毕业设计（论文）-矿井无线传输模块的设计.doc

江西科技师范学院 毕业论文（设计）毕业论文（设计） 题题目（中文）：目（中文）： 矿井无线传输模块的设计矿井无线传输模块的设计 （外文）：（外文）： thethe designdesign ofof minemine wirelesswireless sensorsensor modulemodule 院（系）：院（系）： 通信与电子学院通信与电子学院 专专 业业： ： 电子科学与技术电子科学与技术 学生姓名：学生姓名： 学学 号：号： 指指导导教教师师： ： 20112011 年年 4 4 月月 2020 日日 目录目录 摘要1 1. 引言.1 1.1 选题背景1 1.2 国内外煤矿安全监测研究状况2 1.3 本论文的选题意义与工作2 1.4 无线传感模块的设计要求3 2. 无线传感器网络技术介绍.3 2.1 无线传感网络的特点 .3 2.2 无线传感网络拓扑结构方案4 2.3 短距离无线数据通信的标准简介7 2.4 无线传感器网络结构11 2.5 传感器硬件设计12 2.6 传感器电路接口设计12 3.系统方案设计.13 3.1 系统结构13 3.2 矿井中 gsm 移动信号传输模块 .13 3.3 基于 gsm 手机模块的数据接收系统 .16 4 总结18 参阅文献18 1 矿井无线传输模块的研究 摘要摘要:文章介绍了一种基于无线传感器网络的矿井应急方案，阐述了无线传感器网络的结构、特点及无 线传感器网技术,移动通信技术在矿井应急通信系统中的应用设计。该矿井应急通信系统利用无线传感器 网络进行紧急状态下矿井数据的采集和收集，利用成熟、信号覆盖面广的移动通信技术进行信号的传输， 将数据实时地传送到处理中心和相关的责任人。便于对紧急情况的决策处理。 针对矿井的特点,提出了实 现矿井移动通信的方案:以质量较好、网络较为完善的 gsm 移动信号为信号源，用光纤直放系统将信号 引入矿井。 关键词关键词: 矿井通信;手机模块;gsm; 光纤直放系统 1. 引言引言 1.1 选题背景选题背景 煤炭是我国经济建设的基础，煤炭的开采主要以井下为主，巷道长、矿井生 产工序多、作业地点分散，人员流动性大且工作环境恶劣，事故隐患大。为了 矿井的安全生产和效率的提高，解决无线通信是一个关键的问题。然而，矿井 无线通信系统具有许多不同于一般地面的无线通信系统的特点，许多地而上使 用的通信设备和技术无法直接应用到煤矿井下。近年来，我国煤矿安全状况形 势非常严峻，不断发生瓦斯爆炸事故。为了安全生产，需设计一套完善的矿井 应急无线通信系统。国内多数煤矿企业都已经或正在进行生产调度,监测监控等 信息系统的建设,这些系统的建立在实现安全生产的过程中起到了重要的作用。 但是这些几乎系统都是基于有线的系统,在紧急状态下(比如电力中断,事故等) 如何将安全生产监测监控信息及时、准确地传送到各级相关人员手中,缺乏有效 的手段。线传感器技术是目前无线通信领域内研究的一个热点技术,它综合了传 感器技术,嵌入式计算技术,现代网络及无线通信技术,分布式信息处理技术等, 能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测,感知和采集各种环境或监测 对象的信息,通过嵌入式对信息系统进行处理,并通过随机自组织无线通信网络 以多跳中继方式将所感知的信息传送到用户终端。本文提出了一种基于无线传 感器网络的矿井应急通信系统的设计方案。该方案利用无线传感器网络和 gprs 手机模块、gsm 手机模块或者 cdma 手机模块等,在系统电力出现故障时保证系 统仍能正常地工作,极大地提高了紧急情况下的人员搜救能力,具有较大的现实 意义。 2 1.2 国内外煤矿安全监测研究状况国内外煤矿安全监测研究状况 1.2.11.2.1 国内煤矿安全监测研究状况国内煤矿安全监测研究状况 目前，我国煤矿井下通信基本使用有线装置，依靠电缆传输信息，由于井下 特殊环境所限，地面潮湿，电缆腐蚀严重，一旦发生事故，通信马上中断，指 挥端很难与事故地点取得联系，成为矿井通信一个至关重要的盲点，介于有线 通信的种种弊端，国内外现正积极研究各种井下无线通信系统，这对煤矿生产 管理，特别是矿井救灾具有重要意义。