白振昊，杜爽

（山東師范大學(xué)，山東 濟(jì)南 250358）

0 引 言

煤炭是我國重要的化石能源和化工原料，為社會(huì)發(fā)展提供源源不斷的能源，在能源發(fā)展戰(zhàn)略中始終占據(jù)主導(dǎo)地位，對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展發(fā)揮著舉足輕重的作用?？梢哉f，煤炭資源的產(chǎn)量與我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展息息相關(guān)，因此構(gòu)建一個(gè)合理的無線通信系統(tǒng)對提高煤炭資源的產(chǎn)量、推動(dòng)井下作業(yè)的智能化發(fā)展具有十分重要的意義。

由于井下環(huán)境既惡劣又復(fù)雜，使得井下傳感器數(shù)據(jù)的傳輸非常困難。當(dāng)前煤炭工業(yè)的無線通信網(wǎng)絡(luò)多采用無線Mesh網(wǎng)絡(luò)，但每次收發(fā)數(shù)據(jù)都會(huì)有一定的延遲，多次收發(fā)數(shù)據(jù)之后延遲會(huì)大大增加，由于井下的特殊環(huán)境對實(shí)時(shí)性的要求比較高，所以Mesh網(wǎng)絡(luò)更適合井上作業(yè)，并不適用于井下作業(yè)。

每一種無線通信技術(shù)都有它的不足之處，所以僅使用某一種無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)很難解決井下信號全覆蓋的問題。2020年中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議確定，要大力發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)，加大新型基礎(chǔ)設(shè)施投資力度。這意味著“數(shù)字中國”迎來了新的發(fā)展機(jī)遇，融合組網(wǎng)技術(shù)在此情境下應(yīng)運(yùn)而生。融合組網(wǎng)為企業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型提供了可靠的基礎(chǔ)連接，克服了“單張網(wǎng)絡(luò)”的缺陷，將多個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢結(jié)合起來，以“一張網(wǎng)絡(luò)”的優(yōu)勢彌補(bǔ)“另一張網(wǎng)絡(luò)”的不足，滿足當(dāng)下及未來不同業(yè)務(wù)應(yīng)用場景的需求，能夠大幅度提高企業(yè)的生產(chǎn)與經(jīng)營效率。

1 技術(shù)概述

為解決上面提出的問題，也就是提高井下嚴(yán)苛環(huán)境中的作業(yè)效率，采用5G網(wǎng)絡(luò)與ZigBee融合組網(wǎng)技術(shù)，本文提出一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。下文分析使用所選技術(shù)的原因：

（1）相較于其他無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，ZigBee具有功耗小、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、待機(jī)時(shí)間長等特點(diǎn)，很適合惡劣環(huán)境下的長時(shí)間作業(yè)。采用ZigBee技術(shù)搭建傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過傳感器采集數(shù)據(jù)后，再由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控井下環(huán)境數(shù)據(jù)的功能。然而，由于ZigBee技術(shù)采用的是ISM頻段中的2.4G頻率，衍射能力弱，穿透能力差，抗干擾性差，覆蓋范圍小，且ZigBee的協(xié)議目前還沒有開源，通信距離較短，因此僅僅使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)來搭建井下無線傳感網(wǎng)絡(luò)困難重重。ZigBee的優(yōu)勢如圖1所示。

圖1 ZigBee技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

（2）相較于其他無線通信技術(shù)，5G的帶寬大、容量大、速度快，理論上的速度高達(dá)20 Gbps。5G技術(shù)是在4G技術(shù)基礎(chǔ)上的擴(kuò)展延伸，是無線通信技術(shù)的演進(jìn)。相較于其他無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，5G的優(yōu)勢在于有效提高了無線覆蓋性能，提高了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的利用率。但是隨著數(shù)據(jù)處理量的增大，5G網(wǎng)絡(luò)消耗的能源顯著提高，并且覆蓋同一個(gè)區(qū)域所需的5G基站數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過4G基站的數(shù)量，因此5G的建設(shè)成本比較高。5G通信技術(shù)的優(yōu)勢如圖2所示。

圖2 5G通信技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

（3）融合組網(wǎng)技術(shù)有利于減少基建的投入，大大精簡網(wǎng)絡(luò)管理架構(gòu)，降低通信系統(tǒng)開發(fā)和維護(hù)的成本，無線通信網(wǎng)絡(luò)的性能和質(zhì)量大幅提高，同時(shí)資源的利用和分配效率也得到進(jìn)一步的提高。本文結(jié)合運(yùn)用當(dāng)下流行的5G技術(shù)和成熟完善的ZigBee技術(shù)，ZigBee/5G融合組網(wǎng)技術(shù)彌補(bǔ)了ZigBee技術(shù)在傳播距離和傳播速度上的不足，ZigBee成本低廉也彌補(bǔ)了5G技術(shù)建設(shè)成本高昂的弊端。在此基礎(chǔ)上完成井下無線通信網(wǎng)絡(luò)的搭建工作，可以有效提高煤礦網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和實(shí)用性，融合組網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢如圖3所示。

