煤矿安全监控网络的研究与设计*

计 宏

(西安科技大学网络中心)

目前，煤矿安全监控网络主要采用2种组网方式:有线通信网络与无线通信网络。基于现场总线技术的有线通信网络具有可靠性高、实时性强、价格低廉等优点。其中，CAN总线以其卓越的性能以及优异的可靠性，成为应用最广泛的一种标准现场总线［1］。但是，有线通信网络存在系统布局不方便、监控容易出现死角、对线路依赖性强等不足［2］。例如，应用于综采工作面液压支架的压力监测系统，传感器数量多，液压支架需要根据工作进度进行移驾，同时工作面环境复杂，这都增加了有线通信网络建立与扩展的难度，限制了其应用［3］。

随着传感器及无线通信技术的发展，无线通信网络技术在井下安全监控系统中的应用受到越来越多的关注。当前用于煤矿安全监控系统的无线通信技术有红外技术、WiFi技术、蓝牙技术与ZigBee技术等。无线通信网络具有组网灵活、自组织、环境适应性等特点［4］。但是，无线通信网络技术在煤矿安全监测系统中的应用也面临着许多挑战。例如，由于无线传输路径损耗以及噪声干扰影响信号传输的可靠性;为了提高信号传输的可靠性，降低网络节点的能耗，需要采用短距、多跳路由的组网方式，这将增加组网的复杂性以及成本;基于以上原因，对无线传感网络的维护也面临巨大的困难［5］。

本研究针对当前煤矿安全监控系统存在的不足，结合煤矿特殊的环境条件，提出一种有线与无线通信网络相结合的组网方式，采用差错控制编码技术提高无线通信网络的可靠性，并给出监控系统的软硬件设计方法。

1 总体方案设计

鉴于煤矿复杂、恶劣的工作环境以及有线与无线通信网络的特点，从可靠性以及经济角度出发，煤矿安全监控网络采用有线与无线通信网络相结合的组网方式。系统结构框图如图1所示。具体来说，井上采用CAN总线将采集到的信息传输给上位机。井下则分2种情况:①针对开拓巷道，如主副井、运输大巷、回风大巷、井底车场等受采动影响小、工作环境较稳定、信号传输距离远的区域，有利于CAN总线网络的铺设，发挥有线通信网络的高可靠性、高实时性和低成本优势;②而对于采准巷道，如工作面运输巷、采区车场等受采动影响大，巷道压力大，围岩变形速度快的小范围区域，采用基于ZigBee技术的无线通信网络，既可以简单、灵活地进行组网，又不会对系统的可靠性及成本造成影响。

图1 煤矿安全监控系统拓扑结构

该安全监控系统主要由上位机系统、智能节点、协调器节点和终端节点组成。其中，上位机作为安全监控系统的信息处理中心，通过CAN总线与智能节点和协调器节点进行信息交换，以实现对现场的监测与控制。智能节点是以微处理器为核心的信息采集或现场控制节点。协调器节点是现场局部无线网络的中心，采用主从式无线网络控制协议实现对多个终端节点的管理。终端节点同样是以微处理器为核心的信息采集或现场控制节点，通过ZigBee无线网络与局部协调器节点进行信息交换。

2 ZigBee无线网络的差错控制编码

通过上节介绍可以知道，ZigBee无线网络被用于在小范围内组网，这在一定程度上克服了无线通信网络可靠性与成本之间的矛盾。但是，采准巷道通常比较狭窄，巷道壁结构复杂、平整性差，从而产生电磁波多径传播现象，导致接收信号出现频率选择性衰落和时延扩展;由矿用电机车架空接触线火花等产生的电磁干扰也会影响无线信号的传输。因此，为了提高安全测控网络中无线信号传输的稳定性和可靠性，采用差错控制编码技术降低比特误码率是非常必要的。

前向纠错线性分组码是一类应用广泛的差错控制编码方法，其实现方法是在发端给被传输的信息码元附上一定数量的监督码元，信息码元与监督码元之间以线性检验关系相互关联。在收端通过检验信息码元与监督码元之间是否满足线性检验关系，可以发现传输错误及至纠正传输错误。在实际应用中，分组码设计的主要依据是信道的信噪比情况。信噪比越小，信道传输信号的误码率越高，分组码需要越强的纠错能力，也就需要更加复杂的硬件来实现。为了以最简单的分组码达到比特误码率指标，设计工作的第1步是了解信道中的噪声及其对信号传输的影响。

