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煤礦井下TD無線數(shù)據(jù)采集終端的設計

2011-05-08 02:09:28張曉莉
電子科技 2011年9期
關鍵詞:傳輸層基站終端

張曉莉,劉 磊

(西安科技大學通信與信息工程學院,陜西西安 710054)

我國煤炭主要依靠井下開采,而且高瓦斯礦井多,瓦斯泄漏、透水事故多發(fā)。因此,快速、準確地監(jiān)測井下瓦斯?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。隨著無線通信技術的發(fā)展及其成熟運用,應國家對煤炭產(chǎn)業(yè)安全化、信息化的要求,無線通信技術在礦井中得到廣泛運用[1]。為對井下環(huán)境、人員健康和安全狀況等大量信息進行監(jiān)測并及時報警,文中設計了一種適合煤礦井下無線通信網(wǎng)絡的信息采集系統(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(+)作為無線傳輸平臺,以低功耗著稱的MSP430單片機作為主控單元,給出了系統(tǒng)的軟硬件設計方案,外部接口豐富,配置簡單,可以很好地與外部傳感器或傳輸模塊互連[2]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,該煤炭專用網(wǎng)絡集成了公網(wǎng)通信的主體功能,相當于小型化TD-SCDMA無線通信系統(tǒng),支持實時語音、數(shù)據(jù)傳輸以及實時調(diào)度等,還可實現(xiàn)煤礦信息共享,遠程數(shù)據(jù)查詢等功能[3]。系統(tǒng)中井下基站為本質(zhì)安全型設計,井下設備全部采用光纜連接,不涉及任何電信號,安全可靠,不會有打火的危險。井下采集數(shù)據(jù)通過綜合接入控制設備連接至地面控制平臺,也可以連接PSTN或者移動網(wǎng)絡,實現(xiàn)信息的遠距離交互。TD-SCDMA煤炭專網(wǎng)的覆蓋,可同時解決煤礦井上、井下的通信調(diào)度問題,達到縱向調(diào)度靈活可靠,礦區(qū)內(nèi)外通信暢通無阻,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害和礦井事故發(fā)生時進行應急指揮通信,從而有效降低人員傷亡與財產(chǎn)損失。

圖1 系統(tǒng)總體設計圖

利用TD-SCDMA網(wǎng)絡高速的Internet接入,選擇采集終端設備與基站間采用TD無線網(wǎng)絡結(jié)合Internet的組網(wǎng)方案?;具B接Internet網(wǎng)絡,終端設備登錄TD-SCDMA網(wǎng)絡建立與基站之間的連接。TD-SCDMA無線應用的組網(wǎng)方式有多種,在實際應用中可以使用公網(wǎng)固定IP、動態(tài)域名解析、APN專線接入等方案[4]。

2 礦用采集終端的硬件設計

礦用數(shù)據(jù)采集終端由以下3部分組成:主處理單元、TD無線傳輸單元和傳感器接口單元,如2圖所示。

圖2 TD無線采集終端結(jié)構(gòu)框圖

2.1 TD無線傳輸單元LC6311(+)

聯(lián)芯科技的 LC6311(+)模塊,是一款 TDSCDMA&GSM(GPRS)雙模無線模塊,支持 TDSCDMA與GSM系統(tǒng)間跨網(wǎng)自動無縫切換,通過配置可以設置TD-SCDMA模式。在TD制式下,支持上下行非對稱數(shù)據(jù)傳輸能力,上下行數(shù)據(jù)傳輸速率可分別達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備的需求;采用2.9 mm裝配高度的超薄設計,使其可以方便應用于智能手機和各類數(shù)據(jù)卡中;內(nèi)部集成TCP/IP協(xié)議,可以方便連接Internet。

TD無線傳輸單元的主要功能:為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供無線傳輸通道,將采集的數(shù)據(jù)信息傳輸至地面控制平臺,接收地面控制中心發(fā)送的相關指令,轉(zhuǎn)發(fā)給主處理單元。

2.2 硬件接口設計

采集終端選擇MSP430F149作為主處理單元,MSP430系列單片機以超低功耗著稱,同時,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[5]。單片機與 TD模塊(LC6311(+))的硬件接口電路如圖3所示。

LC6311(+)提供兩個UART接口,UART1用作與主機的通訊口,其速率缺省為115.2 kbit·s-1,可以采用相關 AT指令動態(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[6]。

圖3 MSP430F149與LC6311(+)硬件連接

設計采用MSP430F149的UART1和LC6311(+)的UART1交叉相連,即MSP430的34腳UTXD1、35腳URXD1分別與 L C6311(+)的43腳 U ART1_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信號端加至少5 s的高電平信號,且在這期間RESET信號端保持高電平狀態(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。

井下傳感器可檢測礦井下各種物理信息,如壓力、氧氣濃度、瓦斯?jié)舛鹊?。傳感器接口單元支持的傳感器輸出類型包括模擬接口輸出和數(shù)字接口輸出。模擬接口支持標準的電壓輸出類型和電流輸出類型,通過隔離轉(zhuǎn)換電路,將模擬電壓(電流)信號轉(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,通過隔離電路連接至主處理單元。