国内多数煤矿企业都已经或正在进行生 产调度、监测监控等信息系统的建设，这些系统的建立在实现安全生产的过程 中起到了重要的作用。但是这些系统几乎都是基于有线的系统，在紧急状态下 如何将安全生产监测监控的信息及时、准确的传送到相关人员手中，缺乏有效 的手段。 1.2.21.2.2 国外煤矿安全监测研究状况国外煤矿安全监测研究状况 世界主要产煤国(美国,英国，德国，波兰，前苏联)从 50 年代开始，陆续得 把监测技术应用到安全生产管理上，国外迅速地把射频识别技术成功的应用到 了井下人员定位监控系统中。1990 年 8 月，美国安菲斯公司利用超低频信号的 穿透力研制开发的世界唯一一套可实现超低频信号穿透岩层进行传输的无线急 救通讯系统投入煤矿使用。该系统的先进技术工艺和优越的性能得到了矿区领 导的一致肯定。该系统能够提供一些预先编制好的紧急信息，这些信息在紧急 情况出现时自动生成。该系统可以直接连接现有的监控设备。可以监控多种输 入，警告信息由矿井人员预先指定，在紧急情况发生时，可以在最短的时间内， 将警告发送给井下全部或相应的工作人员。 1.3 本论文的选题意义与工作本论文的选题意义与工作 由于多种短距离无线传输技术的兴起，为解决矿井问题提供了更多的选择， 蓝牙、红外、以及最新的 zigbee 技术都能够实现短距离无线通信，但考虑到满 足生产要求，同时能降低生产成本的情况，利用无线传感器网络就突显了它的 作用。 3 在这种情况下，设计的一种无线传感模块就具有了很大的市场，本文在对 比了现有的几种短距离无线数据通信的特点后，设计了一种短距离无线数据收 发模块，给出了其系统硬件框图，并详细分析了其工作原理，在无线发送模块 的设计中决定采用移动通信的 900mhz 信号是实现矿井无线通信，其中利用光纤 之放系统将信号源引入井下，在接收部分，我们采用 gsm 模块作为接收模块 的控制部分。在本文中，首先详细介绍了设计中所采用的各主要系统的结构与 工作原理，随后对所设计系统的各个部分进行了详细的剖析，并且对设计工作 中的模块进行了工作配置。 1.4 无线传感模块的设计要求无线传感模块的设计要求 1、具有发送接收数据的功能，根据收发数据的情况判定矿井人员的位置。 2、具有体积小，部署方便，低功耗、低成本的优点。 3、具有抗干扰的优势，能够最大程度的避免通信冲突。 4、具有操作简单、配戴方便的优点。 2. 无线传感器网络技术介绍无线传感器网络技术介绍 所谓传感器网络是由大量部署在一定区域内的,具有无线通信与计算能力 的微小传感器节点通过自组织方式构成的能根据环境自主完成指定任务的分布 式智能化网络系统。感器网络的节点间距离很短,一般采用多跳(multi2hop)的 无线通信方式通信。感器网络可以在独立的环境下运行,也可以通过网关连接 到互联网,使用户远程访问。 2.1 无线传感网络的特点无线传感网络的特点 (1)无中心。sn 没有严格的控制中心,所有节点地位平等,是一个对等式网络。 点可以随时加入或离开网络,任何节点的故障不会影响整个网络的运行,具有很 强的抗毁性。 (2)自组织。络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施,节点通过分层协 议和分布式算法协调各自的行为,节点开机后就可以快速,自动地组成一个独立 4 的网络。 (3)动态拓扑。sn 是一个动态的网络,节点可以随处移动;1 个节点可能会因为电 池能量耗尽或其它故障,退出网络运行,也可能由于工作的需要而被添加到网络 中.这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化,因此网络应该具有动态拓扑组织 功能。 (4)节点数量众多,分布密集。sn 节点数量大,分布范围广,难于维护甚至不可维 护。以,需要解决如何提高无线传感器网络的软,硬件健壮性和容错性。 (5)硬件资源有限。sn 节点采用嵌入式处理器和存储器,计算能力和存储能力十 分有限。