新型煤矿井下应急无线通信系统的建立

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1、万方数据第28卷第1期西安科技大学学报2008年3月JoI瓜NALOFXI’ANI『Nn咂RSⅡYOFSCⅡ烈CEANDTECHNOL()GYV01．28N0．1Mair．2008文章编号：1672-9315(2008)01一0117一05新型煤矿井下应急无线通信系统的建立孙弋(西安科技大学通信与信息工程学院，陕西西安710054)摘要：随着现代化煤矿的要求及无线通信技术的发展，地面无线通信技术(如PHS)开始应用于煤矿井下通信。通过分析基于Zigbee的短距离无线通信技术，提出了一种基于Zigbee技术

2、的矿井应急救援无线通信系统，实现井下目标位置环境等参数远程采集，为救援决策提供科学依据。该系统基于$3C4480XARM7硬件平台和／zC／OS—II软件平台开发出基于Zigbee技术的无线接力中继器来快速建立一条无线通信链路，并通过搭载环境参数传感器和红外摄像头的Zig-bee前端实现对井下目标位置环境参数和视频图像的采集。重点介绍了该应急救援无线通信系统的原理、硬件组成和软件实现。关键词：SDR短距离无线通信；Zigbee技术标准；应急通信；低功耗一．中图分类号：TD65+5．3文献标识码：A随着社会

3、对煤炭需求量的增大，煤矿产能的不断提高，近年我国煤矿事故又有攀升趋势，煤矿安全状况令人担忧。煤矿事故发生后，为了保证安全、不发生二次事故，煤矿井下电力供应完全切断，已有的各种通讯系统无法开启。因此，为了能够实时了解到救援人员不能到达位置的具体状况(如瓦斯浓度、H：S浓度、温度等各种环境参数及巷道通风情况)，需要能够快速建立一套应急通信链路来实现井下目标位置环境参数远程采集，为救援决策提供科学参考。近年来由于无线通信技术的发展和煤矿信息化的要求，地面无线通信技术开始应用于井下，其中井下小灵通PHS已经成熟应

4、用于井下话音及人员定位等服务。针对矿井有限空间特殊的无线电波传播环境，以Zigbee为代表的SDR(ShortDistanceRadio，短距离无线通信)技术由于具备网络铺设简单、发射功率低、低功耗、续航能力强、易实现煤矿本质安全电路设计等特点，也开始在煤矿行业中得到应用。矿井事故发生后，由于井下特殊环境，如具有易燃易爆瓦斯气体、H：S等有毒气体，所以建立的救援通信系统必须满足以下要求：第1，由于事故发生后，井下大部分区域情况不明，因此该通信系统链路的建立应该由机械来完成，并可以通过后方人员远程控制操作，

5、为救援中心提供前方敏感区域的实时信息；第2，该通信系统应该具备足够的网络伸展能力；第3，网络设备在采用蓄电池供电时，应该具有1周左右持续工作能力，保证在整个救援过程中正常稳定工作。．针对井下应急通信系统的设计要求，文中提出了一种采用Zigbee技术的井下应急无线通信系统，以满足煤矿井下应急通信的要求。1Zigbee技术Zigbee是一组基于IEEE批准通过的802．15．4无线标准，是一个有关组网、安全和应用软件方面的技术标准，被称作IEEE802．15．4(Zigbee)技术标准。Zigbee技术是一种

6、结构简单、低功耗、低速率、低成本和可靠性高的双向无线网络通信技术，使用的频段为2．4GHz，868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段，主要适合于自动控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。·收稿日期：2007—12—20责任编辑：郭西山作者简介：／6弋(1972一)，男，陕西泾阳人，博士，副教授，主要从事短距离无线通信技术及通信终端设计与应用的研究．万方数据118西安科技大学学报2007卑IEEE802．15．4满足国际标准组织(ISO)开放系统互连(OSI)参考模式。完整的

7、Zigbee协议套件由高层应用层、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。网络层以上协议由Zigbee联盟制定，IEEE802．15．4负责物理层和链路层标准⋯。协议框架如图1所示。IEEE802．15．4定义了2个物理层标准，分别是2．4GHz物理层和868／915MHz物理层。它们都基于DSSS(DirectSequenceSpreadSpectrum，直接序列扩频)技术，使用相同的物理层数据包格式，区别在于工I乍频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。其中2．4GHz波段为全球统一的无需申请的I

8、SM频段，有助于Zigbee设备的推广和生产成本的降低，该频段的物理层使用了16个信道、250kb／s的传输速率呤]。数据链路层分为逻辑链路控制子层(LLC)和介质访问控制子层(MAC)"’4J。网络层采用基于adhoc技术的网络协议瞪]，支持3种网络拓扑结构：星状、网状、丛树状。功能包括拓扑管理、MAC管理、路由管理和安全管理。根据节点的不同角色，可分为全功能设备(Full—FunctionDe-vice；FFD)与精简功能