论文部分内容阅读
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、低成本的特点。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：TD676 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）04（b）-0040-01
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（ZigBee）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868 MHz、915 MHz和2.4 GHz 3个频段，这3个工作频段相距较大。915 MHz信道个数为10个，传输速率为40 kbps。868 MHz信道个数为1个，传输速率为20 kbps。2.4 GHz 信道个数为16个，传输速率为250 kbps。该频段为全球通用的工业、科学、医学（ISM）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1～3 MW。采用了CSMA-CA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了专用时隙，可以有效的避免发送数据时的冲突问题。可采用星型、树型和网状型的网络拓扑结构，最多可挂载254个子节点，最多可组成具有65000个节点的大网络，网络容量高。采用格栅状的拓扑结构，智能性的路由节点可以使接入点无须经过中央交换机点即可相互通信，对于故障的产生具有很强的预防作用，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（NWK）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（NLDE）和管理服务实体（NLME） 两个服务实体。NLDE一SAP是网络层提供给应用层的数据服务接口。NLME一SAP是网络层给应用层提供的管理服务接口。应用层是由应用支持子层（APS）、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；IEEE 802.11 系列技术架设网络的费用较高。使用基于紫蜂（ZigBee）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
ZigBee模块ZICM2410P2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7dBm的功率输出和-100dBm的接受灵敏度；采用单芯片设计方案，抗干扰能力更强；具有Turbo模式（500Kbps）和Premium（1Mbps）模式；具有丰富的接口类型；硬件128位AES加密，具有高安全性。
2.2 紫蜂通信协议的体系结构
IEEE无线个人局域网工作频段为868/915 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OSI模型，ZigBee网络可分为物理层（PYH）、媒体访问控制层（MAC）、网络/安全层（NWK）和应用层（APL）4层。根据 IEEE802.15.4协议标准规定，物理层定义了3个载波频段用于接收/发送数据。
2.3 紫蜂网络拓扑结构
ZigBee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CEL公司的ZigBee模块ZICM2410P2。采用的2.4 GHz频段为全球统一的无需申请的ISM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868 MHz频段和915 MHz频段。物理层的码片调制方式采用带有二进制移相键控（BPSK）的直接序列扩频（DSSS）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.基于有线/无线通信技术的综采机组监控系统的设计[J].工矿自动化，2009（12）.
[2] 王增强，车万里，权振林，等.电牵引采煤机在线监测与故障诊断系统研究[J].重型机械，2012（5）.
[3] 徐志鹏，王忠宾，李辉.采煤机远程监控关键技术的研究[J].内江科技，2011（5）.
[4] 韦佳，刘焕强，顾晓峰，等.基于ZigBee的集中式无线定位系统设计[J].计算机工程与设计，2013（2）.
关键词：紫蜂技术 采煤机 通信
中图分类号：TD676 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）04（b）-0040-01
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（ZigBee）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868 MHz、915 MHz和2.4 GHz 3个频段，这3个工作频段相距较大。915 MHz信道个数为10个，传输速率为40 kbps。868 MHz信道个数为1个，传输速率为20 kbps。2.4 GHz 信道个数为16个，传输速率为250 kbps。该频段为全球通用的工业、科学、医学（ISM）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1～3 MW。采用了CSMA-CA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了专用时隙，可以有效的避免发送数据时的冲突问题。可采用星型、树型和网状型的网络拓扑结构，最多可挂载254个子节点，最多可组成具有65000个节点的大网络，网络容量高。采用格栅状的拓扑结构，智能性的路由节点可以使接入点无须经过中央交换机点即可相互通信，对于故障的产生具有很强的预防作用，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（NWK）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（NLDE）和管理服务实体（NLME） 两个服务实体。NLDE一SAP是网络层提供给应用层的数据服务接口。NLME一SAP是网络层给应用层提供的管理服务接口。应用层是由应用支持子层（APS）、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；IEEE 802.11 系列技术架设网络的费用较高。使用基于紫蜂（ZigBee）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
ZigBee模块ZICM2410P2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7dBm的功率输出和-100dBm的接受灵敏度；采用单芯片设计方案，抗干扰能力更强；具有Turbo模式（500Kbps）和Premium（1Mbps）模式；具有丰富的接口类型；硬件128位AES加密，具有高安全性。
2.2 紫蜂通信协议的体系结构
IEEE无线个人局域网工作频段为868/915 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OSI模型，ZigBee网络可分为物理层（PYH）、媒体访问控制层（MAC）、网络/安全层（NWK）和应用层（APL）4层。根据 IEEE802.15.4协议标准规定，物理层定义了3个载波频段用于接收/发送数据。
2.3 紫蜂网络拓扑结构
ZigBee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CEL公司的ZigBee模块ZICM2410P2。采用的2.4 GHz频段为全球统一的无需申请的ISM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868 MHz频段和915 MHz频段。物理层的码片调制方式采用带有二进制移相键控（BPSK）的直接序列扩频（DSSS）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.基于有线/无线通信技术的综采机组监控系统的设计[J].工矿自动化，2009（12）.
[2] 王增强，车万里，权振林，等.电牵引采煤机在线监测与故障诊断系统研究[J].重型机械，2012（5）.
[3] 徐志鹏，王忠宾，李辉.采煤机远程监控关键技术的研究[J].内江科技，2011（5）.
[4] 韦佳，刘焕强，顾晓峰，等.基于ZigBee的集中式无线定位系统设计[J].计算机工程与设计，2013（2）.