以,需要解决如何在有限计算能力的条件下进行协作分布式信息处理的 难题。 根据上述分析,笔者发现无线传感器网络十分适合紧急情况下矿井安全的应 急通信。紧急情况下,井下一般都会断电,线路也有可能出现问题,因此,无线传 感器网络就是一个很好的选择,再结合具有广泛覆盖范围的移动通信手机模块, 就可以将所需的数据安全可靠地传送到地面中心和有关责任人员的手中。 2.2 无线传感网络拓扑结构方案无线传感网络拓扑结构方案 考虑矿井的结构特点，把矿井无线通信系统设计成如图 3 示的网络结构。底 层是部署在矿井巷道和工作面上的传感器网络，向上依次为传输网络和地面监 控中心。为了保证通信系统的可靠性和准确性，传感器节点的部署密度通常比 较大，并且部署在矿井中所有的工作面和巷道中，从而形成多个传感器网络。 传输网络是负责协同各个传感器网络网关节点、综合网关节点信息的局部网络。 图图 3 3 监测系统网络结构监测系统网络结构 5 无线传感器网络采用网状拓扑结构，由于完全的网状拓扑控制要消耗传感器 节点较多能量，为了在满足网络连通的前提下，尽可能地节约能量，在矿井的 每个巷道和工作面部署的大量节点中选取少数节点作为主节点，打开其通信模 块，关闭非主节点的通信模块，由主节点建立一个网状全连通网络来负责数据 的路由转发。这样既保证了原有覆盖范围内的数据通信，也在很大范围内节约 了能量。 在无线传感局域网中通常采用的组网拓扑结构一般有三种：星形拓扑、网形拓 扑和树形拓扑。 图图 4 4 星形拓扑结构图星形拓扑结构图 星形拓扑是由中央节点和通过点到点无线链路到中央节点的各个站点组成， 如图 4 所示。中央节点执行集中式通信控制策略，因此中央节点相对复杂，而 各 个站点的通信处理负担都很小。这种结构一旦建立了通道连接，就可以在连通 的 连个节点之间传送数据。星形拓具有控制简单、故障诊断和隔离容易的特点。 图图 5 5 网形拓扑结构图网形拓扑结构图 网形拓扑如图 5 所示。它的优点是不受瓶颈问题和失效问题的影响。由于节 点之间有许多条路径相连，可以为数据流的传输选择适当的路由，从而绕过失 6 效的部件或过忙的节点。这种结构比较复杂，成本比较高，提供上述功能的网 络协议也较为复杂。 图图 6 6 树形拓扑结构图树形拓扑结构图 树形拓扑从总线拓扑演变而来，形状像一颗倒置的树，顶端是树根树根以下 带分支，每个分支还可以再带子分支，如图 6 所示。树根接收各站点发送的数 据， 然后再广播发送至全网。树形拓扑的优点是易于扩展发现故障较容易，缺点是 各 个节点对根的依赖性太大。 结合井下环境的特点，巷道深路窄，在本设计中采用控制简单，传输方便的 星形拓扑结构。 这里，由主节点来调节非主节点的工作，负责数据的融合和转发，能量消耗 会相对较大。为解决主节点的能量消耗问题，这里主要通过网络自身周期性地 监测各传感器的能量状态，并自动更换主节点来均衡网络中各节点能量消耗。 选取所有节点中能量大于某一设定值的少数几个节点作为主节点，其余节点选 取离自己距离最近的主节点作为自己的控制节点。如果矿井工作面距离较远， 或工作面数目多，可以在每个工作面专门部署一个能量较强的节点作为该工作 面主节点的主节点，完成工作面之间的信息传输。 基于保证矿井人员安全的需求，设计一种人员定位系统是很必要的，由于 矿井人员的移动性，采用无线定位技术能更有效实现井下人员的定位。工业级 无线传感网络技术的不断进步为解决传统矿井人员安全的问题提供了广阔的前 景和新的契机。无线传感器网络 wsn 是一种由传感器节点构成的网络，能够实 时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息(如光 7 强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象)，并对这些信息进行处理后 以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。 