基于无线通信技术和串行通信协议实现井下无线通信系统的设计

出处:网络整理 发布于:2020-03-16 14:33:54

  引言

  该系统是基于CAN和ZigBee技术的井下无线通信系统。主要作用是使矿山井下作业人员能较方便的进行双向无线通信,并辅助实时人员跟踪,便于企业合理的调度和管理,特别是矿难发生时,在原有线通信系统损害的情况下,对救援受困人员起很大的作用。

  ZigBee是一种新兴的基于IEEE 802.15.4短距离,低功耗的无线通信技术,主要适用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入到各种设备中,ZigBee技术可以用很少的能量在数千个微小的节点之间相互协调实现通信,以接力的方式通过无线电波数据从一个网络节点传到另一个节点,通信效率非常高。

  CAN(Controller Area Network,CAN)是ISO国际标准化的串行通信协议,由1986年德国Bosch公司开发的,CAN总线已成为嵌入式工业控制局域网的标准总线,广泛的应用于工业自动化、医疗设备、汽车等方面。

  1 、系统基本组成与工作原理

  1.1 系统组成

  结合煤矿应用的特殊情况,煤矿井下无线通信系统系统结构如图1所示,由井上的上位机、通信接口及井下的CAN总线、ZigBee通信基站和ZigBee通信终端5部分组成,如图1所示。

  

  1.1.1 Can总线硬件组成

  CAN总线使用两端连接120 Ω终端电阻双绞线通过通信接口连接到上位机,并与井下的各个ZigBee通信基站连接。当距离大于10 km时,在合适位置增加CANbridge网桥,改变网络的拓扑结构,增加连接设备的能力。

  1.1.2 ZigBee通信基站组成

  通信基站分CAN节点、微控制器、ZigBee节点3个部分,如图2所示。

 

  其中CAN节点由CAN控制器、CAN驱动器、光电隔离模块3部分组成,CAN控制器模块选用TM320F2812,其中集成了CAN控制器,提供了完整的CAN协议。收发控制器采用PHZLZPS公司生产的PCA62C250。使用6N137光电耦合器使PCA62C250与TMS320F2812隔离,实现各CAN节点接的电气隔离。

  ZigBee可在868 MHz,915 MHz和2.4 GHz 3个频段上进行。由于煤矿巷道的特殊结构和材料组成,不同频率无线波在巷道中的衰减、受干扰程度不同,总体上频段越高,衰减、受干扰的越小,所以选择使用2.4GHz的频段,采用Chipcon公司的CC2420,CC2420是IEEE802.15.4标准的低功耗单片集成度高的芯片。工作在2.4 GHz免费频带上。[page]

  1.1.3 移动通信终端组成

  如图3所示,ZigBee通信模块选择CC2420,语音处理模块负责上下行语音的数模转换,液晶屏与键盘负责人机交互,麦克负责语音的收集,喇叭负责语音的播放,电源可用充电电池。

 

  1.2 工作原理

  系统共有4个关键步骤,如图4所示。

  (1)ZigBee移动终端由工作人员带入巷道,包含该终端地址和数据的数据包以射频信号与ZigBee通信基站握手。

  (2)ZigBee基站接收到射频信号经处理后得到该数据包的地址和数据信息,以及天线信号参数,转发给CAN总线。

  (3)CAN总线对经MCU处理过的ZigBee基站解析的数据发送到上位机,该数据包包含移动ZigBee终端的ID号、数据及天线信号参数。

  (4)上位机软件解析CAN数据包发送的数据,如没有呼叫则登记并管理该ZigBee通信终端的位置、电量、信号等参数。如该ZigBee终端呼叫其他终端则后台软件进行路由判断,并与被呼叫终端建立路由,路由建立后进行语音数据传输,完成语音通信。

  1.3 上位机软件

  上位机软件采用.NET平台开发,数据库采用SQL2008,整个软件模块如图5所示。

  

  2、 结语

  相对于现煤矿已应用的井下无线通信系统,小灵通和WIFI技术,本文提供了一种较新的技术实现方式。ZigBee具有低成本、数据传输可靠、低功耗、节点通信设置易于配置、安全及技术相对成熟的特点。经验证,该系统更好的满足了井下无线通信的功能。


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