一種新型井下無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2、基本內(nèi)容和技術(shù)方基本井下無線通信系統(tǒng)的硬件部分需要在本質(zhì)安全的前提下設(shè)計(jì)可靠性高的電2、基本內(nèi)容和技術(shù)方基本井下無線通信系統(tǒng)的硬件部分需要在本質(zhì)安全的前提下設(shè)計(jì)可靠性高的電技術(shù)313－17周：完成并修改畢業(yè)論文,4 關(guān)鍵詞：井下無線通信；通信協(xié)議；鏈狀通信鏈路；可靠數(shù)據(jù)傳InrecentInrecentyears,China'scoalindustryistherapiddevelopmentofincreasinglyhighdegreeofmechanization,informationtechnology,miningmonitoringandsurveillancesystemshavebecomeminesafetyproduction,disasterwarningandaccidentrescueequipment.Thevastmajorityofdomesticmineundergroundwirelesscommunicationsystemusingwiredsignaltransmission,whichusesfiberopticcable,powercableorsignalcable.Thetraditionalcablelaidexistcumbersomewiring,installationandmaintenancecosts,limitedcoverage,dependentlinedefectsanddeficiencies.Therefore,theresearchanddevelopmentofreliableundergroundwirelesscommunicationsystemhasbecomeaseriousproblem.Thesisanddesignofanewtypeofundergroundwirelesscommunicationsystem.Thesystemismainlyboringmachinefullymechanizedminingfacetotheundergroundbackbonenetworkwirelesstransmissionofdata.Thesystemconsistsofthreepartsaccessgatewaynode,linkrelaynode,edgegatewaynode,whereinthedataincludesvariousoperatingparametersandtheundergroundtunnelboringmachinefullymechanizedminingfaceintheenvironmentalmonitoringdata,eachnodeinthenetworkrunundergroundspecialenvironmentandapplicationrequirementsandthedesignofnewwirelesscommunicationstransportprotocoldatabyselectingtheappropriatepathvianodeandforwardedtotheundergroundbackbonecommunicationnetworkandtoachievereliabledatatransmission.Forundergroundworkenvironment,thispaperanalyzestheundergroundspaceradiosignalpropagationandattenuationmodel,proposedanewtypesuitableforundergroundworkenvironmentwirelesscommunicationnetworkprotocol,combinedwiththeundergroundenvironmentandinaccordancewiththeagreementfeatures,designedwithintheundergroundwirelesscommunicationsupportinghardware.Includingtransceivermoduledesign,antennaselection,theaccessgatewaynode,linkrelaynode,theedgegatewaynodedesign,andcompletedfromtheCANbusandthentothewirelessEthernetcommunicationlink.Agreementbythemulti-channel,multi-interfacephysicallinktoreducethecommunicationinterference,improvethenetworktransmissioncapacityandtheindependenceofthenode.Andrecoverfastandoptimaldecision-makingandroutingdesigntocompletetheroutingtoadapttotheundergroundenvironmentestablished.Thesametime,theprotocoldesignreliabledatadeliverymechanisms,tofullymeettheundergroundwirelesscommunicationtransmissionreliabilityrequirements,designworksleepheartbeatmechanismtofullyenhanceenergy-limitednodeenergy-limitednodeenergyefficiencyandextendthenetworkFinally,throughexperimentaltestingtoverifythefeasibilityandreliabilityoftheproposednewundergroundwirelesscommunicationsystem.Testedinavarietyofdifferentenvironments,verifythatthecommunicationdistanceofthesystem,thetransmissionrate,interference,stability,stronglife-cycleandotherbasicfunctions,toachievetheexpectedgoalsoftheproject.Thesametime,combinedwiththedesignofpacketmonitoringandanalysissoftwarecalibration,datacollectionandtofurtherverifytheavailabilityoftheKeywords：Minewirelesscommunication;Transportprotocol;Chainlink;Reliabledata1緒 1緒 研究?jī)?nèi)容及組織結(jié) 2 3井下無線通信系統(tǒng)硬件設(shè) 天 4 物理鏈路及路由 傳輸應(yīng)用 可靠數(shù)據(jù)交付設(shè) 功耗測(cè) 6總結(jié)與展 6.1總 6.2展 1.1究背景及1.1究背景及意[14]1.2內(nèi)外研究現(xiàn)1.2.1外研究GST70年代100~1620kHz。使用中長(zhǎng)波段的主要優(yōu)勢(shì)主要有這一頻1995年美國(guó)1995年美國(guó)UT斯達(dá)康公司將當(dāng)時(shí)在城市通信中廣泛應(yīng)用的小靈通系統(tǒng)通信系統(tǒng)(DistributeAntennasystem)技術(shù)在加拿大進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)使用分散1.2.2內(nèi)研究（1狀狀也會(huì)不斷改變。容易導(dǎo)致傳輸電纜撕扯和損壞；（2）擴(kuò)展性能差，布線繁瑣，2井下無線通信系統(tǒng)基本理2-1CA2.0CAN2井下無線通信系統(tǒng)基本理2-1CA2.0CAN總線組成，輸出訪問本文論述的井下無線通信網(wǎng)絡(luò)。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)源主要由掘進(jìn)機(jī)車身狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器和周圍工作環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器所采TC/IP2.1下環(huán)境分2.2信頻率選[12]。在甚低頻、低頻以及中頻的低端，信號(hào)衰減2.2信頻率選[12]。在甚低頻、低頻以及中頻的低端，信號(hào)衰減隨著使用頻率的增大而增大。2-頻率衰減22-22-3a2b2d=max （2-ll2-3a2b2d=max （2-ll2Riexp( (ri-P1rNl+（2-P(dB)=10lg(t)=10lg16pP(dB)=10lg(Pt)=10lg(l)2GtrPr收節(jié)點(diǎn)的距離，收節(jié)點(diǎn)的距離，l為無線信號(hào)電磁波波長(zhǎng)3井下無線通信系統(tǒng)3井下無線通信系統(tǒng)硬件設(shè)201089日發(fā)布，201181GB3836.1-20103.1發(fā)器模塊設(shè)3.1.1頻控制目前無線通信射頻控制技術(shù)主要有射頻集成芯片加上自選MCU方式和單片推出的CC2530片上系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。CC2530是TI公司在CC2430（TI公司另一關(guān)鍵產(chǎn)品）的基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際應(yīng)·88051MCU·8KB·256K·8KB·256K·AES-128加解密協(xié)同處理CC2530能極好的支持井下復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境，其他常用硬件如協(xié)處理器、掉電I/O3-2CC25303-2CC25303.1.23-3(1)10cm全向天3-1節(jié)（米（包98763-3(1)10cm全向天3-1節(jié)（米（包987600000------000003-2節(jié)（米（包987-----6-3-3D-節(jié)（米（包01234566-3-3D-節(jié)（米（包012345600000000--------000000003-D-節(jié)（米（包98760000000-------00000003-1，表3-2，表3-33-4是在丟包率還是RSSI值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如定向天線的性能好。3-5節(jié)（米（包00-05900--0045900--0043-4D-LENP3.2入網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)3-5STM32CANCC2530收發(fā)器模塊中。當(dāng)無線鏈路受阻，數(shù)據(jù)無法正常發(fā)送出去時(shí)，STM32FlashFlash推薦使用存儲(chǔ)容量大1GCANISO國(guó)際3V3_A1CANRXACANTXA48751234 1OUT+ STM32CANCC2530收發(fā)器模塊中。當(dāng)無線鏈路受阻，數(shù)據(jù)無法正常發(fā)送出去時(shí)，STM32FlashFlash推薦使用存儲(chǔ)容量大1GCANISO國(guó)際3V3_A1CANRXACANTXA48751234 1OUT+ 10uF233-6CAN接口電路原理圖。