通过建立信道模型得到信道差错统计数据，如信道转移概率pe(误码率)、长为n的码组出现m个错误码元的码组概率p(n，m)(错组率)、出现大于等于m个错误码元的码组概率p(n≥m)，是分析分组码性能的有效手段。煤矿巷道信道是一种典型的有记忆信道，即信道中同时包含高斯噪声和突发噪声。修正二进制对称信道模型能够较准确地描述有记忆信道特征，其由2个参数确定:误码率pe反映信道的信噪比情况，通过对信道实测数据进行统计得到;错误密度指数α反映差错码元之间的相关程度(记忆性)，α越大，错误码元之间的相关性越大，其在m/n＜0.5时可以由m阶错误密度γm(n)表示为

其中，m阶错误密度γm(n)由实测数据统计的错组率表示，

利用修正二进制对称信道模型计算错组率:

其中，

由以上的讨论可知，在进行分组码设计之前，首先需要确定式(3)中的2个参数pe和α。文献［6］提出一种矿井巷道的信道模型，本研究利用该信道模型建立矿井巷道无线通信仿真系统，通过仿真实验得到有关参数pe和α的统计数据，仿真系统结构如图2所示。

图2 信道误码率仿真系统结构

仿真系统中，传输比特率定义为1 000 bps。传输信号由信源模块产生二进制单极性信号，采样频率设置为0.001 s。矿井巷道信道采样由S－Function定义的信道模块。误码率计算模块将误码统计结果输出到Matlab工作空间，同时也将结果输出到端口，通过显示模块显示出来。显示模块中分别显示误码率、总误码数目以及总统计码组数目。由图2可知矿井巷道信道的信道转移概率pe=0.012 7，根据统计结果可得到错误密度指数α=0.252 3。

在得到矿井巷道信道模型之后，通过分析比较不同码长和纠错能力的分组码，进行差错控制系统的性能分析和设计。在这里使用纯纠错前向差错控制方法，设纠正t个随机错误的二进制线性分组码(n，k，2t)，其中每一个码组的总码长为n位，信息码长为k位，监督码长为r=n－k。2k个许用码组等概率发送，则码组通过误码率为pe=0.012 7的巷道信道后，收端得到的码组错误概率是［7］

其中，0≤αm≤1为纠错系数。通常线性分组码可以由式(5)得到错误概率的上限:

将巷道的信道模型(3)代入式(6)可得

当(m/n)＜0.3时，式(3)可进一步简化为

则式(7)可以重新整理为

由式(9)可知，当信道的信噪比一定时(由pe反映)，信道传输的错误概率与码长n和纠错能力t的比值有关，同时其最大值与错组率和编码效率(R=k/n)有关。分组码纠错能力对比见表1所示。

表1 分组码纠错能力对比

由表1可知，n/(t+1)越小，错组率越低，即编码的纠错能力越强。在码长相同的情况下，纠错能力越强(t越大)，n/(t+1)越小，但是编码效率也越低。另一方面，随着码长的增加，编码效率随之增强，但是因为n/(t+1)增大，错组率也随之增加。通过以上分析可以知道，通常提高编码效率与提高纠错能力是相互矛盾的，无法同时实现;尤其是对于噪声严重、信噪比小的信道，随着n/(t+1)增大，错组率将显著地增加，如表 1中的(255，223)与(255，239)。因此，考虑到安全监控系统的无线传输数据量较小，系统对可靠性要求较高，所以编码应选择中、小码，并且以提高纠错能力为主。因此，在安全监控系统中可以选择(15，9)，在保证较强纠错能力的同时，兼顾编码效率。

3 系统硬件设计

3.1 智能节点硬件电路

智能节点直接与CAN总线连接，用于现场的实时监测与控制。其核心采用德州仪器(TI)推出的MSP430微控制器，MSP430将智能外设、易用性、低成本以及业界最低功耗等优异特性完美地结合在一起。CAN控制器与总线收发器分别选择PHILIPS公司的SJA1000以及82C250。SJA1000支持CAN 2.0A/B协议，具有多主结构、总线访问优先权及硬件滤波等功能。82C250作为CAN控制器与物理总线间的接口，不仅能够提供对总线的差动收发能力，具有抗干扰、保护总线的能力，而且能够提高总线驱动能力，支持多达110个节点以1 Mbps的速率工作于恶劣电气环境。针对不同的环境变量，采用相应的传感器或作动器实现信号采集或设备控制。智能节点硬件电路的结构框图如图3。

