一种新型井下无线通信系统设计与实现

2、基本内容和技术方基本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2、基本内容和技术方基本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技术313－17周：完成并修改毕业论文,4 关键词：井下无线通信；通信协议；链状通信链路；可靠数据传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绪 1绪 研究内容及组织结 2 3井下无线通信系统硬件设 天 4 物理链路及路由 传输应用 可靠数据交付设 功耗测 6总结与展 6.1总 6.2展 1.1究背景及1.1究背景及意[14]1.2内外研究现1.2.1外研究GST70年代100~1620kHz。使用中长波段的主要优势主要有这一频1995年美国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通信系统(DistributeAntennasystem)技术在加拿大进行了实验，该系统使用分散1.2.2内研究（1状状也会不断改变。容易导致传输电缆撕扯和损坏；（2）扩展性能差，布线繁琐，2井下无线通信系统基本理2-1CA2.0CAN2井下无线通信系统基本理2-1CA2.0CAN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TC/IP2.1下环境分2.2信频率选[12]。在甚低频、低频以及中频的低端，信号衰减2.2信频率选[12]。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。2-频率衰减22-22-3a2b2d=max （2-ll2-3a2b2d=max （2-ll2Riexp( (ri-P1rNl+（2-P(dB)=10lg(t)=10lg16pP(dB)=10lg(Pt)=10lg(l)2GtrPr收节点的距离，收节点的距离，l为无线信号电磁波波长3井下无线通信系统3井下无线通信系统硬件设201089日发布，201181GB3836.1-20103.1发器模块设3.1.1频控制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·88051MCU·8KB·256K·8KB·256K·AES-128加解密协同处理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I/O3-2CC25303-2CC25303.1.23-3(1)10cm全向天3-1节（米（包98763-3(1)10cm全向天3-1节（米（包987600000------000003-2节（米（包987-----6-3-3D-节（米（包01234566-3-3D-节（米（包012345600000000--------000000003-D-节（米（包98760000000-------00000003-1，表3-2，表3-33-4是在丢包率还是RSSI值都远远不如定向天线的性能好。3-5节（米（包00-05900--0045900--0043-4D-LENP3.2入网关节点设3-5STM32CANCC2530收发器模块中。当无线链路受阻，数据无法正常发送出去时，STM32FlashFlash推荐使用存储容量大1GCANISO国际3V3_A1CANRXACANTXA48751234 1OUT+ STM32CANCC2530收发器模块中。当无线链路受阻，数据无法正常发送出去时，STM32FlashFlash推荐使用存储容量大1GCANISO国际3V3_A1CANRXACANTXA48751234 1OUT+ 10uF233-6CAN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5V收发器收发数据时满负荷条件下3.3路中继节点设321 3-7P11HeaderHeaderC151234871265Header 21213-7P11HeaderHeaderC151234871265Header 21213-81233-9TPS54331，支持最3A1uA3-81233-9TPS54331，支持最3A1uA的静态电流，可以尽可能降低系统在电源部分的功率放被损害。使用TPS54331对输入电压稳压到5V后可以供给系统部分外设使3.3V5V电源的开关噪声降低到最小，3.3.2池电量MOS管作为测量开关，相对于三极管导通压降，MOS管的导通内100mΩMOSP型MOS为Si2301NMOSSi2302NMOSPMOS3.3V电平就足以12VPMOSVgs<8VNMOSD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，考虑在分压断）PMOS管的漏极，这样可以减小在运放上的消耗，如3-10INOUT 510436753-3.4缘网关节点设3-113.4.1网关节点存储单元MLCNANDFlashK9G8G08完10436753-3.4缘网关节点设3-113.4.1网关节点存储单元MLCNANDFlashK9G8G08完842332213-12FSMC灵活的静态存储器控制器（FSMC3-12FSMC灵活的静态存储器控制器（FSMC）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，SRAM、NORFlash、NANDFlash等。