此電路包括了電源隔離和電氣隔離兩部分5V收發(fā)器收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)滿負(fù)荷條件下3.3路中繼節(jié)點(diǎn)設(shè)321 3-7P11HeaderHeaderC151234871265Header 21213-7P11HeaderHeaderC151234871265Header 21213-81233-9TPS54331，支持最3A1uA3-81233-9TPS54331，支持最3A1uA的靜態(tài)電流，可以盡可能降低系統(tǒng)在電源部分的功率放被損害。使用TPS54331對(duì)輸入電壓穩(wěn)壓到5V后可以供給系統(tǒng)部分外設(shè)使3.3V5V電源的開關(guān)噪聲降低到最小，3.3.2池電量MOS管作為測(cè)量開關(guān)，相對(duì)于三極管導(dǎo)通壓降，MOS管的導(dǎo)通內(nèi)100mΩMOSP型MOS為Si2301NMOSSi2302NMOSPMOS3.3V電平就足以12VPMOSVgs<8VNMOSD腳串接4K7電阻在電源電壓為12V時(shí)須采用電阻分壓，分壓比暫定1:6，考慮在分壓斷）PMOS管的漏極，這樣可以減小在運(yùn)放上的消耗，如3-10INOUT 510436753-3.4緣網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)3-113.4.1網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)單元MLCNANDFlashK9G8G08完10436753-3.4緣網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)3-113.4.1網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)單元MLCNANDFlashK9G8G08完842332213-12FSMC靈活的靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器（FSMC3-12FSMC靈活的靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器（FSMC）STM32F103的外部存儲(chǔ)器控制器，使用這個(gè)控制，STM32F103微控制器可以與大部分存儲(chǔ)器連接，SRAM、NORFlash、NANDFlash等。FSMC16個(gè)數(shù)據(jù)線，用于3.4.2太網(wǎng)關(guān)在以太網(wǎng)電路部分，需要以太網(wǎng)媒體接入控制器MAC和物理接口收發(fā)器3-133-133-14STM32F107單片機(jī)，該單片機(jī)片內(nèi)集成了媒體接入控制器MAC，但并未提供物理層接口，本方案選擇了美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的10/100Mb/s以太網(wǎng)接口芯片DP83848作為以太網(wǎng)物理4井下無線通信系統(tǒng)協(xié)議設(shè)4.14井下無線通信系統(tǒng)協(xié)議設(shè)4.1絡(luò)協(xié)議結(jié)[1]，同時(shí)隨著礦井的掘進(jìn)延伸或者廢除，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷的變化著。因此，4-14.2井下無線通信協(xié)議井下無線通信協(xié)議（MineWirelessTransport4.2井下無線通信協(xié)議井下無線通信協(xié)議（MineWirelessTransportProtocol，以下簡(jiǎn)MWTP）對(duì)4-2接入網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)四周的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)為掘進(jìn)機(jī)車身上和車身周圍所部屬的數(shù)據(jù)采NTC/IP協(xié)議數(shù)據(jù)給主巷道的骨干網(wǎng)上的交換機(jī)。MWTP協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)的基本思想是確保單跳節(jié)點(diǎn)之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煞痔岣吖?jié)點(diǎn)效率，MWTP從下向上分為兩層：物理鏈路及路由層和傳輸應(yīng)用MWTP考慮，MWTP考慮，MWTP進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)后即始終進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，直到網(wǎng)絡(luò)重新啟動(dòng)或者某跳鏈路之間出現(xiàn)傳輸故障才再次從此跳的上端節(jié)點(diǎn)開始進(jìn)入鏈路路由建MWTP4-3MWTP4-4由于節(jié)點(diǎn)能源有限，為保證節(jié)點(diǎn)生存周期的持久性，MWTP要求節(jié)點(diǎn)盡可4.3理鏈路及路由4.3理鏈路及路由在MWTP中物理鏈路及路由層主要針對(duì)解決的問題是節(jié)點(diǎn)的通信方式和傳同時(shí)也帶來了信道分配的問題。上文已經(jīng)闡述，MWTP在網(wǎng)絡(luò)初期建立路由路4.3.1信道多4-5（1）數(shù)據(jù)碰撞(data（2）串音高傳輸節(jié)點(diǎn)的工作生存周期，MWTP（2）串音高傳輸節(jié)點(diǎn)的工作生存周期，MWTP使用多信道多接口的方式進(jìn)行無線通信，4-6161126，16個(gè)信道均為正交信道，不存在信道間的干擾與沖突。OFDM能明顯降低多徑效應(yīng)、窄帶干擾等對(duì)通信質(zhì)量的影4.3.2道分配(1)動(dòng)態(tài)分(2)靜態(tài)分MWTP在路由建立之后進(jìn)行信道的分配，根據(jù)業(yè)務(wù)需要進(jìn)行信道分配，分16個(gè)信道劃分為兩個(gè)部分：1個(gè)控制信道（11）15個(gè)數(shù)據(jù)信道（1226。