无线传感器网络的一个重要优势是摆脱了传统传感器网络的连线限制，解 决了成本问题，通过传感器技术、计算机技术和无线通信技术的融合，大大缩 短了人和自然之间的距离。无线传感器网络在军事侦察、环境监测、医疗护理、 智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。 在传感器网络中，传感器节点具有端节点和路由的功能：一方面实现数据 的采集和处理；另一方面实现数据的融合和路由，对本身采集的数据和收到的 其他节点发送的数据进行综合，转发路由到网关节点。网关节点往往个数有限， 而且常常能量能够得到补充；网关通常使用多种方式(如 iniemct、卫星或移动 通信网络等)与外界通信。而传感器节点数目非常庞大，通常采用不能补充的电 池提供能量；传感器节点的能量一旦耗尽，那么该节点就不能进行数据采集和 路由的功能，直接影响整个传感器网络的健壮性和生命周期。因此，传感器网 络主要研究的是传感器网络节点。具体应用不同，传感器网络节点的设计也不 尽相同，但是其基本结构是一样的。 传感器网络节点一般由处理器单元、无线传输单元、传感器单元和电源模 块单元 4 部分组成。本论文设计思想就是基于无线传感器网络的。 图图 7 7 传感器网络结构图传感器网络结构图 本模块的通信方式属于点对点的通信方式，点对点无线通信是无线通信中最 基本的通信方式，是点到多点无线通信以及无线网络的基础。本模块的通信设 计属于短距离无线通信范畴。 2.3 短距离无线数据通信的标准简介短距离无线数据通信的标准简介 短距离无线通信相比有线通信有以下主要特征：无线发射功率从几 w 到小 传感器 电源电源 无线传输 电源 处理器 8 于 100w；通信距离范围从几厘米到几百米；主要在房间内使用；使用全向天 线和线路板天线；不需要申请无线频道；高频操作；电池供电的无线发射器和 无线接收器。 格式化数据包 （crc16） 格式化数据包 （crc16） 发送端 接收端 图图 1010 短距离无线通信系统示意图短距离无线通信系统示意图 典型的短距离无线通信系统如图 10 所示，它由一个无线发射器和一个无线 接收器组成。发射器的数据通过无线发射出去，接收器天线接收后，进行处理， 得到正确的经过校验的数据。本设计就是基于短距离无线通信系统的工作原理 研究设计的，矿井人员配戴该模块通过数据的发送与接收，方便井上监控系统 确定人员的位置。 在进行短距离无线通信时，现已有多种技术方案可供选择，最流行的关于短 距离无线数据通信的 3 个标准是蓝牙(bluetooth)，502.11(wi 一 fi)标准和 irda，另外最近还出现了 uwb，zigbee 与 gprs 数据通信技术。以下是几种技术 简介： 蓝牙蓝牙 1998 年蓝牙技术的出现主要用于通信与信息设备的无线连接。蓝牙技术是 一种用于各种固定与移动的数字化硬件设备之间的低成本、近距离的无线通一 讯连接技术。这种连接是稳定的、无缝的，其程序写在一个 9x9mm 的微型芯片 上，可以方便地嵌入设备之中。这项技术能够非常广泛地应用于我们的日常生 活中。蓝牙的工作频率为 2.4ghz，有效范围大约在 10m 半径内，在此范围内作 为一种电缆替代技术，它可把内嵌有蓝牙芯片的计算机、手机和多种便携通信 9 终端联起来，以约 1mb/s 的速率相互传递数据，为其提供语音和数字接入服务， 实现信息的自动交换和处理，并能方便的接入互联网。蓝牙产品涉及 pc、笔记 本电脑、移动电话等信息设备和 a/v 设备、汽车电子、家用电器和工业设备领 域。蓝牙的支持者们预言说，一旦支持蓝牙的芯片变得非常便宜，蓝牙将置身 于几乎所有产品之中。目前蓝牙技术开发的重点是多点连接。 802.11(wi802.11(wi 一一 fi)fi) wi-fi (wireless fidelity,无线高保真)也是一种无线通信协议，正式名称 是 ieee802.11b，与蓝牙一样，同属于短距离无线通信技术。wi fi 速率最高可 达 11 mb/s。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范 围方面却略胜一筹，可达 100 m 左右,不用说家庭、办公室,就是小一点的整栋 大楼也可使用。