圖3 融合組網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

2 系統(tǒng)架構(gòu)

針對井下惡劣的工作環(huán)境，本文設(shè)計(jì)一款基于5G網(wǎng)絡(luò)與ZigBee融合組網(wǎng)技術(shù)的煤礦智能化監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個(gè)軟硬協(xié)同設(shè)計(jì)的綜合監(jiān)測系統(tǒng)，下文將從硬件部分和軟件部分兩個(gè)方面展開介紹。

硬件部分是以ZigBee為核心的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，包含DS18B20溫度傳感器、QT-MQ-135有毒氣體傳感器、MPU6050加速度傳感器等部件。其主要功能是采集井下的溫濕度、有害氣體的濃度、井下施工人員的位置信息以及該區(qū)域的作業(yè)人數(shù)等數(shù)據(jù)。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的路由設(shè)備使用的是F8434工業(yè)級ZigBee路由器，F(xiàn)8434是3GWCDMZigbee路由器，也是一種物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)與3G（WCDMA）網(wǎng)絡(luò)的完美結(jié)合為用戶提供無線數(shù)據(jù)傳輸功能。終端設(shè)備以將ARM和RF進(jìn)行異構(gòu)的ZYNQ開發(fā)板作為核心部件，在這個(gè)終端設(shè)備上部署Linux操作系統(tǒng)，在上面運(yùn)行終端設(shè)備機(jī)的代碼，并配備6英寸的OLED屏，進(jìn)行圖形化界面的展示。

軟件部分則根據(jù)ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分成三個(gè)部分：協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備，如圖4所示。協(xié)調(diào)器設(shè)備使用的是由C#開發(fā)的WinForm窗體應(yīng)用，用于匯總和顯示每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；路由器節(jié)點(diǎn)設(shè)備則是固定在井下礦道里的路由器設(shè)備，負(fù)責(zé)將從終端設(shè)備中收集來的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器設(shè)備；終端設(shè)備則是每個(gè)礦工身上攜帶的便攜式通信模塊，上面集成了有毒氣體傳感器和陀螺儀等，每隔一段時(shí)間就會(huì)自動(dòng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，然后發(fā)送給與此終端設(shè)備距離最近的路由器節(jié)點(diǎn)設(shè)備，路由器接收到信息后將接收到的信息與所攜帶傳感器檢測到的信息進(jìn)行打包，發(fā)送給井上的協(xié)調(diào)器設(shè)備，由協(xié)調(diào)器設(shè)備進(jìn)行最終的數(shù)據(jù)分析和處理。

圖4 ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

PC監(jiān)控設(shè)備系統(tǒng)為Windows操作系統(tǒng)，需要安裝有.NET Framework 4.0，使用的軟件為C#開發(fā)的上位機(jī)軟件。目前實(shí)現(xiàn)的功能有：支持已進(jìn)入數(shù)據(jù)庫的用戶進(jìn)行登錄驗(yàn)證、按經(jīng)緯度查詢井下具體位置的環(huán)境信息、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)刷新環(huán)境信息。目前上位機(jī)軟件顯示的環(huán)境信息有：溫度、濕度、有害氣體（CO）濃度、該位置的作業(yè)人數(shù)。PC監(jiān)控設(shè)備軟件如圖5、圖6所示。

圖5 PC端信息監(jiān)控軟件登錄界面

圖6 PC端信息監(jiān)控軟件數(shù)據(jù)展示界面

為了降低建設(shè)成本，路由器設(shè)備也是使用ZigBee協(xié)議開發(fā)的，其在接收到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后發(fā)送給5G智能網(wǎng)關(guān)，5G智能網(wǎng)關(guān)再將所收集經(jīng)處理的數(shù)據(jù)通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送給井上的PC監(jiān)控設(shè)備。PC監(jiān)控設(shè)備中的特定專用軟件會(huì)將需要處理的所有數(shù)據(jù)顯示在可視化窗口中。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（即Zstack網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）體系結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 Zstack網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系

