一种新型井下无线通信系统的设计与实现2.docx

武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）本文研究的是一种新型的井下无线通信系统的设计与实现问题。随着煤矿机械自动化程度以及我国对煤矿生产安全要求的不断提高，井下高 效可靠的通信技术在煤矿工业中的地位越来越高。矿山监测、监控系统已然成为 矿山安全生产、灾害预警和事故救援的重要设备。目前，绝大多数矿山安全监控 系统都采用有线方式传输信号，即采用光缆、电力线缆或信号线缆等。这些传统 的有线布设方式存在着布线繁琐，安装维护成本大、覆盖范围有限、线路依赖性 强等缺陷和不足。在这样的背景下，近年来，矿井无线监测系统得到了长足的研 究和发展。同时，从数字矿山到智慧矿山的过渡，使煤矿企业的调度通信和行政 通信系统经过多年建设和发展，虽取得了较大的成就，但成熟的井下通讯解决方 案仍然不多，较长的分支巷道更是成为通信的盲区，矿井工作人员对无线数据通 信要求的迫切，井下生产数据的上报等都显示出井下通信的特殊性和重要性。井下无线通信一直是世界难题，矿井地质条件复杂，井下巷道狭长，掘进工 作面狭窄等等特殊性都制约着矿井无线通信的发展。我国的煤炭工业同发达国家 相比，信息化水平起步晚，装备技术水平低。自20世纪90年代起，我国开始构 建了矿井计算机管理系统，提出了管理系统与矿井的生产自动化系统连接，实现 资源共享，信息系统集成的设想。继而提出建设“数字矿山”的目标15,在数字 化、信息化、虚拟化和集成化基础上，建立由计算机网络实现管控一体化的系统。 目前，我国还没有一个较为理想的矿井通信平台，正处于由有线通信向无线通信 过渡的阶段。作为世界上最大的煤矿无线通信设备生产商之一的南非GST公司,从70年代 初就开始设计和生产用于井下无线通信的设备。该公司主推中长波段的井下通信 系统，即使用的频段为1001620kHz。使用中长波段的主要优势主要有这一频段 可在简易的长线和环形天线中传输，甚至可以利用管道和电缆等导体作为长线传 输，但是，这一波段的天线尺寸要求较高，上述的长线和环形天线等与它们的工 作频率波长相比非常小，这就使得天线的效率非常低，导致通信距离大大减小， system）技术在加拿大进行了实验，该系统使用分散开的天线收发信号。天线在巷道中以一 定间隔周期排列，并用特殊的螺栓固定于主干电缆上。不过对于巷道弯曲较多的矿井，存 在通信盲区的问题。国内研究现状我国煤矿井下无线通信的主要方式有：中频感应通信、漏泄通信、红外无线通信等。中频感应通信是用电磁感应原理实现通信，在巷道中铺设一条接地的感应传输线，收 发信机采用电磁耦合天线，通信时将天线靠在感应传输线上。它与载波通信一样，感应通 信杂音大，对环境中的电气噪音不易克服“叫漏泄通信技术是依靠在巷道中架设一条特制的同轴电缆，每隔一段距离在电缆上开一 个槽孔，使其周围形成一个连续的电磁场漏泄场。通过漏泄场，移动收发信号与漏泄电缆 之间实现双向可逆的耦合，从而实现移动台之间或移动台与基站之间的远距离通信。虽然 漏泄通信技术较好地解决了井下移动通信的问题，但其缺点是系统造价昂贵，对条件恶劣 的采掘工作面、掘进头等地方，无法架设漏泄电缆，漏泄电缆的耦合技术复杂，并制约着 移动台的纵向移动距离。红外线的波长介于红光和微波之间，波长为800nm-1100nm,在红外通信中，常用的 光源中心波长为950nm,红外光具有可见光的反射及衍射能力。红外光发射时，可见光对 其影响较小，另外红外光的介质吸收能力也强于无线电波，因此红外光在近距的通信中被 广泛应用。但如果用做随身携带的无线数据发送工具，显然有其致命不足的地方。由于其 对接收信号的方向性要求比较高，对微功率系统来说，若发射和接收之间有人的身体或其 它物体遮挡，信号可能就会很难被有效传输口力。1.3主要研究内容及组织结构本课题基于实际的井下无线通信系统科研项目，本人在项目中主要负责硬件部分的设 计与实现。鉴于当前我国大多数煤矿井下，综采面的监控系统主要采用有线的通信方式，但这种 通信方式存在诸多不足：（1）有线传输的方式很难适应不断移动的工作现场。