煤礦井下TD無(wú)線數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計(jì)

摘要 針對(duì)煤礦系統(tǒng)的通信現(xiàn)狀，提出利用TD-SCDMA技術(shù)構(gòu)建井下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的方案。通過(guò)對(duì)井下模擬巷道通信的實(shí)驗(yàn)研究，表明基于TD網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于TD-SCDMA技術(shù)的礦井無(wú)線數(shù)據(jù)采集終端。該終端選用TD終端模塊LC6311(+)作為通信平臺(tái)，給出其和單片機(jī)的接口通信電路，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的快速、遠(yuǎn)距離傳輸，適合煤礦井下檢測(cè)系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞 TD終端；串口通信；AT指令；LC6311(+)

    我國(guó)煤炭主要依靠井下開(kāi)采，而且高瓦斯礦井多，瓦斯泄漏、透水事故多發(fā)。因此，快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)井下瓦斯?jié)舛?、礦井壓力等信息，并把這些物理信息控制在安全范圍內(nèi)，是避免礦井事故的有效手段。隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展及其成熟運(yùn)用，應(yīng)國(guó)家對(duì)煤炭產(chǎn)業(yè)安全化、信息化的要求，無(wú)線通信技術(shù)在礦井中得到廣泛運(yùn)用。為對(duì)井下環(huán)境、人員健康和安全狀況等大量信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)并及時(shí)報(bào)警，文中設(shè)計(jì)了一種適合煤礦井下無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的信息采集系統(tǒng)，可以手持或掛于巷壁。該系統(tǒng)硬件采用聯(lián)芯科技的TD終端LC6311(+)作為無(wú)線傳輸平臺(tái)，以低功耗著稱(chēng)的MSP430單片機(jī)作為主控單元，給出了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案，外部接口豐富，配置簡(jiǎn)單，可以很好地與外部傳感器或傳輸模塊互連。

1 系統(tǒng)架構(gòu)
    系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該煤炭專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)集成了公網(wǎng)通信的主體功能，相當(dāng)于小型化TD-SCDMA無(wú)線通信系統(tǒng)，支持實(shí)時(shí)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)傳輸以及實(shí)時(shí)調(diào)度等，還可實(shí)現(xiàn)煤礦信息共享，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查詢等功能。系統(tǒng)中井下基站為本質(zhì)安全型設(shè)計(jì)，井下設(shè)備全部采用光纜連接，不涉及任何電信號(hào)-安全可靠，不會(huì)有打火的危險(xiǎn)。井下采集數(shù)據(jù)通過(guò)綜合接入控制設(shè)備連接至地面控制平臺(tái)，也可以連接PSTN或者移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離交互。TD-SCDMA煤炭專(zhuān)網(wǎng)的覆蓋，可同時(shí)解決煤礦井上、井下的通信調(diào)度問(wèn)題，達(dá)到縱向調(diào)度靈活可靠，礦區(qū)內(nèi)外通信暢通無(wú)阻，不僅能滿足日常安全生產(chǎn)的通信需要，而且能夠保證在自然災(zāi)害和礦井事故發(fā)生時(shí)進(jìn)行應(yīng)急指揮通信，從而有效降低人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。

    利用TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)高速的Internet接入，選擇采集終端設(shè)備與基站間采用TD無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合Internet的組網(wǎng)方案?；具B接Internet網(wǎng)絡(luò)，終端設(shè)備登錄TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)建立與基站之間的連接。TD-SCDMA無(wú)線應(yīng)用的組網(wǎng)方式有多種，在實(shí)際應(yīng)用中可以使用公網(wǎng)固定IP、動(dòng)態(tài)域名解析、APN專(zhuān)線接入等方案。

2 礦用采集終端的硬件設(shè)計(jì)
    礦用數(shù)據(jù)采集終端由以下3部分組成：主處理單元、TD無(wú)線傳輸單元和傳感器接口單元，如2圖所示。