另外,該終端設有蜂鳴報警電路和指示電路,使得在檢測到危險來臨時告知檢測人員做出反應。

3 軟件接口及控制原理

采集終端利用TD-SCDMA無線網(wǎng)絡和Internet實現(xiàn)終端與基站之間的通信。由TD無線模塊LC6311(+)實現(xiàn)鏈路層、傳輸層和網(wǎng)絡層的協(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)絡層采用IP協(xié)議。

3.1 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的選擇及其實現(xiàn)方式

數(shù)據(jù)采集終端通過無線網(wǎng)絡向基站傳輸數(shù)據(jù),第一步是登錄TD-SCDMA網(wǎng)絡,登錄網(wǎng)絡的過程屬于數(shù)據(jù)鏈路層。終端可以通過AT命令登錄到網(wǎng)關支持節(jié)點GGSN,當PPP協(xié)商成功并遠程成功登錄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)絡層IP,根據(jù)應用要求進行選擇。

UDP是一個簡單的面向數(shù)據(jù)報的傳輸層協(xié)議,提供不可靠性連接,它把應用程序交下來的報文,傳給IP層發(fā)送出去,但并不保證它們能到達目的地。其報文格式如圖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。數(shù)據(jù)發(fā)送必須經(jīng)過接收方確認,并且有超時重傳等保障機制,這是TCP傳輸有一定保障的原因[7]。

圖4 UDP報文格式

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)絡開銷的方式提供傳輸保障。TDSCDMA網(wǎng)絡按流量計費,因此數(shù)據(jù)傳送效率就顯得十分重要。當單包傳送的用戶數(shù)據(jù)量比較小時,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:單位時間內(nèi)數(shù)據(jù)流量小、通信頻率高、多點通信,而且視頻數(shù)據(jù)的傳輸要求高實時性,對差錯控制沒有太高要求。綜合以上考慮,并可滿足系統(tǒng)擴充方便和遠距離通信的需要,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通過串口1發(fā)送 AT指令控制LC6311(+)模塊[8]。數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒倘鐖D5所示。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸流程圖

MSP430通過AT指令控制LC6311(+)模塊[9],完成數(shù)據(jù)通信,一個完整的通信控制流程如下:

LC6311(+)模塊開機后MSP430首先收到“COM_READY^DEEI:0”響應,然后發(fā)送AT指令,連接TD-SCDMA網(wǎng)絡成功后,下一步是連接Internet,進入數(shù)據(jù)業(yè)務,具體流程如圖6所示。

圖6 終端與地面控制中心連接建立過程

上述過程完成后,獲取到TD-SCDMA網(wǎng)絡分配的IP地址,LC6311(+)進入數(shù)據(jù)狀態(tài),就可以發(fā)送數(shù)據(jù)信息,實現(xiàn)地面控制中心對井下狀況的實時監(jiān)控。

LC6311(+)和地面控制中心建立連接后,如果一段時間沒有數(shù)據(jù)傳輸則可能出現(xiàn)服務器端斷鏈的情況,無法繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。解決這個問題的常用方法是發(fā)送心跳包,按照預先設定的時間或按數(shù)據(jù)管理中心的指令每隔一段時間發(fā)送一次心跳包,保證地面控制中心在傳輸數(shù)據(jù)時實時在線。

4 結(jié)束語

設計的井下TD-SCDMA無線采集終端具有結(jié)構(gòu)簡單、易于維護、通信距離遠、質(zhì)量高等特點,免去了井下環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場布線帶來的各種問題,是對現(xiàn)有煤炭井下檢測系統(tǒng)的創(chuàng)新,也是新一代通信技術在工業(yè)環(huán)境下的應用。

[1]王瑋,郭成城,李松.無線Mesh網(wǎng)絡在礦井通信中的應用[J].計算機工程,2008,36(6):91-94.

[2]謝楷,趙建.MSP430系列單片機系統(tǒng)工程設計與實踐[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.

[3]趙莉,李睿,張謙.基于TD-SCDMA煤礦專網(wǎng)的語音調(diào)度系統(tǒng)設計[J].科技信息,2011(7):48-49.

[4]鞏浩,屈玉貴.基于短距無線通信與3G的無線集中抄表系統(tǒng)[J].計算機工程,2011,37(2):290-292.

[5]Texas Instruments.MSP430x1xx family user's guide[M].USA:Texas Instruments,2006.

[6]聯(lián)芯科技有限公司.LC6311硬件接口手冊[S].深圳:聯(lián)芯科技有限公司,2009.

[7]RICHARD S W.TCP/IP詳解[M].范建華,譯.北京:機械工業(yè)出版社,2000.

[8]聯(lián)芯科技有限公司.LC6311 AT command set user manual[S].深圳:聯(lián)芯科技有限公司,2009.

[9]GUO W N,DENG H.Design of interact remote control hanging keyboard for computer teaching [J].Control Automation,2005(3):1-17.

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