在煤炭的开 采过程中，工作面上三机（即采煤机、刮板输送机和液压支架）位置不断地循环推进，不 但设备之间的相互位置发生变化，而且工作面的空间形状也会不断改变。容易导致传输电 缆撕扯和损坏；（2）扩展性能差，布线繁琐，安装和维护设备的成本比较高，而且当此处 的煤炭开采完后，已有线缆的复用性降低，造成了资源的极大浪费。本课题的目的是提出 一种新型的轻量级的适用于井下无线通信系统的协议及相应的硬件解决方案，以改善当前 井下无线通信系统传输效率低、稳定性差等问题。本文共分为六章：第一章简述了选题背景、研究目的及意义、国内外研究现状和主要技术，以及本文的 主要工作。第二章对本文设计和实现的井下无线通信系统做了简要介绍，并对该系统中所涉及到 的相关理论做了一定的分析。包括井下特殊环境的分析，井下无线通信频率选取的分析以 及对井下无线传输和衰减特性的分析和计算。第三章论述了在井下特殊应用场合下，满足国家本质安全标准，符合井下无线通信协 议规范的硬件设备的设计。包括收发器模块选型和设计，接入网关节点、链路中继节点、 边缘网关节点等各个节点的硬件设计，以及警示性功能的硬件设计。第四章详尽论述了在井下无线通信系统硬件基础上实现可靠数据传输的无线通信协 议的设计与实现。提出了能够快速传输数据的井下多信道、多接口的解决方案；并且设计 出快速实现信道分配和路由建立的协议；对节点失效情况下的快速路由恢复和特殊复杂井 下环境高丢包率情况下的可靠数据传输进行了研究和设计。另外，就井下能源有限性提出 心跳机制用于维护链路降低网络能耗，并增强协议的扩展性以增加协议灵活性用来完善和 扩展协议功能。第五章主要对井下无线通信协议进行了实验验证，在不同的实验环境下做了大量的验 证实验分析，验证协议功能的正确性、可靠性，最终使协议满足要求。第六章对本文进行了总结与展望，对本文所做的工作进行总结，并给出就本文中的不 足所提出的改进的想法。2井下无线通信系统的总体设计及理论分析2.1井下无线通信系统总体设计根据已有资料显示，煤矿井下主要由作业区和巷道区组成，其中，作业区主要为工作 人员展开工作和掘进机械进行开采的地方，是通信网络最主要的数据源。巷道区具体可以 分为主巷道和分支巷道，主巷道为骨干运输线路，安装了电力线和其他通信线路；分支巷 道没有这些设备，是本文研究的无线通信课题主要应用区域，如图2-1所示。开卜玲宝骨干网CAN总线图27井下无线通信系统示意图根据需求分析，井下无线通信系统可以由接入网关节点、链路中继节点、边缘网关节 点三部分组成。数据源主要是指来自接入网关节点的数据。接入网关节点的输入接口是由 符合CAN2.0标准的CAN总线组成，输出访问本文论述的井下无线通信网络。传输的数据 源主要由掘进机车身状态监测传感器和周围工作环境监测传感器所采集的数据组成，这些 数据通过接入网关节点发送给链路中继节点，经由多个中继节点对数据进行中继后，扩展 整个井下无线通信的距离，最终将作业区前端的数据发送至边缘网关节点，再将数据传输 至主巷道的骨干网。骨干网使用TCP/IP协议传输至地上控制中心。本文论述的井下无线 通信系统首先设计一种新型的网络结构，并设计一种新型的通信协议来解决分支巷道中的 数据传输的问题。2. 2井下环境分析煤矿井下无线通信的环境复杂、恶劣，其复杂程度相比人防和隧道要高出许多。首先, 井下无线通信的电波传播介质是地壳，地壳对无线电波的吸收和衰减相对严重；其次，井 下分支巷道空间十分狭窄，宽度只有几米，由于地面粗糙不平，周围煤层和岩石环绕，再 加上固定钢筋支架等因素，无线电波在这样复杂而有限的空间内传播，与在自由空间大不 一样。井下无线通信的无线电波发射和接收是通过天线实现的，普通天线效率低，而地下 半导体电介质对电波的吸收严重，致使天线的效率更低。基于以上因素，必须考虑井下环 境对无线电波的影响。2. 3通信频率选择井下地貌与生产作业对通信频率影响较大的主要表现是信号衰减与频率的关系。由于 地质条件，无线电波除了经受传播衰减之外，还要经受多次“穿透衰减”和“折射衰减” fl81o煤矿井下巷道环境对无线电波的传播可以看作为带阻型1。