最初的 ieee802.11 规范是在 1997 年提出的，称为 802.11b,主 要目的是提供 wlan 接入，也是目前 wlan 的主要技术标准，他的工作频率也是 2.4 ghz，与无绳电话、蓝牙等许多不需频率使用许可证的无线设备共享同一频 段。起先，wi fi 元件昂贵，兼容性不好，安全性也不能令人满意。随着时间 推移,这些问题逐步得到解决，且随着 wi fi 协议新版本，越来越广泛。 irdairda 是一种利用红外线进行点对点通信的技术，目前它的软硬件技术都很成熟， 在小型移动设备，如 pda、手机上广泛使用。它利用红外光的通断表示计算机 中的 0-1 逻辑。irda 的主要优点是无须申请频率的使用权，在当前频率使用资 源匿乏，频道使用费用增加的背景下的 irda 具有价格优势。红外线具有功耗低、 连接方便、简单易用的优点。它具有数据传输率较高，适于传输大容量的文件 和多媒体数据。此外，红外线发射角度较小，传输上安全性高。irda 的不足在 于它是一种视距传输，相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其他物体阻 隔，只能实现点对点的连接，无法实现点对多点的连接，因而该技术用于 2 台 (非多台)设备的连接，通信设备的位置需要相对固定，无法用于移动设备。 irda 目前的研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率。 uwbuwb 超宽带技术 uwb(ultra wide eband)是一种新发展起来的极具潜力的无线通 信技术，出现在 60 年代，uwb 是指信号带宽大于 500mhz 或者是信号带宽与中 心频率之比大于 25%。与常见的通信方式使用连续的载波不同，uwb 通过基带极 10 端的脉冲信号作用于天线的方式发送数据。uwb 被允许在 3.1 一 10.6ghz 的波 段内工作。超宽带技术具有对信道衰落不敏感，发射信号功率谱密度低、低截 获能力、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点，非常适合应用在无 线传感器网络中。对它主要应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和 身体的雷达和图像系统中。除此之外，这种新技术使用于对速率要求非常高(大 于 100mb/s)的 lans 或 pans。目前，英特尔公司正在进行研究和研发，以便将 uwb 集成到个人电脑芯片组中，将其作为 10m 以内的近距离高速无线传输接口 使用。英特尔将 uwb 定位于“无线 usb2.0” ，当前 uwb 的传输速率己达到 100mbt/s，其下一个目标是 500mbt/s。然而，uwb 作为民用还是一项新技术， 还有一些实际问题，uwb 系统占用的带宽很大，uwb 系统可能会干扰其他无线通 信系统，uwb 系统的频率许可问题一直还在争论中，另外 uwb 的干扰问题等有 待解决。 zigbeezigbee 是一组基于 ieee 批准通过的 802.15.14 无线标准研发的，有关组网、安全 和应用软件方面的技术标准。ieee 无线个人区域网工作组的 ieee802.15.4 技 术标准是 zigbee 技术的基础。zigbee 技术主要应用于短距离内数据传输速率 不高的各种电子设备之间，适用于家电和小型电子设备的无线控制指令传输。 zigbee 技术的主要特点是功耗低、成本低；网络容量大；延时短；有效范围比 较小；使用频段无须申请。zigbee 的应用还是比较多的如：空调系统、遥控器、 无线传感器、rfid 标签等。下面（表 1）是几种通信技术的比较 ： 表表 1 1 通信技术的比较通信技术的比较 11 2.4 无线传感器网络结构无线传感器网络结构 线传感器网络(wsn)由大量的节点根据自组织网络的方式构成,一般节点通 过各种方式大量部署在被感知对象内部或者附近。