終端設(shè)備是由井下作業(yè)人員攜帶的低功耗便攜式設(shè)備，因此其規(guī)格設(shè)計(jì)為與移動(dòng)電話一樣，使用3.7 V、280 mAh的鋰電池供電。內(nèi)置芯片采用的是TI公司生產(chǎn)的低功耗芯片CC2530，型號為CC2530F256，使用的是增強(qiáng)型8051CPU、具有8 kΩ容量的RAM、具有256 kΩ的系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存?？梢允褂肐AR Embedded Workbench為其編寫運(yùn)行程序，程序的功能應(yīng)包含：初始化串口程序、初始化ADC模塊、初始化中斷和時(shí)鐘、初始化定時(shí)器，晶振頻率應(yīng)調(diào)整為外接32 M石英晶振。附錄中的案例程序使用的就是CC2530內(nèi)置溫度傳感器的測量溫度程序，并對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。

此外，為了豐富終端設(shè)備的可應(yīng)用性，本文將使用ARMv7和CC2530異構(gòu)來擴(kuò)展終端設(shè)備的功能，使用Xilinx公司推出的可擴(kuò)展處理平臺Zynq，配備6英寸的OLED屏，實(shí)現(xiàn)的功能有：實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前作業(yè)區(qū)域的溫濕度、CO濃度、當(dāng)前位置坐標(biāo)，以及任務(wù)查看、緊急通信、備忘錄等功能。為便于作業(yè)人員的攜帶，ZigBee模塊使用的是2.4 GHz貼片天線，定制了一個(gè)移動(dòng)電話一樣大小的外殼，將Zynq和ZigBee模塊以及總線、存儲(chǔ)單元、備用電源和傳感器放在里面，如圖8所示為終端設(shè)備的架構(gòu)圖，如圖9所示為Zynq驅(qū)動(dòng)OLED顯示的上位機(jī)界面。

圖8 井下作業(yè)人員移動(dòng)終端設(shè)備

圖9 Zynq上位機(jī)顯示功能界面

井下路由設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間以及終端設(shè)備與路由器設(shè)備之間的通信傳輸依靠5G網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，本文井下5G通信系統(tǒng)包括專網(wǎng)核心網(wǎng)、核心交換機(jī)、5G交換機(jī)、基站控制器、5G基站。系統(tǒng)采用的是分布式組網(wǎng)方式，專網(wǎng)核心網(wǎng)與核心交換機(jī)部署在井上，基站控制器則部署在井下，井上和井下通過光纖環(huán)網(wǎng)通信。通過查詢資料得知，5G基站無線覆蓋半徑為100 m，覆蓋范圍內(nèi)信號強(qiáng)度不低于-100 dB，所以合理配置5G基站對提高通信質(zhì)量、增大通信的覆蓋范圍、提高信號的傳輸速率、減少項(xiàng)目開發(fā)成本等大有裨益。

5G基站的硬件如圖10所示，使用127 V的交流電源通過變壓器對5G基站模塊進(jìn)行供電?；灸K通過兩個(gè)射頻端口分別連接外置的兩條定向天線，可以實(shí)現(xiàn)井下多并發(fā)、高容量、高速率和低時(shí)延的無線通信，為井下安全穩(wěn)定的作業(yè)提供通信保障。

圖10 5G基站硬件組成

總體來說，井下作業(yè)人員攜帶的便攜式終端設(shè)備，其內(nèi)核是使用ARM和RF內(nèi)核異構(gòu)而成，實(shí)現(xiàn)井下環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并且通過在ZYNQ上搭建的Linux操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，包含井下地形、任務(wù)詳情、位置上傳等多項(xiàng)功能。終端設(shè)備會(huì)在一定時(shí)間后上傳數(shù)據(jù)，上傳數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔可以設(shè)置，數(shù)據(jù)先由終端設(shè)備上傳到路由設(shè)備，路由設(shè)備會(huì)將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總并且做出適當(dāng)?shù)奶幚恚缈梢詫ν粎^(qū)域收到的多項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理等操作，再與自身傳感器所攜帶的環(huán)境信息數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，將最終的數(shù)據(jù)包通過5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給井上的協(xié)調(diào)器設(shè)備，再由協(xié)調(diào)器設(shè)備分析數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)展示在井上的PC機(jī)上。綜上所述，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框架如圖11所示。

圖11 融合組網(wǎng)通信系統(tǒng)架構(gòu)

3 結(jié) 論

本文采用5G網(wǎng)絡(luò)與ZigBee融合組網(wǎng)技術(shù)為井下作業(yè)人員設(shè)計(jì)一套無線傳感網(wǎng)絡(luò)和無線通信網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合利用5G通信網(wǎng)的高速率、低時(shí)延以及ZigBee技術(shù)的低成本、低功耗、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)，非常適合在環(huán)境惡劣的井下場景中使用。5G網(wǎng)絡(luò)與ZigBee融合組網(wǎng)技術(shù)使得井下通信系統(tǒng)在信號強(qiáng)度、傳輸速率、通信質(zhì)量等方面大有改善，為我國煤炭產(chǎn)業(yè)數(shù)字化的順利發(fā)展保駕護(hù)航。