在甚低频、低频以及中频 的低端，信号衰减随着使用频率的增大而增大。当通信频率进入到甚高频之后，信号衰减 随着使用频率的增大而减小，传输距离可达1500米，这是因为巷道截面尺寸远远大于波 长，巷道对无线传输的影响随频率增加而减小。表2-1为某巷道中不同频率的无线传输衰 减。表27某巷道中不同频率的无线传输衰减(dB/km)0.030.30.030.3303003000频率(MHz)图2-2频率对无线传输的影响巷道拐弯会增大无线传输的衰减，拐弯越急，衰减越大。并且频率越高，巷道拐弯所 带来的衰减越大。所谓弯点曲率，即巷道拐弯处的弯曲程度。曲率越大则弯道的弯曲程度 越大。综上所述，随着通信频率的增加，在平直区域内衰减减小，但是在弯点处会有衰减 的增大。因此，在煤矿井下特殊的环境当中设计井下无线通信协议需要在使用频率的问题 上做出相应的考虑，以达到损耗均衡。2. 4井下无线传输特性井下巷道是非自由空间，无线信号在传播的过程当中最为明显的表现就是多径效应。 发射节点发出的无线信号会在遇到障碍物时，在其表面产生发射、散射等现象，从而可能 导致信号沿着不同的路径到达接收节点网，如图2-3所示。此时，接收节点接收到的信号 为各个路径的矢量和。接收节点图2-3巷道里多径效应示意图目前，分析信号井下传播特性的研究方法主要有两种：（1）模式理论；（2）几何光学法。 模式理论用于井下巷道时，将巷道看作空心介质波导，分析的是井下巷道波导的稳定场， 只适合远场区分析而无法预测发射节点天线附近的过渡场。虽然几何光学法能够预测近场 区和远场区，但是在分析稳定场时，所需的镜像级数很多，会导致运算量的急速增长。因 此，考虑分析时几何光学分析法用作近场区分析。综合考虑，分析时将井下巷道分为近场区和远场区，分界点坐标表示为：d = max（a1 b2（式 2-1）其中，。为井下巷道的宽度，b为井下巷道的宽度，4为无线信号的电磁波波长。近场区的情况，根据文献的定位算法，煤矿巷道环境下几何光学模型，无线损耗规律可以表示为:P30 = ioig（/）= ioig<:2（"GGlb"2万1 n /?zexp（7 （/;.-r）-+ V« （式 2-2 ）其中，G为发送节点天线增益，为接收节点天线增益，N为镜像级数，一为直射路 径长度。尸 3g）= ioig（g）= ioig远场区的情况，将模式理论应用到井下巷道分析时，结合具体场强分布模型，按照自 由空间传输损耗计量表示为：（-）2GzGr（式 2-3）其中，G为发送节点天线增益，Gr为接收节点天线增益，d为发送节点到接收节点的 距离，X为无线信号电磁波波长。实际的煤矿井下巷道为半弧形形状，但是在生产过程中，巷道必须以支撑架和固定钢 板顶棚支撑，防止塌方等意外事故的发生，因此可以将井下巷道界面视为近似矩形的形状。综上所述，无线信号在井下巷道的传输过程当中，近场区时快速的衰减变化，远场区 的时候衰减速度减慢。3井下无线通信系统硬件设计与实现本章主要针对井下特殊的工作环境和实际需求设计符合国家本质安全的的井下无线 通信设备硬件。主要的硬件设计包括：接入网关节点、链路中继节点和边缘网关节点。由 于井下的恶劣环境，每个节点提供类似于黑匣子的功能，当链路故障时将数据存储到本地, 留待后续发送或者数据检测，因此，要求节点都具备一定的存储能力。而比较特殊的是， 由于煤矿井下的特殊应用环境，在硬件设计过程中必须严格遵照由国家质量监督检验检疫 总部于2010年8月9日发布，从2011年8月1日开始实施的中华人民共和国国家标准 GB3836.1-2010关于爆炸性环境下的电气设备通用要求标准。图3-1为井下无线通信系统 设备实物图。图37井下无线通信系统设备实物图3.1 收发器模块设计在无线通信系统中，通信设备与传播媒介的接口是收发器模块。收发器模块的天线以 电磁波形式向空间辐射有用信号并接收空间中的电磁波进而从中提取有用信号。收发器模 块的设计对整个网络质量、井下无线通信性能影响巨大。收发器模块主要包含天线和射频 控制部分。3.1.1 射频控制模块目前无线通信射频控制技术主要有射频集成芯片加上自选MCU方式和单片集成片上 系统方式两种。