些节点通过无线自组织传输 网络,以协作的方式感知,采集和处理网络覆盖区域中的信息,可以实现对任意地 点的信息在任意时间的采集,处理和分析。线传感器网络结构如图 1 所示(虚线 表示无线链路,实线表示有线链路)。 图图 1 1 无线传感器网络结构图无线传感器网络结构图 无线传感器网络节点具有数据采集,处理以及传送等功能,其结构如图 2 所示。 12 图图 2 2 无线传感网络节点结构图无线传感网络节点结构图 2.5 传感器硬件设计传感器硬件设计 节点硬件结构设计框图如图 8 示，由传感器模块、处理器模块、无线通信模 块三部分组成。其中，传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处 理器模块负责控制整个节点，处理采集到的数据以及其他节点发来的数据；无 线通信模块负责与其他节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据。 图图 8 8 节点硬件结构图节点硬件结构图 13 2.6 传感器电路接口设计传感器电路接口设计 图图 9 9 传感器电路接口设计图传感器电路接口设计图 3.系统方案设计系统方案设计 3.1 系统结构系统结构 在该系统中,首先无线传感器网络用于检测和传输各种数据,如高浓度甲烷气 体,低浓度甲烷气体,微量一氧化碳(co),氧气的浓度,风速,空气温度,岩煤温度, 顶板压力,空气压力,烟雾和粉尘浓度及工作面的作业条件,然后在地面 gsm 系统 信号可以覆盖的地方设置一个数据中转终端,最后由中转终端利用 gsm 网络将数 据传到数据处理中心和安全责任人员的手机上,以便决策。系统可实现在井下无 线采集和传输数据,保证在断电等紧急情况下迅速地获得井下的安全参数。于无 线传感器网络的矿井应急通信系统结构如图 11 所示。 14 图图 1111 无线传感器网络的矿井应急通信系统结构图无线传感器网络的矿井应急通信系统结构图 为了该方案可以成功实施，首先要在井下设计一个信号传输模块，对井下的 信号进行采集和处理，并且选择合适的传输方式将信号完整，清晰地通过该系 统传送到井上信息接收端，该方案选择了移动通信作为信号源，利用光纤直放 系统将信号源引入井下，并在井上利用 gsm 手机模块接收信号. 3.2 矿井中矿井中 gsm 移动信号传输模块移动信号传输模块 3.2.13.2.1 信号源的选择及其引入方式信号源的选择及其引入方式 信号源的选择信号源的选择 为了实现井下移动通信，必须具备一个 gsm 信号源与一套信号引入、伸系统。 而井下移动通信频率的选择是实现井下移动通信的关键。 井下移动通信频率的选择主要应考虑两方面的因素。一是电机车火花及其他 外部噪声干扰会使信号电平下降，所以频率应选的高一些，但当频率增至 1000mhz 以上时，接收机内部噪声增加，起伏周期变小，传输损耗会增大，众 多研究应用表明，中国移动通信以其完善的网络、成熟的技术、服务的多样性 及广阔的发展空间占有独特的优势，基于以上诸多因素考虑，移动通信的 900mhz 信号是实现矿井无线通信的最佳选择对象。 信号的采集和传输信号的采集和传输 信号的采集方式主要有有线直接耦合与空中无线耦合，前者所采集的信号几 乎不受外界的干扰，信号的质量与强度比较稳定；后者受环境的影响比较大、 噪声较高、稳定性较差。信号的传输方式有多种，如有线传输、空间无线直接 15 传输、光纤传输等。其中光纤传输有明显的优势，它具有 2*1014hz 以上的带宽 极限，通过目前可以达到的密集波分复用（dwdm）技术，一条光纤可以支持 1600gbit/s 的传输速率：实验表明，基于单波 160gbit/s 速率的 1024 个载波， 可达约 160tbit/s 的点到点传输流量（1tbit/s=1012bit/s） ；光纤传输信号损 耗极低，小于 0.2db/km,不受外界强磁的干扰；重量极轻（一条光纤芯 27g/km）,耐湿热和腐蚀，敷设方便，尤其适合于井下复杂的巷道系统。 