計(jì) 宏
(西安科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心)
目前,煤礦安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)主要采用2種組網(wǎng)方式:有線通信網(wǎng)絡(luò)與無線通信網(wǎng)絡(luò)?;诂F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的有線通信網(wǎng)絡(luò)具有可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。其中,CAN總線以其卓越的性能以及優(yōu)異的可靠性,成為應(yīng)用最廣泛的一種標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線[1]。但是,有線通信網(wǎng)絡(luò)存在系統(tǒng)布局不方便、監(jiān)控容易出現(xiàn)死角、對(duì)線路依賴性強(qiáng)等不足[2]。例如,應(yīng)用于綜采工作面液壓支架的壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng),傳感器數(shù)量多,液壓支架需要根據(jù)工作進(jìn)度進(jìn)行移駕,同時(shí)工作面環(huán)境復(fù)雜,這都增加了有線通信網(wǎng)絡(luò)建立與擴(kuò)展的難度,限制了其應(yīng)用[3]。
隨著傳感器及無線通信技術(shù)的發(fā)展,無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在井下安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注。當(dāng)前用于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的無線通信技術(shù)有紅外技術(shù)、WiFi技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)與ZigBee技術(shù)等。無線通信網(wǎng)絡(luò)具有組網(wǎng)靈活、自組織、環(huán)境適應(yīng)性等特點(diǎn)[4]。但是,無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在煤礦安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用也面臨著許多挑戰(zhàn)。例如,由于無線傳輸路徑損耗以及噪聲干擾影響信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?為了提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃裕档途W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗,需要采用短距、多跳路由的組網(wǎng)方式,這將增加組網(wǎng)的復(fù)雜性以及成本;基于以上原因,對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)也面臨巨大的困難[5]。
本研究針對(duì)當(dāng)前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)存在的不足,結(jié)合煤礦特殊的環(huán)境條件,提出一種有線與無線通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的組網(wǎng)方式,采用差錯(cuò)控制編碼技術(shù)提高無線通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性,并給出監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方法。
鑒于煤礦復(fù)雜、惡劣的工作環(huán)境以及有線與無線通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),從可靠性以及經(jīng)濟(jì)角度出發(fā),煤礦安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)采用有線與無線通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的組網(wǎng)方式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。具體來說,井上采用CAN總線將采集到的信息傳輸給上位機(jī)。井下則分2種情況:①針對(duì)開拓巷道,如主副井、運(yùn)輸大巷、回風(fēng)大巷、井底車場(chǎng)等受采動(dòng)影響小、工作環(huán)境較穩(wěn)定、信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)的區(qū)域,有利于CAN總線網(wǎng)絡(luò)的鋪設(shè),發(fā)揮有線通信網(wǎng)絡(luò)的高可靠性、高實(shí)時(shí)性和低成本優(yōu)勢(shì);②而對(duì)于采準(zhǔn)巷道,如工作面運(yùn)輸巷、采區(qū)車場(chǎng)等受采動(dòng)影響大,巷道壓力大,圍巖變形速度快的小范圍區(qū)域,采用基于ZigBee技術(shù)的無線通信網(wǎng)絡(luò),既可以簡(jiǎn)單、靈活地進(jìn)行組網(wǎng),又不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的可靠性及成本造成影響。
圖1 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