从稳定性和可靠性考虑，本系统选用德州仪器公司2009年推出的CC2530 片上系统来实现。CC2530是TI公司在CC2430 （TI公司另一关键产品）的基础上根据实际应用而改进 推出的产品。其包含如下主要特点： 8位8051MCU内核 8KB RAM 256K闪存存储支持2.4GHz ISM频段射频网络节点 32kHz晶振休眠模式定时器AES-128加解密协同处理器CC2530能极好的支持井下复杂应用环境，其他常用硬件如协处理器、掉电检测功能、 可编程I/O等都能在研究设计和开发中带来充分的灵活性和扩展性。由于产品成熟，对于隔爆处理所需资料齐全，因此采用。2-V to 36VPower SupplyQ隔爆处理所需资料齐全，因此采用。2-V to 36VPower SupplyQ图3-2为CC2530应用电路图。Optional 32-kHz CrystalC4014-cnwlx豆rl=ZL-O1 GND2GND3 GND4 GND5 P1_56P1_47 P1_38 PL29 PLi10 DVDD2On-Jdnoo。6gxd Nd s L s 3 0 dd zrt第 91一 dCC2530RBIAS 30AVDD4 29AVDD128AVDD227RF_N 26RF_P 25AVDD3 24XOSC_Q2 23XOSC_Q1 22 z AVDD5 21XTAL1C221 =!= =i= C231DIE ATTACH PAD xzlod a 一o -d 二21 cO图3-2 CC2530应用电路图天线选型在无线通信系统中，与外界传播媒介接口是天线系统。天线的选取和设计直接关系到 整个网络的质量。天线在通信过程中完成的功能是在发射时，把高频电流转换成电磁波， 在接收时把电磁波转换成高频电流。因此，天线的型号、增益、方向图、驱动天线功率、 简单或复杂的天线配置和天线极化都影响整个无线通信系统的性能。天线主要分为全向天线和定向天线，经选型确定通过自制如图3-3所示的测试平台， 在D-LENP平板定向天线和10CM全向天线之间进行数据验证。图3-3天线测试平台（l）10cm全向天线表37 10cm全向天线楼道验证数据距离 （米）发射功率信道帧长度 （字节）发包速率 （包/s）错包数RSSI (dBm)丢包率 （%）601211804000-560601011804000-61060911804000-60060811804000-62060711804000-680606118040022-702.3由表3-1可知，在其他条件不变的情况下，随着发射功率的递减，其RSSI值递减，错 包、丢包数增加，丢包率增大。表3-2 10cm全向天线户外验证数据距离 （米）发射 功率信道帧长度 （字节）发包速率 （包/s）错包数RSSI (dBm)丢包率 （%）200121180100080-7914200101180100050-805.520091180100090-8216.820081180100060-827.7200711801000300-8265.3200611801000171-8699.3由表3-2不难看出，全向天线在远距离传输时，性能表现十分的差劲，丢包率持续偏 高。（2）定向天线表3-3 D-LENP定向天线楼道验证数据距离 （米）发射功率信道帧长度 （字节）发包速率 （包/s）错包数RSSI (dBm)丢包率 （%）600118010000-720601118010000-700602118010000-680603118010000-670604118010000-630605118010000-610606118010000-5806012118010000-510表3-4 D-LENP定向天线户外验证数据距离发射信道帧长度发包速率错包数RSSI丢包率（米）功率（字节）（包/S）(dBm)(%)20012118010000-42020011118()10000-45020010118010000-4602009118010000-4802008118010000-4902007118010000-5102006118010000-530综合表3-1,表3-2,表3-3,表3-4不难看出，在短距离情况下，全向天线和定向天 线对丢包率影响都不大，但是在200米较远距离情况下，全向天线无论是在丢包率还是 RSSI值都远远不如定向天线的性能好。