2．1 TD無(wú)線傳輸單元LC6311(+)
    聯(lián)芯科技的LC6311(+)模塊，是一款TD-SCDMA&GSM(GPRS)雙模無(wú)線模塊，支持TD-SCDMA與GSM系統(tǒng)間跨網(wǎng)自動(dòng)無(wú)縫切換，通過(guò)配置可以設(shè)置TD-SCDMA模式。在TD制式下，支持上下行非對(duì)稱(chēng)數(shù)據(jù)傳輸能力，上下行數(shù)據(jù)傳輸速率可分別達(dá)384 kbit·s-1；支持UART和USB兩種通信接口，使用更為方便靈活，可以滿足不同主控設(shè)備的需求；采用2．9 mm裝配高度的超薄設(shè)計(jì)，使其可以方便應(yīng)用于智能手機(jī)和各類(lèi)數(shù)據(jù)卡中；內(nèi)部集成TCP／IP協(xié)議，可以方便連接Internet。
    TD無(wú)線傳輸單元的主要功能：為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供無(wú)線傳輸通道，將采集的數(shù)據(jù)信息傳輸至地面控制平臺(tái)，接收地面控制中心發(fā)送的相關(guān)指令，轉(zhuǎn)發(fā)給主處理單元。
2．2 硬件接口設(shè)計(jì)
    采集終端選擇MSP430F149作為主處理單元，MSP430系列單片機(jī)以超低功耗著稱(chēng)，同時(shí)，將大量的外圍模塊整合到片內(nèi)，接口豐富，可很好地與外部傳感器或傳輸模塊互連。單片機(jī)與TD模塊(LC6311(+))的硬件接口電路如圖3所示。

    LC6311(+)提供兩個(gè)UART接口，UART1用作與主機(jī)的通訊口，其速率缺省為115．2 kbit·s-1，可以采用相關(guān)AT指令動(dòng)態(tài)配置從9 600 bit·s-1到921．6 kbit·s-1。UART2用作軟件下載，通訊速率115．2 kbit·s-1。
    設(shè)計(jì)采用MSP430F149的UART1和LC6311(+)的UART1交叉相連，即MSP430的34腳UTXD1、35腳URXD1分別與LC6311(+)的43腳UART1_RX、42腳UART1_TX相連。LC6311(+)的UART1接口中，UART1_RTS和UART1_CTS引腳可以懸空。
    LC6311(+)模塊加電后，為使之正常工作，必須在POWERON信號(hào)端加至少5 s的高電平信號(hào)，且在這期間RESET信號(hào)端保持高電平狀態(tài)。建議把VBAT引腳和POWERON引腳直接相連，以確保TD模塊正常啟動(dòng)。
    井下傳感器可檢測(cè)礦井下各種物理信息，如壓力、氧氣濃度、瓦斯?jié)舛鹊取鞲衅鹘涌趩卧С值膫鞲衅鬏敵鲱?lèi)型包括模擬接口輸出和數(shù)字接口輸出。模擬接口支持標(biāo)準(zhǔn)的電壓輸出類(lèi)型和電流輸出類(lèi)型，通過(guò)隔離轉(zhuǎn)換電路，將模擬電壓(電流)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式與主處理單元連接；數(shù)字接口支持RS232、RS485／RS422接口，通過(guò)隔離電路連接至主處理單元。
    另外，該終端設(shè)有蜂鳴報(bào)警電路和指示電路，使得在檢測(cè)到危險(xiǎn)來(lái)臨時(shí)告知檢測(cè)人員做出反應(yīng)。