該安全監(jiān)控系統(tǒng)主要由上位機(jī)系統(tǒng)、智能節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)組成。其中,上位機(jī)作為安全監(jiān)控系統(tǒng)的信息處理中心,通過CAN總線與智能節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交換,以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)與控制。智能節(jié)點(diǎn)是以微處理器為核心的信息采集或現(xiàn)場(chǎng)控制節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)局部無線網(wǎng)絡(luò)的中心,采用主從式無線網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的管理。終端節(jié)點(diǎn)同樣是以微處理器為核心的信息采集或現(xiàn)場(chǎng)控制節(jié)點(diǎn),通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與局部協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交換。
通過上節(jié)介紹可以知道,ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)被用于在小范圍內(nèi)組網(wǎng),這在一定程度上克服了無線通信網(wǎng)絡(luò)可靠性與成本之間的矛盾。但是,采準(zhǔn)巷道通常比較狹窄,巷道壁結(jié)構(gòu)復(fù)雜、平整性差,從而產(chǎn)生電磁波多徑傳播現(xiàn)象,導(dǎo)致接收信號(hào)出現(xiàn)頻率選擇性衰落和時(shí)延擴(kuò)展;由礦用電機(jī)車架空接觸線火花等產(chǎn)生的電磁干擾也會(huì)影響無線信號(hào)的傳輸。因此,為了提高安全測(cè)控網(wǎng)絡(luò)中無線信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性,采用差錯(cuò)控制編碼技術(shù)降低比特誤碼率是非常必要的。
前向糾錯(cuò)線性分組碼是一類應(yīng)用廣泛的差錯(cuò)控制編碼方法,其實(shí)現(xiàn)方法是在發(fā)端給被傳輸?shù)男畔⒋a元附上一定數(shù)量的監(jiān)督碼元,信息碼元與監(jiān)督碼元之間以線性檢驗(yàn)關(guān)系相互關(guān)聯(lián)。在收端通過檢驗(yàn)信息碼元與監(jiān)督碼元之間是否滿足線性檢驗(yàn)關(guān)系,可以發(fā)現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤及至糾正傳輸錯(cuò)誤。在實(shí)際應(yīng)用中,分組碼設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是信道的信噪比情況。信噪比越小,信道傳輸信號(hào)的誤碼率越高,分組碼需要越強(qiáng)的糾錯(cuò)能力,也就需要更加復(fù)雜的硬件來實(shí)現(xiàn)。為了以最簡(jiǎn)單的分組碼達(dá)到比特誤碼率指標(biāo),設(shè)計(jì)工作的第1步是了解信道中的噪聲及其對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊憽?/p>
通過建立信道模型得到信道差錯(cuò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),如信道轉(zhuǎn)移概率pe(誤碼率)、長(zhǎng)為n的碼組出現(xiàn)m個(gè)錯(cuò)誤碼元的碼組概率p(n,m)(錯(cuò)組率)、出現(xiàn)大于等于m個(gè)錯(cuò)誤碼元的碼組概率p(n≥m),是分析分組碼性能的有效手段。煤礦巷道信道是一種典型的有記憶信道,即信道中同時(shí)包含高斯噪聲和突發(fā)噪聲。修正二進(jìn)制對(duì)稱信道模型能夠較準(zhǔn)確地描述有記憶信道特征,其由2個(gè)參數(shù)確定:誤碼率pe反映信道的信噪比情況,通過對(duì)信道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到;錯(cuò)誤密度指數(shù)α反映差錯(cuò)碼元之間的相關(guān)程度(記憶性),α越大,錯(cuò)誤碼元之間的相關(guān)性越大,其在m/n<0.5時(shí)可以由m階錯(cuò)誤密度γm(n)表示為
其中,m階錯(cuò)誤密度γm(n)由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的錯(cuò)組率表示,
利用修正二進(jìn)制對(duì)稱信道模型計(jì)算錯(cuò)組率:
其中,
由以上的討論可知,在進(jìn)行分組碼設(shè)計(jì)之前,首先需要確定式(3)中的2個(gè)參數(shù)pe和α。文獻(xiàn)[6]提出一種礦井巷道的信道模型,本研究利用該信道模型建立礦井巷道無線通信仿真系統(tǒng),通過仿真實(shí)驗(yàn)得到有關(guān)參數(shù)pe和α的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 信道誤碼率仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
仿真系統(tǒng)中,傳輸比特率定義為1 000 bps。傳輸信號(hào)由信源模塊產(chǎn)生二進(jìn)制單極性信號(hào),采樣頻率設(shè)置為0.001 s。礦井巷道信道采樣由S-Function定義的信道模塊。誤碼率計(jì)算模塊將誤碼統(tǒng)計(jì)結(jié)果輸出到Matlab工作空間,同時(shí)也將結(jié)果輸出到端口,通過顯示模塊顯示出來。顯示模塊中分別顯示誤碼率、總誤碼數(shù)目以及總統(tǒng)計(jì)碼組數(shù)目。由圖2可知礦井巷道信道的信道轉(zhuǎn)移概率pe=0.012 7,根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可得到錯(cuò)誤密度指數(shù)α=0.252 3。
在得到礦井巷道信道模型之后,通過分析比較不同碼長(zhǎng)和糾錯(cuò)能力的分組碼,進(jìn)行差錯(cuò)控制系統(tǒng)的性能分析和設(shè)計(jì)。在這里使用純糾錯(cuò)前向差錯(cuò)控制方法,設(shè)糾正t個(gè)隨機(jī)錯(cuò)誤的二進(jìn)制線性分組碼(n,k,2t),其中每一個(gè)碼組的總碼長(zhǎng)為n位,信息碼長(zhǎng)為k位,監(jiān)督碼長(zhǎng)為r=n-k。2k個(gè)許用碼組等概率發(fā)送,則碼組通過誤碼率為pe=0.012 7的巷道信道后,收端得到的碼組錯(cuò)誤概率是[7]