然而，在相同的条件下，不同的平白定向天线发现也有差异，表3-5为使用烈火平板 定向天线的验证数据。表3-5烈火定向天线验证数据距离 （米）发射功率信道帧长度 （字节）发包速率 （包/s）错包数RSSI (dBm)丢包率 （%）2000118010000-9302005118010000-8202009118010000-740由表3-5可知，虽然丢包率并无影响，但是烈火定向天线的RSSI值与DLENP相比 存在较大的差距。在井下无线通信中，节点位置相对固定，移动并不平凡，但是由于环境原因，干扰较 为严重，因此使用D-LENP定向天线作为无线收发器模块的天线，如图3-4所示。而不得不通过增加中继节点来缓解此问题。1995年美国UT斯达康公司将当时在城市通信中广泛应用的小灵通系统 (Personal Handy-phone System)设计、制造并移植到井下，并加强了安全技术处理, 通过无线通信的方式构成通信平台。为增加井下无线通信的服务距离，分布天线 通信系统(Distribute Antenna system)技术在加拿大进行了实验，该系统使用分散开 的天线收发信号。天线在巷道中以一定间隔周期排列，并用特殊的螺栓固定于主 干电缆上。不过对于巷道弯曲较多的矿井，存在通信盲区的问题。2、基本内容和技术方案2.1 基本内容井下无线通信系统的硬件部分需要在本质安全的前提下设计可靠性高的电 路，以满足在矿井这类恶劣的环境下正常使用。根据需求分析，井下无线通信系统可以分为接入网关节点、链路中继节点、边缘网关节点三个部分。骨干网CAN总线骨干网交换机边缘网关节点数据源链路中继 节点2.2 技术方案首先，分析井下特殊环境下无线通信频率选择；对井下无线信号传输和衰减特图3-4 D-LENP定向天线3. 2接入网关节点设计与实现接入网关节点功能为通过CAN接口从数据源获取数据，其数据包括掘进机车身状态 监测传感器和周围工作环境监测传感器所采集的数据，接入网关节点将数据传输到井下无 线通信网络中。图3-5为接入网关节点硬件结构图。运行指示LED 报警指示LED天图3-5接入网关节点硬件结构图STM32作为模块总控制器，从CAN总线接收传感信息，通过其内部RTC定时器产生 时间标识，并将数据重新打包成帧，通过同步串行接口 (SPI)发送到CC2530收发器模块 中。当无线链路受阻，数据无法正常发送出去时，STM32将异常信息以及数据通过存储电 路存储于本地Flasho推荐使用存储容量大于1G的FlashoCAN已被公认为几种最有前途的现场总线之一，其总线规范已被ISO国际标准组织制 订为国际标准。在井下无线通信网络应用中，由于作为井下通信设备，根据国家标准限制, 要求此类通信接口必须要配备有效的隔离的措施，增加了隔离措施后，可以避免综采设备 的不稳定性，导致的其他各种不确定因素，所以必须做好一定的电气隔离措施，保护数据采集节点的工作稳定性。图3-6 CAN接口电路原理图图3-6为CAN接口电路原理图。此电路包括了电源隔离和电气隔离两部分的隔离措施。 对于电源隔离，由于采用的单5V收发器收发数据时满负荷条件下的电流最大在100mA左 右，因此选择了微功耗的电源模块BS2025-2W,保证电源两端不共地即可达到隔离措施。 对于电气隔离，即信号隔离，需要考虑通信速率的大小，通常采用6N137或TLP113等光 电耦合器应对低速率的通信系统，而对于高速的CAN总线通信中，本接口采用了 ADI公 司推出的基于iCoupler技术的芯片尺寸变压器ADuM1201,这种技术取消了光电耦合器中 的光电转换过程，无需驱动LED的外部电路，功耗仅为光电耦合器的1/101/50,这种新 的基于电磁隔离的方法，在抗高温影响方面远优于光电耦合器，而且具有更高的通信数据 传输速率，时序精度和瞬态共模抑制能力。