樊明園 童紫原 唐守鋒

摘 要：為解決煤礦發(fā)生瓦斯爆炸后，救護隊員進入巷道后發(fā)生二次爆炸事故造成人員傷亡問題，運用基于VoWPAN的藍(lán)牙多跳通信技術(shù)，從礦井巷道無線電傳輸特性、藍(lán)牙通信系統(tǒng)構(gòu)建和搭載在飛行器上的藍(lán)牙多跳通信系統(tǒng)3個方面，分析將藍(lán)牙多跳通信系統(tǒng)應(yīng)用在飛行器上進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行?。前面的偵測飛行器負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，中間飛行器上的藍(lán)牙起中繼系統(tǒng)作用，理論研究表明該通信系統(tǒng)對井下偵測飛行器救援有很好的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：無線電;藍(lán)牙多跳通信;VoWPAN;偵測飛行器

DOI：10.11907/rjdk.181651

中圖分類號：TP319文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1672-7800（2019）001-0136-04

Abstract：In order to solve the problem of secondary accidents caused by ambulance members entering the roadway after the gas explosion occurred in the coal mine， which probably causes casualties， we use the VoWPAN-based Bluetooth multi-hop communication technology to analyse the feasibility of using the Bluetooth multi-hop communication system for data transmission on the aircraft from 3 aspects：the transmission characteristics of the radio from the mine roadway， the construction of the Bluetooth communication system and the three-way Bluetooth multi-hop communication system equipped on the aircraft. The front detection aircraft is responsible for collecting data， and the Bluetooth on the middle of the aircraft acts as a relay system. Theoretical research shows that this communication system has a good guiding effect on downhole detection aircraft rescue.

0 引言

藍(lán)牙通信技術(shù)作為現(xiàn)代廣泛使用的近距離無線通信技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于日常生活中，但大多數(shù)情況下應(yīng)用在地面等較開闊的場景下。文獻[1]介紹了礦井下幾種無線通信的可能性，為礦井無線通信研究打下了基礎(chǔ)。文獻[2]給出了一種油田藍(lán)牙無線語音通信系統(tǒng)，為復(fù)雜環(huán)境下無線通信提供了一種行之有效的解決方案。文獻[3]提出一種基于VoWPAN的新型藍(lán)牙多跳語音通信系統(tǒng)，較好地解決了任意兩者之間語音通信問題。目前，礦井下通信大多采用ZigBee或WiFi通信，信息傳遞也都采用電纜等有線方式，增加了通信難度，特別是礦井發(fā)生災(zāi)害后，電纜有可能被破壞，影響井下的實時救援。因此，本文采用藍(lán)牙搭載在飛行器上的方式進行無線通信。煤礦在生產(chǎn)過程中，容易發(fā)生瓦斯爆炸等事故，二次瓦斯爆炸會造成救護隊員傷亡，為了避免這種情況，需進入礦井巷道采集礦井瓦斯?jié)舛鹊刃畔?，為此研發(fā)了災(zāi)后礦井環(huán)境偵測飛行器。采集的信息通過無線傳輸方法傳到救護隊員攜帶的終端，以判斷前方巷道的危險程度，為救援工作提供重要信息。

1 井下巷道無線電傳輸特性

煤礦井下環(huán)境惡劣，巷道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多徑效應(yīng)十分明顯，電磁波損耗非常大。相對于地面，井下干擾較強，礦井地質(zhì)環(huán)境對通信頻率有較大影響，因此在井下進行無線通信比地面要復(fù)雜很多。有時為了延長通信距離，需依靠巷道中的導(dǎo)體誘導(dǎo)技術(shù)進行遠(yuǎn)距離傳播。

煤礦井下無線電傳播方式分為波導(dǎo)模式和單線模式，在礦井巷道沒有金屬導(dǎo)體情況下，對電磁波的影響為帶阻型，如圖1所示[4]。

由圖1可知，在低頻階段，衰減隨頻率的增大而增大;在中頻階段，衰減達(dá)到最大值，此時的頻率最不利于傳輸;在高頻階段，衰減隨著頻率的增加反而減小[5-6]。

由于礦井巷道結(jié)構(gòu)比較特殊，電磁波的傳輸遵循帳篷定律，所以礦井下面的多徑效應(yīng)十分明顯，信號的時延性也較大。時延主要是通過碼間干擾影響井下無線通信，有時為了保證礦井通信質(zhì)量，降低通信速率有效可行。礦井下無線電頻率的選擇既要考慮巷道結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)特性，又要考慮礦井下一些物品對電磁波吸收和反射的特性。當(dāng)電磁干擾比較大時，可采用一些簡單方法，如重復(fù)發(fā)送、交織發(fā)送和糾錯編碼[7]。

