《施工组织设计》煤矿井下人员定位系统通信解决方案.pdf

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1、四蔓鲨迹竺!旦!幽塑里竺煤矿井下人员定位系统通信解决方案高峰高泽华文柳欧阳红升徐大雄(北京邮电大学北京1 0 0 0 8 6)摘要：提出了一套结合有线与无线技术的完整通信解决方案，可用于各类井下人员定位系统。关键词：人员定位系统；通信解决方案；矿井井下人员定位系统提高了煤矿安全生产和现代化管理水平，在灾害辅助救援时发挥重要作用。为了保证井下定位基站采集到的定位信息能够及时传递到井上，以及井上的控制信号及时通过定位基站传递给井下单位，建立低成本，可靠，高效的井下通信系统以完成井下信息的双向传递任务。1 组网及传输方式井下人员定位系统由软件系统和硬件系统组成，其中软件系统包括应用软件和嵌入式软件两

2、部分组成。硬件系统由控制管理中心C M C(C o n t r o lM a n a g e m e n tC e n t e r)、井下定位基站U P S(U n d e r g r o u n dP o s i t i o n i n gS t a t i o n)、井下控制基站U C S(U n-d e r g r o u n dC o n t r o lS t a t i o n)、无线通信基站W C S(W i r e-l e s sC o m m u n i c a t i o nS t a t i o n)、定位信标节点B N(B e a c o nn o d e)组成。整个系统

3、采用有线与无线相结合的组网方式来解决井下信息传输问题。在整个井下，从井口到巷道深处都已安装好有线通信线路。U C S 收集到定位信息，通过有线通信传输到地面C M C。而在采掘面附近的近百米巷道附近，由于巷道还在随着采掘不断延伸，实时部署有线通信系统既不方便，也不经济，故采用无线传输的方式解决传输问题，以保证系统对整个巷道的覆盖。一段时间后再用有线通信线路替代无线传输网络。同时这些无线传输设备可以被再次利用。依次替换，可保证系统随着采掘进行对整个巷道实现完全覆盖。井下U P S 实时检测B N 信息，然后将收集到的信息通过无线方式传递到其注册的U C S 处。井下一个U C S 负责收集其附近

4、数个已注册U P S 信息的收集，如图1 所示。图1L A 示意图框内为一个L A(L o c a lA r e a)，即局部区域，由一个U C S 和n(n 约为7 个)个U P S 组成。U C S 通过特定接口连接到井下已铺设的有线通信线路上，实现信息传递。1 1B N、U P S、U C S 无线通信M A C 协议B N、U P S、U C S 上都安装有工作于4 3 3 M H z 频点的射频收发模块。用于彼此之间信息传递。系统支持B N 与U C S、U P S 与U C S 之间的双工通信。但B N 与U P S 之间不能直接通信联系，U C S 为这个局部网络中的总控制器。为

5、了应对特殊需求，制定了适用于这种井下特殊系统的通信协议，主要包括物理层(P H Y)和媒体访问子层(M A C)。M A C 子层的任务是使用物理层提供的服务，实现设备(B N、U P S、U C S)间的数据帧传输。M A C 子层主要功能包括4 个方面：U C S 产生并发送信标帧，U P S、B N 根据协调器的信标帧与协调器同步；支持关联和取消关联操作；使用C S M A C A 机制访问信道；支持时隙保障G T S(g u a r a n t e e dt i m es l o t)机制。其中：关联操作是指B N 在加入一个特定U C S 网络时，向其注册的过程。B N 在巷道中不断

6、移动，会从一。1。1。P。+。1。+。1。1。1。11。+。1。-1。1。1。1。4 0l 收稿日期：2 0 1 0 一0 1 2 0l。基金项目：国家自然科学基金资助项目(6 0 6 0 2 0 0 5)；l B M 中国研究院联合研究项目(J L P 2 0 0 8 0 6 0 1 4-1)万方数据2 0 1 0 2 数据通信技术交流T e c h n o l o g yD i s c u s s i o n个U C S 控制区切换到另一个U C S 控制区，这就需要进行关联和取消关联操作。时隙保障机制和时分复用机制相似，但可以动态地为有收发请求的B N、U P S 分配时隙。超帧：以超帧

7、为周期组织U C S 网络内实体间的通信。每个超帧都以U C S 发出的信标帧为始，在这个信标帧中包含了超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息。超帧将通信期间分为3 个阶段：信标帧发送时段、竞争访问时段和非竞争访问时段。在超帧的竞争访问时段，B N、U P S 使用带时隙的C S M A C A访问机制，并且任何通信都必须在竞争访问时段结束前完成。在非竞争访问时段，U C S 根据上一超帧期间网络中设备申请G T S 的情况，将非竞争时段划分为若干个G T S。每个G T S 由若干个时隙组成，时隙数目在设备申请G r I s 时指定。如果申请成功，申请设备就拥有了它指定的时隙数目。数据传