3.2.23.2.2 井下信号源的引入方式井下信号源的引入方式 光纤直放系统的优势光纤直放系统的优势 1 光纤直放系统摆脱了自成体系、局域通信的传统模式，以技术成熟、资源丰 富的陆地蜂窝网为基础控制平台，所用的移动终端手机、井下光纤直放系统终 端机等设备在与 gsm 系列产品兼容的基础上，为满足井下安全要求，稍加改进 即可应用。 2 传输距离长，可达到 20km，模拟移动电话可达 50 km 以上，且可以实现多路 传输以满足井下多地点移动通信的需求。 3 信号传输不受地理条件限制，特别适合于深部井下。 4 光纤具有频带宽、损耗低、体积小、重量轻、抗电磁干扰等优点，特别适合 井下环境；可用两条光纤实现上下行信道的延伸，也可以用不同波长的光波在 同一光路中传输实现上下行信道的延伸。 5 系统简单，易于维护和诉投，适合于井下动态的生产环境；尤其应用到井下 远端机，体积小，隔爆设计也比较容易。 井下信号源的引入井下信号源的引入 光纤直放系统是一种很好的信号延伸，放大方式，现已在隧道和地下商场等 场所得到了很好的应用，其系统主要由耦合单元、近端解调机、光纤、远端解 调机、收发天线等组成，系统组成如图 12 示。它由偶和单元直接耦合陆地蜂窝 网 bts 的 gsm900 信号，bts 信号送入带通滤波器进行选频率波后，由低噪声放 大器将电平调整到光发送模块规定的接口电平，经光发送模块完成光电转换后 送入光纤，通过光路传输到井下。在井下接收端，光接收模块可将微弱的光信 号变成一定电平的电信号再经功放放大，滤波器滤波后送至发射天线发射出去， 此为下行链路。同理在上行链路方向，接收天线接收的手机信号也需要将电平 16 调整到一定电平后送至光发送模块传输至近机端；近机端的光接收模块将输出 的信号放大，滤波后返回 bts。上下行链路中，分别使用了多级滤波器，是为 了滤除带外噪声和杂散信号，提高上下行信道之间的隔离度。在井下终端放大 的信号可由微型定向天线，泄露电缆等发射给各巷道的服务区。 图图 1212 光纤直放系统框图光纤直放系统框图 光纤直放系统在井下应用的另一大优势就是它不仅有单路延伸形式，即由 1 台近端机及 1 台远端机组成，而且有多路延伸形式，即由 1 台近端机及多台远 端机组成，井下远端机距地面 bts 的最远距离可达 20km，由光路的最大长度要 求确定，这种组成方式恰恰能适合井下多地点通信的需求，根据技术要求，1 台近端机最多可与 4 台远端机相连，1 近端机、4 远端机的结构组成如图 13 所 示。在应用 1 近端机、多远端机的方式时，要注意两个问题，首先要考虑到系 统容量，预算话务量，在多地点实现移动通信，如有多个工作面、多个掘进面 的通信服务区，其移动用户势必相应增多，加之基站本身要为地面服务，需分 担一部分话务量，这洋很可能造成系统容量不够，出现这种情况，可采用为传 输系统单设载频或再增加 bts 的载频数来解决。其次要注意光纤直放系统的上 行调节，即每台远端机的上下行的增益要平衡，且增益大小要相匹配。 17 图图 1313 1 1 近端机、近端机、4 4 远端机光纤直放系统组成远端机光纤直放系统组成 3.3 基于基于 gsm 手机模块的数据接收系统手机模块的数据接收系统 3.3.1 gsm 模块简介模块简介 gsm 模块，是将 gsm 射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成 在一块线路板上，具有独立的操作系统、gsm 射频处理、基带处理并提供标准 接口的功能模块。 因此，gsm 模块具有发送 sms 短信，语音通话，gprs 数据传输等基于 gsm 网络进行通信的所有基本功能。简单来讲，gsm 模块加上键盘、显示屏和电池， 就是一部手机。 开发人员使用 arm 或者单片机通过 rs232 串口与 gsm 模块通信，使用标准 的 at 命令来控制 gsm 模块实现各种无线通信功能，例如：发送短信，拨打电话， gprs 拨号上网等。基于 gsm 模块产品的开发往往都是基于 arm 平台，使用嵌入 式系统进行开发。有些 gsm 模块具有“开放内置平台”功能，可以让客户将自 己的程序嵌入到模块内的软件平台中。 