根據(jù)波導(dǎo)理論，在礦井巷道半封閉空間里，煤的電解質(zhì)特性使得頻率在較高的情況下類似于導(dǎo)體。因為波導(dǎo)是一個高通濾波器，所以頻率較高的無線電信號可以在類似于波導(dǎo)的礦井里較為有效地傳播。根據(jù)光學(xué)射線理論，無線電的波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于礦井空間限定的幾何尺寸，所以無線電的傳播可以看成是光在限定空間里直射、反射、繞射的綜合結(jié)果[8]。

2 藍(lán)牙通信系統(tǒng)設(shè)計

礦井移動通信是礦井現(xiàn)代化作業(yè)的重要組成部分，可將井下人員有效組織起來，減少事故發(fā)生概率，對于保證礦井正常運行和井下人員安全有著重要意義。

2.1 藍(lán)牙技術(shù)特點

藍(lán)牙是一個開放的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，和其它無線通信技術(shù)相比，具有低功耗、低成本、抗干擾能力強和支持?jǐn)?shù)據(jù)語音混合傳輸?shù)忍攸c。藍(lán)牙技術(shù)可方便快捷地和其它藍(lán)牙模塊建立鏈接，而且藍(lán)牙的移植性特別強。

跳頻技術(shù)是藍(lán)牙的關(guān)鍵技術(shù)之一。所謂跳頻，就是把頻帶分解成若干個跳頻信道，然后在通信過程中，無線電收發(fā)器按照一定的碼序列發(fā)射和接收，雙方不停地從一個信道跳轉(zhuǎn)到另一個信道，因此其它信號無法進行干擾。藍(lán)牙采用跳頻和短分組技術(shù)，這樣可減少同頻干擾，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。藍(lán)牙采用前向糾錯編碼技術(shù)，降低了信息遠(yuǎn)距離傳輸時隨機噪聲的影響[9]。當(dāng)采用低功率發(fā)送數(shù)據(jù)時，只適合在10m范圍內(nèi)通信，在功率增加的情況下，傳輸距離可達(dá)到100m。因此，藍(lán)牙這種短距離傳輸特性適合礦井巷道通信[10-11]。

2.2 藍(lán)牙通信系統(tǒng)構(gòu)建

藍(lán)牙通信系統(tǒng)采用一種新型的微微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，主機以線形形狀組合，主機和分機之間采用微微網(wǎng)方式進行拓?fù)?。微微網(wǎng)結(jié)構(gòu)有一個很大的優(yōu)點是能使通信沿直線的方向傳輸，進而增加信息傳輸?shù)木嚯x，非常有利于井下通信。微微網(wǎng)由主機和分機兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成，完全滿足礦井這種特殊環(huán)境對通信的要求。

在通信過程中，主機的任務(wù)是對信息進行定時，控制分機接入，主機用輪詢方法為分機分配無線通道。主機分配信息后，分機接收信息獲得同步，并對井下人員聲音進行采集編碼，然后主機再接收分機信息進行傳輸。系統(tǒng)控制部分一般在地面，負(fù)責(zé)整個藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的運行、主機之間的切換及控制信息的收發(fā)[12]。

2.3 藍(lán)牙硬件組成

藍(lán)牙硬件部分包括控制單元、藍(lán)牙組件、信息編解碼模塊以及連接電路。

有時為了減輕控制主單元壓力，選擇硬件模塊完成采集信息和編解碼工作。由于井下噪聲干擾較嚴(yán)重，所以選擇抗干擾性強的CVSD編碼芯片處理信號的基帶。藍(lán)牙組件通常包括語音編碼器、藍(lán)牙模塊和天線，外加一些輔助電路。數(shù)據(jù)傳送功能需要將信號調(diào)制2.45GHz才能通過天線接收。藍(lán)牙模塊的初始化通過控制單元完成，并通過與主機之間建立通信完成語音信號的收發(fā)。