图3 智能节点硬件电路结构框图

智能节点的工作过程是通过观测器采集各种环境变量信息，经过信号隔离、调理电路后送人MSP430的模数转换(A/D)接口，之后通过CAN总线将信息传输给上位机;上位机整合、处理各个节点的信息，通过CAN总线向需要调控的节点发送控制信号;智能节点接收到控制信号后，根据被控变量的特点，例如关于水泵流量的模拟变量或继电器开阖的开关变量，将控制信号进行数模转换(D/A)或进行位操作。

3.2 协调器节点硬件电路

协调器节点的作用是作为一个通信枢纽，实现上位机与多个终端节点的无线通信，其硬件电路结构框图如图4。

图4 协调器节点硬件电路结构框图

协调器节点的主要组成:MSP430、CAN总线接口和ZigBee通信接口。ZigBee通信接口电路采用TI的无线射频模块CC2420，其仅需晶振、天线等少量外围电路就能构成射频收发接口。MSP430与CC2420采用SPI主从工作模式，来自终端节点的无线信号经过CC2420存入MSP430的存储器中，定时向上位机发送;同时，来自上位机的控制信号由MSP430控制经过CC2420发送给终端节点。

3.3 终端节点硬件电路

终端节点的硬件电路框图如图5，其主要由3部分构成:MSP430、ZigBee通信接口、现场传感器电路或作动器电路。其功能与智能节点类似，两者的主要区别是前者采用无线通信方式与上位机连接，而后者采用有线通信方式与上位机连接。

图5 终端节点硬件电路框图

4 系统软件设计

安全监控系统的软件分为2部分:第一部分设计CAN通信协议在应用层上的功能实现，主要包括初始化、接收和发送［8］。初始化程序通过设置CAN控制器SJA1000的寄存器，确定CAN总线网络的工作方式。接收程序实现MSP430从SJA1000的接收缓冲区进行数据读取，并释放接收缓冲区，准备接收下一数据帧。发送程序是MSP430将数据帧写入SJA1000的发送缓冲区，同时启动发送命令。因为CAN总线网络采用非破坏性总线仲裁与多主工作方式，当总线空闲时，总线上任一智能节点或协调器节点可以占用总线;当有多个节点同时发送数据帧时，则优先级低的节点主动退出发送，而优先级高的节点可以不受影响地发送。

软件的第二部分包括ZigBee通信协议的建立和应用层功能实现［9］。建立一个新ZigBee网络的程序需要网络层管理实体(NLME)通过原语NLMENETWORK－FORMATION.Request发起。当这个程序发起后，NLME通过发出原语NLMESCAN.Request来请求媒体访问控制(MAC)子层对一组指定信道进行能量检测扫描，以寻找可能的干扰。NLME在收到能量检测扫描结果后，对其中可接受信道进行主动扫描，以便选择一个新网络最好的信道。如果找到一个合适的信道，NLME将为新网络选择一个个人区域网络(PAN)标识符，并且向MAC子层请求开始运行新的PAN。NLME接收到PAN启动的状态标志着以ZigBee协调器为中心的网络建立。还未加入网络的终端节点通过发出原语NLME－NETWORK－DISCOVERY.Request请求加入网络，此时网络层(NWK)层请求MAC子层执行一个被动或主动扫描。一旦MAC子层通过MLME－SCAN.Confirm发送扫描完成信号给NLME，NWK层必须发出NLME－NETWORK－DISCOVERY.Confirm原语，包含每个侦听网络的一个描述。在NLME收到上述原语后，通过发出NLME－JOIN.request从已发现的网络中选择一个网络加入。此时NWK层通过查询NLME的邻居表确定一个合适的父节点设备，而NLME通过原语MLME－ASSOCIATE.requst向MAC子层请求连接，并得到一个唯一的16位逻辑地址，以便子节点在未来的传输中使用。在组网的基础上可以通过传感器和作动器实现对现场的安全监控。图6为ZigBee网络程序的一个流程图。

图6 ZigBee网络程序流程

5 结论

针对目前煤矿安全监控系统所采用的有线组网与无线组网方式的不足，本研究充分考虑煤矿具体的开拓结构，提出一种有线与无线相结合的组网形式，既发挥了有线网络的实时性与可靠性，也发挥了无线网络组网灵活、简单的优势。针对煤矿巷道信道的复杂性，分析了无线通信差错控制编码技术在巷道信道中的应用，给出了具体的设计方法和步骤。该系统具有良好的可靠性与实时性，对提高煤矿安全生产具有重要的意义。

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