3. 3链路中继节点设计与实现井下无线通信系统的链路中继节点包含两个收发器模块，以此来完成数据传输中继任 务，扩展网络的通信性能，提高通信距离。同时需要考虑的是，中继节点工作区并没有或 者极少有供电线路的存在，节点相对独立，可随意放置于井下任何地方，因此在硬件设计 过程中，必须考虑节点功耗、瞬态最大消耗电流、平均消耗电流、供电电源使用时间等等 因素。同时，设计了电池电量检测电路，用于获取节点电源电量等状态信息，因此，硬件 电路需要十分出色的抗噪性和稳定性。图3-7为中继节点硬件结构图。UARTCC2530(l)CC2591CC2530(2)CC2591图3-7中继节点硬件结构图中继节点电源电路设计与实现链路中继节点可以随意放置在井下，对其他线路没有依赖性，不依靠井下设备对其控 制，故采用电池对链路中继节点进行供电续航。电源采用大容量的锂离子聚合物电池，具 有很高的电池容量，对电池添加保护电路后，可有效防止电池因过度放电导致电池失效， 也可保护电池充电过程平稳进行，避免瞬间大电流冲击。在稳压方面，针对不同的电压和功率需求，系统提供了两种不同的稳压解决方案。如 图3-8和图3-9所示。图3-9线性稳压电路采用美国德州仪器公司生产的高效率开关降压型稳压器TPS54331,支持最大3A的电 流输出，低至luA的静态电流，可以尽可能降低系统在电源部分的功率消耗，并且，该芯 片具有欠压锁定功能，可自行设置欠压保护电压值，当电源输入电压低于该欠压值后，稳 压模块自动关断，这样可有效保护输入电池不因过放被损害。使用TPS54331对输入电压 稳压到5V后可以供给系统部分外设使用，而对于电源要求较高的部分，例如CC2530模 块，需要严格限制电源噪声，因此，系统还配备了 3.3V的线性稳压模块，将5V电源的开 关噪声降到最低，减小电源噪声对无线通信系统稳定性的影响。3. 3. 2电池电量检测电路设计与实现节点还必须具备电源电路检测能力，当供电不足时，向网络传输电量过低的预警通知。 使用MOS管作为测量开关，相对于三极管导通压降，MOS管的导通内阻在lOOmQ左右, 这里优先选用小功率MOS管。常见的P型MOS为Si2301, N型MOS为Si2302,使用N 型MOS控制P型MOS,单片机的3.3V电平就足以控制。在电源为12V时为了保护P型 MOS的Vgs<8V,在N型MOS的D脚串接4K7电阻在电源电压为12V时须采用电阻分 压，分压比暂定1:6,考虑在分压后加一级跟随器（跟随器从Si2301的D机取电，达到测 量时工作，不测量时关断）运放供电应采用P型MOS管的漏极，这样可以减小在运放上 的消耗，如图3-10所示。II图370电源电路检测电路3.4边缘网关节点设计与实现边缘网关节点将井下无线通信网络中的数据传输至骨干网，通过一个无线收发模块接 收井下无线通信网络中的数据，STM32F103通过CAN 口输出，网关节点从CAN接口获 得数据后，将数据以以太网形式输出到骨干网中。其硬件结构图如图3-11所示。大容量存储CC2530CC2591RTC以太网电量监控STM32F103STM32F107系统电源系统电源CAN 接口图371边缘网关节点硬件结构图3.4.1 网关节点存储单元设计与实现网关节点的接收部分由主控单元STM32F103和无线收发器模块组成。大容量存储单 元使用三星公司生产的大容量MLC型NAND Flash芯片K9G8G08完成，采用FSMC （灵 活的静态存储器控制器）接口和STM32F103连接，能有效提高数据读写速率，内部框图 如图3-12所示。