通常由帶射頻功能的基帶控制芯片加上天線和外圍拓展電路構(gòu)成藍(lán)牙組件模塊。藍(lán)牙摸塊可同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)和語音傳輸，并將功能提高至主機控制接口。主控制單元和藍(lán)牙模塊之間可通過串口（UART）進行數(shù)據(jù)傳輸，傳送速率可達(dá)到460kbit/s。

2.4 軟件設(shè)計

主控制單元和軟件之間通過HCI（主機控制接口）收發(fā)分組包進行數(shù)據(jù)傳輸?？刂茊卧蛩{(lán)牙模塊發(fā)送HCI后，藍(lán)牙模塊進行接收。藍(lán)牙模塊里的上層協(xié)議對藍(lán)牙芯片進行初始化、編輯鏈路管理、建立鏈路、拆除鏈路和將數(shù)據(jù)打包和分包。藍(lán)牙還要接收模塊反饋的HCI事件，根據(jù)事件包的命令進行相應(yīng)處理。根據(jù)藍(lán)牙協(xié)議的通信方法，數(shù)據(jù)分組格式采用同步面向鏈路（64kbit/s）[14]。

雖然藍(lán)牙通信距離短，但其完善的協(xié)議棧和適合于限定空間使用的特點使其在礦井通信中應(yīng)用前景良好。

3 基于VoWPAN的藍(lán)牙多跳通信系統(tǒng)

礦井巷道對無線信號有衰減，無線通信距離有限，為解決這個問題，通信方式采用藍(lán)牙多跳通信系統(tǒng)。研發(fā)的環(huán)境偵測飛行器采用多個編隊進入礦井，排在最前方的飛行器負(fù)責(zé)采集礦井環(huán)境信息，通過無線方式向緊跟后面一定距離的飛行器傳輸信息。后面的飛行器擔(dān)當(dāng)中繼通信任務(wù)，將信號繼續(xù)向后面的飛行器傳輸，通過多個飛行器的中繼通信，最終將信號傳輸至救護隊員攜帶的信號接收終端。

3.1 VoWPAN概述

WPAN是一種短距離無線接入網(wǎng)絡(luò)，它是一種最靠近使用者的信息傳遞方式。WPAN對網(wǎng)絡(luò)的要求比較高，硬件設(shè)備必須要有鏈接無線的能力，對個人手持設(shè)備的信息傳輸速率要求很高。VoWPAN是一種無線多跳通信系統(tǒng)，建立在WPAN系統(tǒng)之上，在一些固定場合應(yīng)用前景良好[15]。

礦井發(fā)生災(zāi)害后的環(huán)境復(fù)雜，本文采用基于VoWPAN的藍(lán)牙多跳通信系統(tǒng)搭載在飛行器上，以期解決井下特殊環(huán)境傳遞信息問題。

3.2 系統(tǒng)構(gòu)成與運行

本藍(lán)牙多跳通信系統(tǒng)由網(wǎng)關(guān)和中繼器等設(shè)備組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

每個飛行器都搭載藍(lán)牙模塊，最前端的飛行器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和處理，中間的飛行器負(fù)責(zé)中繼信號，把信息傳送到地面指揮中心。藍(lán)牙多跳通信系統(tǒng)具有信號傳輸質(zhì)量好、抗干擾能力強的優(yōu)點，數(shù)據(jù)采用點到點通信方式。增加中繼器擴大了系統(tǒng)信號傳輸?shù)挠行Ь嚯x，有利于數(shù)據(jù)傳輸。

式中，[Pr]表示接收功率，[Pt]表示發(fā)射功率，[Gt]和[Gr]分別表示發(fā)射及接收天線的增益，[λ]表示波長，[R]表示一個飛行器到下一個鄰近飛行器之間的距離。[Pt]是已知量，[Pr]可由讀取與這個飛行器連接的藍(lán)牙設(shè)備接收信號的強度RSSI獲得，剩下的參數(shù)都可通過計算得到。

由式（1）可計算出搭載藍(lán)牙設(shè)備的飛行器到另一個搭載中繼器的飛行器之間的距離，根據(jù)計算出的距離信息和信號強度（RSSI）形成路由表，用于藍(lán)牙設(shè)備選擇中繼器跳轉(zhuǎn)的路徑。由于飛行器在飛行過程中相對距離可能會變化，所以路由表間隔一段時間就要更新。