其中,0≤αm≤1為糾錯(cuò)系數(shù)。通常線性分組碼可以由式(5)得到錯(cuò)誤概率的上限:
將巷道的信道模型(3)代入式(6)可得
當(dāng)(m/n)<0.3時(shí),式(3)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為
則式(7)可以重新整理為
由式(9)可知,當(dāng)信道的信噪比一定時(shí)(由pe反映),信道傳輸?shù)腻e(cuò)誤概率與碼長(zhǎng)n和糾錯(cuò)能力t的比值有關(guān),同時(shí)其最大值與錯(cuò)組率和編碼效率(R=k/n)有關(guān)。分組碼糾錯(cuò)能力對(duì)比見表1所示。
表1 分組碼糾錯(cuò)能力對(duì)比
由表1可知,n/(t+1)越小,錯(cuò)組率越低,即編碼的糾錯(cuò)能力越強(qiáng)。在碼長(zhǎng)相同的情況下,糾錯(cuò)能力越強(qiáng)(t越大),n/(t+1)越小,但是編碼效率也越低。另一方面,隨著碼長(zhǎng)的增加,編碼效率隨之增強(qiáng),但是因?yàn)閚/(t+1)增大,錯(cuò)組率也隨之增加。通過以上分析可以知道,通常提高編碼效率與提高糾錯(cuò)能力是相互矛盾的,無法同時(shí)實(shí)現(xiàn);尤其是對(duì)于噪聲嚴(yán)重、信噪比小的信道,隨著n/(t+1)增大,錯(cuò)組率將顯著地增加,如表 1中的(255,223)與(255,239)。因此,考慮到安全監(jiān)控系統(tǒng)的無線傳輸數(shù)據(jù)量較小,系統(tǒng)對(duì)可靠性要求較高,所以編碼應(yīng)選擇中、小碼,并且以提高糾錯(cuò)能力為主。因此,在安全監(jiān)控系統(tǒng)中可以選擇(15,9),在保證較強(qiáng)糾錯(cuò)能力的同時(shí),兼顧編碼效率。
智能節(jié)點(diǎn)直接與CAN總線連接,用于現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。其核心采用德州儀器(TI)推出的MSP430微控制器,MSP430將智能外設(shè)、易用性、低成本以及業(yè)界最低功耗等優(yōu)異特性完美地結(jié)合在一起。CAN控制器與總線收發(fā)器分別選擇PHILIPS公司的SJA1000以及82C250。SJA1000支持CAN 2.0A/B協(xié)議,具有多主結(jié)構(gòu)、總線訪問優(yōu)先權(quán)及硬件濾波等功能。82C250作為CAN控制器與物理總線間的接口,不僅能夠提供對(duì)總線的差動(dòng)收發(fā)能力,具有抗干擾、保護(hù)總線的能力,而且能夠提高總線驅(qū)動(dòng)能力,支持多達(dá)110個(gè)節(jié)點(diǎn)以1 Mbps的速率工作于惡劣電氣環(huán)境。針對(duì)不同的環(huán)境變量,采用相應(yīng)的傳感器或作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集或設(shè)備控制。智能節(jié)點(diǎn)硬件電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖3。
圖3 智能節(jié)點(diǎn)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖
智能節(jié)點(diǎn)的工作過程是通過觀測(cè)器采集各種環(huán)境變量信息,經(jīng)過信號(hào)隔離、調(diào)理電路后送人MSP430的模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)接口,之后通過CAN總線將信息傳輸給上位機(jī);上位機(jī)整合、處理各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息,通過CAN總線向需要調(diào)控的節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制信號(hào);智能節(jié)點(diǎn)接收到控制信號(hào)后,根據(jù)被控變量的特點(diǎn),例如關(guān)于水泵流量的模擬變量或繼電器開闔的開關(guān)變量,將控制信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換(D/A)或進(jìn)行位操作。
協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的作用是作為一個(gè)通信樞紐,實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的無線通信,其硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4。
圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖
協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的主要組成:MSP430、CAN總線接口和ZigBee通信接口。ZigBee通信接口電路采用TI的無線射頻模塊CC2420,其僅需晶振、天線等少量外圍電路就能構(gòu)成射頻收發(fā)接口。MSP430與CC2420采用SPI主從工作模式,來自終端節(jié)點(diǎn)的無線信號(hào)經(jīng)過CC2420存入MSP430的存儲(chǔ)器中,定時(shí)向上位機(jī)發(fā)送;同時(shí),來自上位機(jī)的控制信號(hào)由MSP430控制經(jīng)過CC2420發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn)。
終端節(jié)點(diǎn)的硬件電路框圖如圖5,其主要由3部分構(gòu)成:MSP430、ZigBee通信接口、現(xiàn)場(chǎng)傳感器電路或作動(dòng)器電路。其功能與智能節(jié)點(diǎn)類似,兩者的主要區(qū)別是前者采用無線通信方式與上位機(jī)連接,而后者采用有線通信方式與上位機(jī)連接。