8、输模型：网络中的U C S、U P S、B N 等设备组成以U C S 为核心的星型网。因而存在两种数据传输方式：数据从U C S 发送给其他设备、数据从其他设备发送给U C S。U C S 首先广播信标帧，信标帧表示超帧的开始。设备之间通信使用基于时隙的C S M A C A 信道访问机制，所有设备都通过U C S 发送的信标帧进行同步。在时隙C S M A C A 机制下，每当设备需要发送数据帧或命令帧时，它首先定位下一个时隙的边界，然后等待随机数目个时隙。等待完毕后，设备开始检测信道状态：若信道空闲，设备在下一个可用时隙边界开始发送数据；若信道忙，设备需要重新等待随机数量时隙，再检查信道

9、状态，重复此过程直到有窄闲信道出现。在这种机制下，确认帧的发送不需要使用C S M A C A 机制，而是紧跟着接收帧发送回源设备。B N 和U C S 之间的通信：每个B N 周期性(这个时间间隔通过C M C 具体设定，以控制命令的形式通过U C S 发送给B N)向其关联的U C S 发送定位请求。对于任意一个B N 来说，当定时器到时，它准备向其关联的U C S 发送定位请求。B N 首先定位于竞争访问时段中一个时隙的边界，然后等待随机数量时隙。等待完毕后，开始检测信道状态：若信道窄闲，则在下一个可用时隙边界开始发送数据；若信道忙，重新等待随机数目个时隙，再检查信道状态，重复这个过程直

10、到有空闲信道出现。发送数据时，发送一个包括矿工编号和发射时间等信息的请求帧；U C S 收到后判断，在特定时段发送一个广播公告(包括矿工编号)，允许B N 发送超声波并通知U P S 启动计时器，若媒体忙碌则把B N 卡号存储下来，按照B N 的请求信号到达先后排队，等待媒体空闲后再发广播公告。B N 收到允许信号即刻开始发送超声波。U P S 和U C S 之间的通信：U C S 发送一个包括矿工编号的广播公告，U P S 收到这一公告后启动计时器(由于无线电传输速率极高，可以近似认为U P S 和B N同时收到公告，即计时器启动同时B N 发送超声波)，收到B N 发送的超声波时停止计时器

11、，得到定位信息。随后将此信息发送到U c s，此时可以采用竞争发送与预约发送两种方式。竞争发送：首先定位于竞争访问时段中一个时隙的边界，然后等待随机数目个时隙。等待完毕后，开始榆测信道状态：若信道空闲，在下一个可用时隙边界开始发送数据；若信道忙，重新等待随机数目的时隙，再检查信道状态，重复这个过程直到有空闲信道出现。预约发送：首先向U C S 申请G T S 时段，当申请成功后。在其拥有的时隙内将数据发送给U C S。1 2U C S 与C M C 之间的通信有线方式：控制器局域网C A N(C o n t r o l l e rA r e aN e t w o r k)是国际上应用最广泛的现

12、场总线之一。由德国B o s c h 公司8 0 年代初推出，现已应用于汽车行业、机械工业、医疗器械、家用电器及传感器等领域。C A N 已经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。C A N 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从；C A N 采用非破坏总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息出现冲突时，优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省总线冲突仲裁时间；C A N 最高通信速率可达I M b i 瞧4 0 m，最远可达5 K b i t s 1 0 k m；C A N 的信号

13、传输采用短帧结构(每帧的有效字节数为8 个1，受干扰的概率低；当节点严重错误时，具有自动关闭输出的功能，以使总线上其他节点的操作不受影响；C A N 的每帧信息都有C R C 校验及其他检错措施，具有极好的检错效果；C A N 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。M o t o r o l a、I n t e l、P h i l i p s 均生产独立的C A N 芯片和4 1万方数据圈篮旦!塑塑燮塑里!带有C A N 接口的8 0 C 5 1 芯片。系统的设计最终采用C A N 总线，应用C A N 总线设计的优势有：有开发C A N总线的经验，技术容易掌握，能充分利用现有的单片

14、机开发工具，能缩短开发时间；应用C A N 总线设计可以满足系统的设计指标；从设备、资金的投入来看，C A N 总线结构简单，器件容易购置，更经济可行。无线方式：在采掘面附近，现场总线尚未部署之前，使用无线接力系统传输数据。每隔一段距离设置一个接力通信基站(W C S)，每一个W C S 都将从下游W C S 接收到的数据与自身采集到的数据一起通过无线方式传送到上游W C S。每个接力站点执行同样功能，数据被接力传送，直到距离最近现场总线处进行汇聚，通过现场总线传输至C M C。定位致蛞定位敦器定位数据定位敦据图2 无线接力方式图2 所示无线网络采用线性拓扑结构，每隔一定距离安放一个接力站点(