3 軟件接口及控制原理
    采集終端利用TD-SCDMA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和Internet實(shí)現(xiàn)終端與基站之間的通信。由TD無(wú)線模塊LC6311(+)實(shí)現(xiàn)鏈路層、傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議，其中數(shù)據(jù)鏈路層采用PPP協(xié)議，傳輸層采用面向UDP協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層采用IP協(xié)議。
3．1 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的選擇及其實(shí)現(xiàn)方式
    數(shù)據(jù)采集終端通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向基站傳輸數(shù)據(jù)，第一步是登錄TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)，登錄網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程屬于數(shù)據(jù)鏈路層。終端可以通過(guò)AT命令登錄到網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)GGSN，當(dāng)PPP協(xié)商成功并遠(yuǎn)程成功登錄Internet后，可以得到GGSN分配給自己的內(nèi)網(wǎng)IP地址。
    第二步是傳輸層協(xié)議選擇。
    傳輸層的協(xié)議主要有UDP和TCP，UDP和TCP都使用相同的網(wǎng)絡(luò)層IP，根據(jù)應(yīng)用要求進(jìn)行選擇。
    UDP是一個(gè)簡(jiǎn)單的面向數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸層協(xié)議，提供不可靠性連接，它把應(yīng)用程序交下來(lái)的報(bào)文，傳給IP層發(fā)送出去，但并不保證它們能到達(dá)目的地。其報(bào)文格式如圖4所示。TCP與UDP不同，TCP提供了一種面向連接的、可靠的bit流服務(wù)。數(shù)據(jù)發(fā)送必須經(jīng)過(guò)接收方確認(rèn)，并且有超時(shí)重傳等保障機(jī)制，這是TCP傳輸有一定保障的原因。

    UDP與TCP提供不同的傳輸方式和傳輸質(zhì)量，TCP用以增加網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo)的方式提供傳輸保障。TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)按流量計(jì)費(fèi)，因此數(shù)據(jù)傳送效率就顯得十分重要。當(dāng)單包傳送的用戶數(shù)據(jù)量比較小時(shí)，UDP協(xié)議傳輸效率明顯高于TCP協(xié)議。
    考慮到本系統(tǒng)的通信特點(diǎn)：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)流量小、通信頻率高、多點(diǎn)通信，而且視頻數(shù)據(jù)的傳輸要求高實(shí)時(shí)性，對(duì)差錯(cuò)控制沒(méi)有太高要求。綜合以上考慮，并可滿足系統(tǒng)擴(kuò)充方便和遠(yuǎn)距離通信的需要，采用UDP協(xié)議。
3．2 LC6311(+)的數(shù)據(jù)傳輸
    LC6311(+)模塊中集成了TD-SCDMA的通信協(xié)議，MSP430F149通過(guò)串口1發(fā)送AT指令控制LC6311(+)模塊。數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒倘鐖D5所示。

    MSP430通過(guò)AT指令控制LC6311(+)模塊，完成數(shù)據(jù)通信，一個(gè)完整的通信控制流程如下：
    LC6311(+)模塊開(kāi)機(jī)后MSP430首先收到“COM_READY＾D(zhuǎn)EEI：0”響應(yīng)，然后發(fā)送AT指令，連接TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)成功后，下一步是連接Inter-net，進(jìn)入數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，具體流程如圖6所示。

    上述過(guò)程完成后，獲取到TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)分配的IP地址，LC6311(+)進(jìn)入數(shù)據(jù)狀態(tài)，就可以發(fā)送數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)地面控制中心對(duì)井下?tīng)顩r的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
    LC6311(+)和地面控制中心建立連接后，如果一段時(shí)間沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸則可能出現(xiàn)服務(wù)器端斷鏈的情況，無(wú)法繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。解決這個(gè)問(wèn)題的常用方法是發(fā)送心跳包，按照預(yù)先設(shè)定的時(shí)間或按數(shù)據(jù)管理中心的指令每隔一段時(shí)間發(fā)送一次心跳包，保證地面控制中心在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)實(shí)時(shí)在線。

4 結(jié)束語(yǔ)
    設(shè)計(jì)的井下TD-SCDMA無(wú)線采集終端具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)、通信距離遠(yuǎn)、質(zhì)量高等特點(diǎn)，免去了井下環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布線帶來(lái)的各種問(wèn)題，是對(duì)現(xiàn)有煤炭井下檢測(cè)系統(tǒng)的創(chuàng)新，也是新一代通信技術(shù)在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用。