在控制信道上進(jìn)行控制命令的傳輸，如：路由發(fā)現(xiàn)4.3.3由建立RSSI值。RSSI(ReceivedsignalStrengthIndication，接收信號(hào)強(qiáng)度指示)是接收MWTP(1)路由發(fā)路由發(fā)現(xiàn)階段的最終目的是發(fā)現(xiàn)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸路徑。MWTPRSSI(1)路由發(fā)路由發(fā)現(xiàn)階段的最終目的是發(fā)現(xiàn)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸路徑。MWTPRSSI4-14-1ID鏈路質(zhì)跳(2)路徑選hoop域不為零的回復(fù)幀時(shí)，會(huì)繼續(xù)等待一段因此，MWTP的路徑度量主要為路徑跳數(shù)(hoopCount)和鏈路質(zhì)量(rssi)兩4.4輸應(yīng)用4-74-74.4.1靠4-74-74.4.1靠數(shù)據(jù)(1)ACK機(jī)ACKACK幀的含義為接收方期待接收的4-8所示。4-8ACK4-8ACK機(jī)制示意圖。情況①為正常情況，接收節(jié)點(diǎn)正確接收到發(fā)送4-8ACK4-8ACK機(jī)制示意圖。情況①為正常情況，接收節(jié)點(diǎn)正確接收到發(fā)送ACK幀無法達(dá)到發(fā)送節(jié)點(diǎn)。對(duì)于這種情況，發(fā)送節(jié)點(diǎn)每次發(fā)送數(shù)據(jù)，啟動(dòng)重傳定時(shí)器，如果能正確接收到ACK，則定時(shí)器清零，(2)窗口機(jī)ACKNM字節(jié)，如果對(duì)每一幀都進(jìn)行確ACK幀，也就是說網(wǎng)絡(luò)上每傳輸(N+M)字節(jié)，M字節(jié)為實(shí)際有效數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)的利用率不高，這是其一。其二，由于發(fā)送MWTP使用窗口機(jī)制提高數(shù)據(jù)傳輸速度。所謂窗口即是一塊以幀為單位組4-94.4.2跳機(jī)制4-94.4.2跳機(jī)制5系統(tǒng)調(diào)試與實(shí)驗(yàn)5系統(tǒng)調(diào)試與實(shí)驗(yàn)了確保功能的正確性及穩(wěn)定和可靠性，對(duì)MWTP協(xié)議做了大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，5.1驗(yàn)環(huán)境搭MWTP5-1所5-15-25-25-3其中，Send5-25-3其中，SendPCMWTP應(yīng)用中的數(shù)據(jù)源，使4-4所示的CANCANCAN2.0之間使用USB連接方式進(jìn)行連接。入口網(wǎng)關(guān)接收到CAN標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀后啟動(dòng)MWTPMWTPMWTP網(wǎng)絡(luò)傳TCP/IPRJ-45ReceivePC的網(wǎng)卡。ReceivePC通過運(yùn)行開發(fā)出的如圖CC2530012135-5-5.2輸速率測(cè)5-發(fā)包數(shù)/丟包數(shù)/耗時(shí)丟包率00000005-發(fā)包數(shù)/丟包數(shù)/耗時(shí)丟包率00000000000000MWTP保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，在中繼5.35-2功接入網(wǎng)關(guān)3#2#1#邊緣網(wǎng)關(guān)發(fā)射功耗/W其中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有指示模塊，實(shí)測(cè)消耗電流在3.0~3.1mA。由表5-100mA左右?，F(xiàn)中繼節(jié)點(diǎn)采用5200mAh。那么，考慮到電源供能效率和中繼節(jié)點(diǎn)全發(fā)射模式502MWTP協(xié)議使用心355.4定性測(cè)5-發(fā)包數(shù)/丟包數(shù)/耗時(shí)5.4定性測(cè)5-發(fā)包數(shù)/丟包數(shù)/耗時(shí)丟包率00000000000000005-發(fā)包數(shù)/丟包數(shù)/耗時(shí)丟包率000000000000000066.166.16.2高M(jìn)WTP帶寬的利用率，進(jìn)一步對(duì)MWTP性能進(jìn)行突破。SunR,DingE,ZhaoD.Thestudyofawirelessmultimediasensornetworkself-organizationprotocolforcoalmine[C]//ComputerEngineeringandTechnology(ICCET),SunR,DingE,ZhaoD.Thestudyofawirelessmultimediasensornetworkself-organizationprotocolforcoalmine[C]//ComputerEngineeringandTechnology(ICCET),20102ndInternationalConferenceon.IEEE,2010,4:V4-237-V4-241.HanZhong.BingLiang.ZhenzhenSun,StudyontheTransmissionPerformanceofMineWirelessMeshNetworkBasedonNS2,IndustrialControlandElectronicsEngineering(ICICEE),2012,(8),1602-1604. SunZ,AkyildizIF.Undergroundwirelesscommunicationusingmagneticinduction[C]//Communications,2009.ICC'09.IEEEInternationalConfere