中繼器是實現(xiàn)多跳通信的核心，所以設(shè)置專門的中繼器有利于管理和通信。中繼器系統(tǒng)框架如圖4所示。

控制模塊是中繼器的核心單元，主要負(fù)責(zé)運行系統(tǒng)和監(jiān)督系統(tǒng)工作狀態(tài)。矩陣開關(guān)采用MT8816芯片，可根據(jù)軟件指令控制通信的中斷和打開。

藍(lán)牙模塊由PCM編解碼器、射頻電路和藍(lán)牙基帶等組成?？刂贫送ㄟ^串口和中心控制單元連接，矩陣開關(guān)和PCM信號互連。藍(lán)牙模塊通過接收到的指令控制與它最近的飛行器上的藍(lán)牙模塊。與此同時，藍(lán)牙芯片內(nèi)的處理器負(fù)責(zé)檢驗接入的藍(lán)牙是否為注冊過的，未注冊設(shè)備不允許接入。在藍(lán)牙系統(tǒng)中，選用Delta公司的dfbm-cf121藍(lán)牙芯片，把采集到的信息編碼成13bit的線性PCM信號進行傳輸。

搭載在中間飛行器上的中繼器（藍(lán)牙設(shè)備）負(fù)責(zé)完成中繼路由選擇、藍(lán)牙協(xié)議棧等功能，分為控制端和應(yīng)用端兩部分?？刂贫素?fù)責(zé)維護系統(tǒng)安全，通過中繼器實現(xiàn)與其它藍(lán)牙的信息交互，中繼器設(shè)計流程如圖5所示。最前端飛行器采集到信號后，藍(lán)牙模塊（接收端）接收轉(zhuǎn)接命令，把信息傳輸給下一個最近的中繼器，接著進行信息傳遞。路由表包含信號強度、距離、目標(biāo)設(shè)備權(quán)重等重要信息，需及時動態(tài)更新。其中距離表示本中繼器到下一跳可選擇中繼器之間的距離，信號強度由搭載在該飛行器上的藍(lán)牙設(shè)備接收信號強度指示獲得。中繼器跳轉(zhuǎn)鏈接失敗則返回初始值重新連接，直到跳轉(zhuǎn)成功為止[17]。

藍(lán)牙是雙向信號傳輸，采用時分雙工傳輸方案實現(xiàn)全雙工傳輸。藍(lán)牙多跳技術(shù)能在數(shù)據(jù)跳頻通信過程中自適應(yīng)選擇最好的跳頻頻率，實時去掉周圍的干擾頻率，獲得數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和效率。

飛行器按順序線形進入礦井，相鄰飛行器上的藍(lán)牙建立ACL（訪問控制列表），連接時間[Ti，i+1]主要取決于礦井巷道環(huán)境和兩個飛行器之間的距離。在礦井巷道環(huán)境相同和藍(lán)牙發(fā)射功率相同的情況下，接收功率函數(shù)可近似概括為距離函數(shù)。取[Rs]=50m的基準(zhǔn)距離，此時飛行器藍(lán)牙端建立連接的時間[Ts]=0.7s。

由于礦井環(huán)境特殊，一般不會有過多頻率干擾，而且藍(lán)牙采用跳頻傳輸方式，抗干擾能力強，完全能夠?qū)崿F(xiàn)井下采集數(shù)據(jù)的傳輸功能[19-20]。

4 結(jié)語

基于VoWPAN的藍(lán)牙多跳通信系統(tǒng)實現(xiàn)了飛行器藍(lán)牙之間的點對點通信。本文藍(lán)牙多跳通信系統(tǒng)充分利用VoWPAN技術(shù)，系統(tǒng)功耗低、抗干擾性強。礦井發(fā)生災(zāi)害后，在電磁干擾、礦井空氣環(huán)境惡劣等情況下仍具有良好的通信功能。使用一跳中繼器可靠通信距離可提高到400m左右，完全滿足礦井救援機器人的工作需求。該系統(tǒng)應(yīng)用在礦井環(huán)境偵測飛行器上，不僅提高了礦井救援效率，還保證了救援人員安全，在井下救援方面有很好的應(yīng)用前景。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）