早期的 gsm 模块主要是供手机厂使用，手机厂直接购买模块，配上外围的器 件就是可以生产一部手机。gsm 模块解决了手机设计中复杂的射频发送和基带 18 处理问题，并提供了标准的通信接口，厂商不用再从底层的芯片级开始进行手 机的设计，缩短了设计周期。5 年前，国内的手机厂家几乎都是购买国外的成 品 gsm 模块进行二次开发生产手机的，近几年，随着国内手机设计公司的逐渐 成熟，手机厂家才摆脱对 gsm 模块的依赖，转为直接从芯片级入手生产手机。 目前，gsm 模块依然在广泛的工业应用领域使用，在更行各业都能看到 gsm 模块应用的产品。例如，在车载监控领域，使用 gsm 模块将车辆行驶的 gps 数 据传输回车辆管理中心；在电力、水务系统，通过 gsm 模块实现了远程智能抄 表，可以实时监控用户的用电和用水量；在测绘行业，为很多偏僻的测绘点安 装了 gsm 模块实现了实时的监控，不必再人工收集数据；1在家庭，可以安装 无线报警系统，一旦发生火情或盗窃行为，可以立即通知户主和报警；在国外， 很多老人小孩带了个人跟踪器，防止老人和小孩走失或意外发生，里面也是集 成了 gsm 模块。可以说，随着 gsm 的网络建设的完善，gsm 模块的应用范围也 越来越广。 3.3.2 gsm 模块井上数据接收系统模块井上数据接收系统 手机模块采用 tc35,它由射频天线,内部闪存,gsm 基带处理器,匹配电源和 1 个 40 脚的 zip 插座组成。其中 gsm 基带处理器是核心部件,用来处理外部系统 通过串口发送过来的 at 指令。它的外部集成了标准 rs232 接口,电源接口,模拟 音频输入输出接口和 sim 卡,只要将其串口与 pc 或单片机的串口相连,就可以用 at 命令对它进行设置,其通信速率为 9600bps。目前移动通信的信号几乎实现了 无缝覆盖,因此,利用其完备的网络进行数据传输就成为应用的热点。或者采用 at 指令进行单片机与手机模块间的通信设置,选择以数据,文本等格式的短消息 通信方式,这样可随时进行可靠的通信,并可以节省无线传输的成本和网络维护 开支。单片机和手机模块之间的通信原理框图如图 14 示。 19 图图 1414 单片机和手机模块之间的通信原理框图单片机和手机模块之间的通信原理框图 在地面 gsm 系统信号可以覆盖的地方的数据中转终端,利用 gsm 网络将数据 传到数据处理中心和安全责任人员的手机上,便实现了矿井上下信息的传送与接 收。 4 总结总结 本文涉及的矿井应急通信系统是无线传感器网络的一个最简单的应用,由于 无线传感器网络具有定位功能,因此,该系统经过进一步扩展就可用于安全救援. 每一个井下工作人员携带 1 个传感器节点,这样在发生紧急状况时就可以确定人 员的井下位置以及有关的参数,保证救援行动的顺利进行.总体来说,无线传感器 网络技术和 gsm 技术的结合应用在矿井等安全系数要求较高的地方有较大的意 义,值得进一步地研究. 参阅文献参阅文献 1 warneke b, last m, liebowitz b, et al. smart dust: communicating with a cubic millimeter computer j. ieee computer magazine, 2001, 34(1):4451. 2 彭祖林,邓罗根,刘细华. 用于测量体温的无线实时监测系统的设计与实现j计算机信息, 2005,(01) 3 刘鸣,蒋新颖,姚雪峰. 基于 ds18b20 多点温度采集和无线传输j电子元件与材料, 2005,(02) . 4 孙利民，李建中.无线传感器网络m.北京：清华大学出版社，2005. 20 5 王林琳.ptr2000 在多参数无线监护系统中的应用j.长春工业大学学 2004(6). 6 杨占军,杨英杰. 基于无线传输技术的多路温度数据采集系统设计j东北电力学院学报, 2005,(01) . 7 朱芳 章坚武 高峰.一种基于 nrf905 的无线数据采集系统设计j.杭州电子科技大学学报,2007,(1): 29-32. 8 周波.nrf903 无线通讯模