设计， 2 0 1 3 2 ．