15、W C S)，此接力站点既充当信息采集节点又充当路由节点。它可以将附近的U C S收集到的信息通过特定接口收集起来，并把此数据与下游节点传来的数据一起通过无线方式传给上游节点。接力站点间通过无线传输方式构成串行网络，每两个站点间使用不同频率传输(交替使用f 1，f 2 频点)，避免同频干扰。接力终点接人现场总线。2 结束语井下人员定位系统可以提高煤矿安全生产和现代化管理水平，在灾害救援时发挥重要作用，迎合了整个煤矿行业安全生产和稳定发展的迫切需要。本文提出的基于有线与无线技术结合的井下人员定位系统通信解决方案，为井下人员定位系统的通信提供了低成本、高可靠性的解决方案。参考文献【11I E E

16、E8 0 2 1 5 42 0 0 3：W i r e l e s sM e d i u mA c c e s sC o n t r o l(M A C)a n dP h y s i c a lL 8 y e r(P H Y)s p e c i f i c a t i o n sf o rL o w-R a t eW i r e l e s sP e r s o n a lA r e aN e t w o r k s(L R-W P A N s)【2】2 高峰，宁帆，高泽军基于Z i g B e e 技术的煤矿井下人员定位系统f c l 第十二届全国青年通信学术会议2 0 0 7，8【3】3

17、赵国安，宁帆，高泽华，高峰无线煤矿监控系统的研发【C】2 0 0 7 仪表，自动化及先进集成技术大会【4】高峰，文柳，伊力奇，高泽华井下人员超声波测距定位系统 J 1 数据通信，2 0 0 9，3 5】孙利民，李建中，陈渝，朱红松无线传感器网络f M】清华大学出版社，2 0 0 5，5【6】柯建华，申红军，魏学业基于Z i g B e e 技术的煤矿井下人员定位系统研究【J 1 现代电子技术2 0 0 6，2 3作者简介：高峰，北京邮电大学博士研究生，主要研究方向为传感器网络与移动通信。简讯西门子企业通信集团发布O p e n S c a p e i,音V 4西门子企业通信集团(S E N 集

18、团)近日宣布推出O p e n S c a p e 语音v 4，即软件类语音解决方案的新版本。新版具有O p e n S c a p eB r a n c h 和O p e n S c a p eC o n c i e r g e 两大功能，旨在提供灵活的新部署选项、改善客户体验。整套统一语音解决方案利用数据中心简化管理增强扩展能力，从而降低总成本，提高整个企业的效率。在基于纯I P 软件平台上构建的O p e n S c a p e i 吾音V 4 是取代旧语音系统的高性价比选择。它以S E N 集团的统一O p e n S O A 应用框架为基础构建是一种基于会话发起协议(S I P)的企

19、业语音应用，也是O p e n S c a p e 统-通信平台的关键组成部分，包括具备运营商级扩展性与可靠性的企业级语音服务、I P 最低成本路由、视频会议、移动性、统一消息和基于角色的统一通信应用。O p e n S c a p e 话 音V 4 是基于S I P 的完全可自存活应用，可以为向边缘网络提供更多服务使铃声和会议等媒体服务器功能具有自存活性，并且提供多线路寻线群和呼叫转移功能。此外，它还能在任意位置以统一形式接入多媒体设备与用于支持通信的业务流程(C E B P)的其他企业级通信进行基于标准的虚拟无缝整合。会话边界控制器(S B C)功能和S I P 中继功能嵌入解决方案中，有

20、助于降低总成本。订万方数据煤矿井下人员定位系统通信解决方案煤矿井下人员定位系统通信解决方案作者：高峰，高泽华，文柳，欧阳红升，徐大雄，Gao Feng，Gao Zehua，Wen Liu，OuYang Hongsheng，Xu Daxiong作者单位：北京邮电大学,北京,100086刊名：数据通信英文刊名：DATA COMMUNICATIONS年，卷(期)：2010(2)被引用次数：1次 参考文献(6条)参考文献(6条)1.柯建华;申红军;魏学业 基于ZigBee技术的煤矿井下人员定位系统研究期刊论文-现代电子技术 2006(23)2.孙利民;李建中;陈渝;朱红松 无线传感器网络 20053.

21、高峰;文柳;伊力奇;高泽华 井下人员超声波测距定位系统期刊论文-数据通信 2009(?)4.赵国安;宁帆;高泽华;高峰 无线煤矿监控系统的研发5.高峰;宁帆;高泽军 基于zigBee技术的煤矿井下人员定位系统 20076.IEEE 802.15.4 2003:Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)specifications forLow-Rate Wireless Personal Area Networks(LR-WPANs 引证文献(1条)引证文献(1条)1.高劲强.陶晋宜.闫兴德 矿井无线通信系统中电磁波的传输期刊论文-电气技术 2010(12)本文链接：http:/