至NWC的FSMC中淅信号来自时衿控制薪来自时衿控制薪HCLKNOR存储器控制器P$MC_N6|4：1) FSMC NL (or NADV) FSMC.NBL(1：0| FSMC.CLKNORfPSRAM 信号我闲置寄存涔闲置寄存涔F8MCJM25:Q FSMC_D15.0 F$MC_NO FSMC_NWE FSMC NWAJT共用信号线F$MC_NCE32)FSMCNT3 2F$MC_NCE32)FSMCNT3 2NAND/PC 卡存储涔控制器j NAND信号线FSMCJNTR FS y NCEU FSMC_NCE4_2 FSMC" NIORD FSMC NIOWA FSMC_NIOS16 FSMC.NREG F$MC'CD、PC卡信号线3-12 FSMC内部框图灵活的静态存储器控制器（FSMC）是内置于大容量STM32F103的外部存储器控制器, 使用这个控制，STM32F103微控制器可以与大部分存储器连接，包括SRAM、NOR Flash> NAND Flash等。FSMC接口具有16个数据线，用于连接8位或16位存储器，26个地址 线，最多可连接64M字节的存储器，5个独立的片选信号线可用于多片存储器的选择。3.4.2 以太网关模块设计与实现在以太网电路部分，需要以太网媒体接入控制器MAC和物理接口收发器PHY 一起完 成。目前主要有以下两种方案：一种是将微控制器、以太网媒体接入控制器、物理接口收 发器集成在同一芯片的方式；另一种是将微控制器和以太网媒体接入控制器整合在一起， 另外再配备单独的物理接口收发器。两种方案各有各的优势。单片集成的方案具有集成度 高、成本低廉，但使用起来限制较多，比如环境较为恶劣的情况下该方案就不太实用。而 分立的方案实现起来较前一方案较难，但分立芯片的特性好，工作稳定性高，能在较大的 温度范围内使用，故采用了第二种方案。原理图如图3-13和图3-14所示。图373以太网物理接口收发器电路_j二一三二 三三三图374以太网媒体接入控制器电路以太网微控制器选用了意法半导体公司推出的STM32F107单片机，该单片机片内集 成了媒体接入控制器MAC,但并未提供物理层接口，本方案选择了美国国家半导体公司 生产的10/100M b/s以太网接口芯片DP83848作为以太网物理层接口器件，该芯片功耗低、 适用温度范围广，可应付井下等较恶劣的情况。另外，DP83848性价比高，具有通用的网 络接口，能够实现CSMA/CD的部分功能，检测网络上是否有数据在传送，如果有则等待, 如果网络空闲，再等待一个随机时间后将数据送出去。如果检测到冲突，各等待一个随机 的时间重新发送数据，为数据的可靠传输提供保障。4井下无线通信系统协议设计与实现4.1井下无线通信协议总体设计井下无线通信环境复杂，分支巷道和掘进工作面空间狭窄，环境恶劣，巷道的特殊形 状对无线信号有较大的干扰川。同时，随着矿井的掘进延伸或废除，新的传输节点的加入 和旧传输节点的移动或者失效时有发生，导致井下无线通信网络拓扑结构不断变化，因此 网络必须具备良好的拓扑重建、路由更新的动态性能调整功能，必须具备良好的鲁棒性和 可扩展性，以及相对稳定的网络结构，以保证数据的可靠传输。井下无线通信系统的数据源主要来自于掘进机在巷道掘进工作中产生的车体工作状 态数据，及遍布周围监测环境的传感器所采集的数据。这些数据具有区域相关性和全周期 运行的特点，通信网络所需要传输的数据量巨大，因此，井下无线通信必须强调可靠性和 健壮性。通信网络中的传输节点都是小型嵌入式设备，节点的处理能力、存储能力、通信带宽 等较为有限，通常情况下无需更换，因此，如何充分利用节点，提高节点能源有效性也是 不容忽视的一个重点。由上可以看出，井下无线通信由于井下特殊应用情况的存在，基本要求网络简单、可 靠、可扩展。针对井下巷道不断的伸长，本文设计使用链状网络结构，从源节点到汇聚节 点建立链状传输路径，如图4-1所示。井下无线通信协议对网络中的传输节点进行协调和控制，同时，协议实现快速建立路 由和可靠的数据传输等机制，提供高效、可靠的数据传输服务。虽然协议的目的是将数据 由接入网关传输至边缘网关，但系统的数据传输方式具有分布式特点。图4-2井下无线通信数据流示意图接入网关节点四周的监测节点为掘进机车身上和车身周围所部属的数据采集节点，这 些节点所需传输的数据由接入网关进入井下无线通信网。在分支巷道其它位置所部属的监 测节点直接与相邻近的传输节点握手后，将数据传输至井下无线通信网。传输节点依据井 下无线通信协议选择合适最优的传输路径，最终将数据交付给边缘网关节点，边缘网关节 点进行协议转换后，将数据转换为TCP/IP协议数据给主巷道的骨干网上的交换机。