FSMC16个数据线，用于3.4.2太网关在以太网电路部分，需要以太网媒体接入控制器MAC和物理接口收发器3-133-133-14STM32F107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10/100Mb/s以太网接口芯片DP83848作为以太网物理4井下无线通信系统协议设4.14井下无线通信系统协议设4.1络协议结[1]，同时随着矿井的掘进延伸或者废除，网络拓扑结构不断的变化着。因此，4-14.2井下无线通信协议井下无线通信协议（MineWirelessTransport4.2井下无线通信协议井下无线通信协议（MineWirelessTransportProtocol，以下简MWTP）对4-2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NTC/IP协议数据给主巷道的骨干网上的交换机。MWTP协议设计时的基本思想是确保单跳节点之间点对点的数据传输的可分提高节点效率，MWTP从下向上分为两层：物理链路及路由层和传输应用MWTP考虑，MWTP考虑，MWTP进入数据传输状态后即始终进行数据的传输，直到网络重新启动或者某跳链路之间出现传输故障才再次从此跳的上端节点开始进入链路路由建MWTP4-3MWTP4-4由于节点能源有限，为保证节点生存周期的持久性，MWTP要求节点尽可4.3理链路及路由4.3理链路及路由在MWTP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同时也带来了信道分配的问题。上文已经阐述，MWTP在网络初期建立路由路4.3.1信道多4-5（1）数据碰撞(data（2）串音高传输节点的工作生存周期，MWTP（2）串音高传输节点的工作生存周期，MWTP使用多信道多接口的方式进行无线通信，4-6161126，16个信道均为正交信道，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4.3.2道分配(1)动态分(2)静态分MWTP在路由建立之后进行信道的分配，根据业务需要进行信道分配，分16个信道划分为两个部分：1个控制信道（11）15个数据信道（1226。在控制信道上进行控制命令的传输，如：路由发现4.3.3由建立RSSI值。RSSI(ReceivedsignalStrengthIndication，接收信号强度指示)是接收MWTP(1)路由发路由发现阶段的最终目的是发现从源节点到目的节点的传输路径。MWTPRSSI(1)路由发路由发现阶段的最终目的是发现从源节点到目的节点的传输路径。MWTPRSSI4-14-1ID链路质跳(2)路径选hoop域不为零的回复帧时，会继续等待一段因此，MWTP的路径度量主要为路径跳数(hoopCount)和链路质量(rssi)两4.4输应用4-74-74.4.1靠4-74-74.4.1靠数据(1)ACK机ACKACK帧的含义为接收方期待接收的4-8所示。4-8ACK4-8ACK机制示意图。情况①为正常情况，接收节点正确接收到发送4-8ACK4-8ACK机制示意图。情况①为正常情况，接收节点正确接收到发送ACK帧无法达到发送节点。对于这种情况，发送节点每次发送数据，启动重传定时器，如果能正确接收到ACK，则定时器清零，(2)窗口机ACKNM字节，如果对每一帧都进行确ACK帧，也就是说网络上每传输(N+M)字节，M字节为实际有效数据，网络的利用率不高，这是其一。其二，由于发送MWTP使用窗口机制提高数据传输速度。所谓窗口即是一块以帧为单位组4-94.4.2跳机制4-94.4.2跳机制5系统调试与实验5系统调试与实验了确保功能的正确性及稳定和可靠性，对MWTP协议做了大量的实验测试，5.1验环境搭MWTP5-1所5-15-25-25-3其中，Send5-25-3其中，SendPCMWTP应用中的数据源，使4-4所示的CANCANCAN2.0之间使用USB连接方式进行连接。入口网关接收到CAN标准数据帧后启动MWTPMWTPMWTP网络传TCP/IPRJ-45ReceivePC的网卡。ReceivePC通过运行开发出的如图CC2530012135-5-5.2输速率测5-发包数/丢包数/耗时丢包率00000005-发包数/丢包数/耗时丢包率00000000000000MWTP保证数据传输的可靠性，在中继5.35-2功接入网关3#2#1#边缘网关发射功耗/W其中，每个节点都有指示模块，实测消耗电流在3.0~3.1mA。由表5-100mA左右。现中继节点采用5200mAh。那么，考虑到电源供能效率和中继节点全发射模式502MWTP协议使用心355.4定性测5-发包数/丢包数/耗时5.4定性测5-发包数/丢包数/耗时丢包率00000000000000005-发包数/丢包数/耗时丢包率000000000000000066.166.16.2高MWTP带宽的利用率，进一步对MWTP性能进行突破。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. 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