圖5 終端節(jié)點(diǎn)硬件電路框圖
安全監(jiān)控系統(tǒng)的軟件分為2部分:第一部分設(shè)計(jì)CAN通信協(xié)議在應(yīng)用層上的功能實(shí)現(xiàn),主要包括初始化、接收和發(fā)送[8]。初始化程序通過設(shè)置CAN控制器SJA1000的寄存器,確定CAN總線網(wǎng)絡(luò)的工作方式。接收程序?qū)崿F(xiàn)MSP430從SJA1000的接收緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取,并釋放接收緩沖區(qū),準(zhǔn)備接收下一數(shù)據(jù)幀。發(fā)送程序是MSP430將數(shù)據(jù)幀寫入SJA1000的發(fā)送緩沖區(qū),同時(shí)啟動(dòng)發(fā)送命令。因?yàn)镃AN總線網(wǎng)絡(luò)采用非破壞性總線仲裁與多主工作方式,當(dāng)總線空閑時(shí),總線上任一智能節(jié)點(diǎn)或協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可以占用總線;當(dāng)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí),則優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)退出發(fā)送,而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可以不受影響地發(fā)送。
軟件的第二部分包括ZigBee通信協(xié)議的建立和應(yīng)用層功能實(shí)現(xiàn)[9]。建立一個(gè)新ZigBee網(wǎng)絡(luò)的程序需要網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體(NLME)通過原語(yǔ)NLMENETWORK-FORMATION.Request發(fā)起。當(dāng)這個(gè)程序發(fā)起后,NLME通過發(fā)出原語(yǔ)NLMESCAN.Request來請(qǐng)求媒體訪問控制(MAC)子層對(duì)一組指定信道進(jìn)行能量檢測(cè)掃描,以尋找可能的干擾。NLME在收到能量檢測(cè)掃描結(jié)果后,對(duì)其中可接受信道進(jìn)行主動(dòng)掃描,以便選擇一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)最好的信道。如果找到一個(gè)合適的信道,NLME將為新網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè)個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(PAN)標(biāo)識(shí)符,并且向MAC子層請(qǐng)求開始運(yùn)行新的PAN。NLME接收到PAN啟動(dòng)的狀態(tài)標(biāo)志著以ZigBee協(xié)調(diào)器為中心的網(wǎng)絡(luò)建立。還未加入網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)通過發(fā)出原語(yǔ)NLME-NETWORK-DISCOVERY.Request請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò),此時(shí)網(wǎng)絡(luò)層(NWK)層請(qǐng)求MAC子層執(zhí)行一個(gè)被動(dòng)或主動(dòng)掃描。一旦MAC子層通過MLME-SCAN.Confirm發(fā)送掃描完成信號(hào)給NLME,NWK層必須發(fā)出NLME-NETWORK-DISCOVERY.Confirm原語(yǔ),包含每個(gè)偵聽網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)描述。在NLME收到上述原語(yǔ)后,通過發(fā)出NLME-JOIN.request從已發(fā)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)中選擇一個(gè)網(wǎng)絡(luò)加入。此時(shí)NWK層通過查詢NLME的鄰居表確定一個(gè)合適的父節(jié)點(diǎn)設(shè)備,而NLME通過原語(yǔ)MLME-ASSOCIATE.requst向MAC子層請(qǐng)求連接,并得到一個(gè)唯一的16位邏輯地址,以便子節(jié)點(diǎn)在未來的傳輸中使用。在組網(wǎng)的基礎(chǔ)上可以通過傳感器和作動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的安全監(jiān)控。圖6為ZigBee網(wǎng)絡(luò)程序的一個(gè)流程圖。
圖6 ZigBee網(wǎng)絡(luò)程序流程
針對(duì)目前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)所采用的有線組網(wǎng)與無線組網(wǎng)方式的不足,本研究充分考慮煤礦具體的開拓結(jié)構(gòu),提出一種有線與無線相結(jié)合的組網(wǎng)形式,既發(fā)揮了有線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性與可靠性,也發(fā)揮了無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)靈活、簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)煤礦巷道信道的復(fù)雜性,分析了無線通信差錯(cuò)控制編碼技術(shù)在巷道信道中的應(yīng)用,給出了具體的設(shè)計(jì)方法和步驟。該系統(tǒng)具有良好的可靠性與實(shí)時(shí)性,對(duì)提高煤礦安全生產(chǎn)具有重要的意義。
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