井下无线通信协议设计的基本思想是确保单跳节点之间点对点数据传输的可靠性，以 此来达到从接入网关节点到边缘网关节点间链路的可靠数据传输。为简化协议结构，充分 提高节点效率，协议从下向上分为两层：物理链路及路由层和传输应用层。(1)物理链路及路由层该层以无线信号为链路传输媒介，在接入网关节点和边缘网关节点之间选择建立传输 路径，将数据帧中的每一个比特从一个节点转移到下一个节点。(2)传输应用层该层在物理链路及路由层提供的可靠信道路径的基础之上，提供可靠的传输控制，确 保传输节点之间数据传输的可靠交付。尽可能以小的传播时延和发送时延交付数据的同 时，根据实际应用的井下环境情况以及待传输数据的特征进行功能应用上的扩展。4. 2物理链路及路由层设计在井下无线通信系统中物理链路及路由层主要针对解决的问题是节点的通信方式和 传输路径的建立和恢复，完成数据的存储、转发。在设计中使用的通信方式是多信道多接 口通信，即在每一个链路中继节点上安装两个发射/接收无线模块，节点间的通信使用不同 的信道来进行，使节点对数据的发送和接收能够异步同时进行，虽然提高了网络容量，但 也带来了信道分配的问题。4. 2.1多信道多接口设计在以往的井下矿用无线通信中，往往都是采用单信道单接口的无线通信方式。在这种 情况下，每个传输节点配备一个收发器，且每个收发器都工作于相同频率的信道中，由于 无线通信具有广播的特性，如图4-3,由此便会带来数据碰撞和串音干扰的问题。碰撞区图4-3单信道碰撞示意(1)数据碰撞(data collision)当一个节点同时处于两个节点的覆盖范围之类，如果另外两个节点同时发送数据包， 那么数据包消息会在空中发生碰撞，从而导致数据包无法被接收方节点正确接收，此时必 然采用如二进制指数退避算法等基于竞争的退避算法来减小碰撞发生的可能。此时网络的 传输效率下降，全网容量降低，同时由于节点需要对无线信道进行侦听，降低了井下节点 的能效性。(2)串音(overhearing)由于无线通信的广播特性，在单信道通信下，节点发送数据时，能够被节点信号覆盖 范围内的所有节点接收到，当一个节点接收和处理不是发送给该节点的数据时，这样就造 成了无效的数据接收和处理，相当于这一部分的能源消耗白白浪费了，带来了不必要的能 量消耗。考虑到井下特殊的通信环境和要求，保障可靠、稳定、高效的网络传输，提高传输节 点的工作生存周期，协议使用多信道多接口的方式进行无线通信，如图4-4所示。正交子信道图4-4多信道多接口示意图每一个链路中继节点装备两个收发器，分别实现数据的接收和发送。在每跳中，节点 的发送端和邻居节点的接收端使用相同的信道，而与下一跳的链路通信信道正交。4. 2. 2信道分配设计CC2530集成片上系统工作在ISM (工业，科学和医用频段)下的2.4GHz频带，该频 段下通过OFDM(正交频分复用技术)划分出的16个正交信道，不存在信道间的干扰与冲突。 OFDM能明显降低多径效应、窄带干扰等对通信质量的影响，当使用直序扩频技术的射频 器传输信号时，由于是宽频技术，窄带干扰不起作用，因此能够有效的防止外界环境对通 性进行分析；基于以上理论研究并设计了井下无线通信协议，并就适应井下要求 设计出简单、能够适应井下动态拓扑的协议结构；提出了能够快速传输数据的井 下多信道、多接口的解决方案；并且设计出快速实现信道分配和路由建立的协议; 对节点失效情况下的快速路由恢复和特殊复杂井下环境高丢包率情况下的可靠数 据传输进行了研究和设计。另外，就井下能源有限性提出心跳机制用于维护链路 降低网络能耗，并增强协议的扩展性以增加协议灵活性用来完善和扩展协议功能。其次，设计了在井下特殊应用场合下，满足本质安全国家标准，符合井下无 线通信协议规范的硬件设备。包括，收发器模块的解决方案选型和设计，天线的 选择，协议运行所需各种节点的硬件设计，以及警示性功能的硬件设计。最后，在不同的实验环境下对无线通信协议进行了大量的实验验证，验证协 议的功能正确性、可靠性。其中，主要的技术方案包括，简单