数据通信2010.2
技术交流
Technology Discussion
摘要：提出了一套结合有线与无线技术的完整通信解决方案，可用于各类井下人员定位系统。关键词：人员定位系统；通信解决方案；矿井 煤矿井下人员定位系统通信解决方案
*
高峰高泽华文柳欧阳红升徐大雄（北京邮电大学北京100086）
井下人员定位系统提高了煤矿安全生产和现代化管理水平，在灾害辅助救援时发挥重要作用。为了保证
井下定位采集到的定位信息能够及时传递到井上，以及井上的控制信号及时通过定位传递给井下单位，建立低成本，可靠，高效的井下通信系统以完成井下信息的双向传递任务。 1组网及传输方式
井下人员定位系统由软件系统和硬件系统组成，其中软件系统包括应用软件和嵌入式软件两部
分组成。硬件系统由控制管理中心CM C (Control Management Center)、井下定位UPS （Under 蛳ground Positioning Station ）、井下控制UCS （Un 蛳derground Control Station ）、无线通信WCS （Wire 蛳less Communication Station ）、定位信标节点BN （Bea 蛳con node ）组成。
整个系统采用有线与无线相结合的组网方式来解决井下信息传输问题。在整个井下，从井口到巷道深处都已安装好有线通信线路。UCS 收集到定位信息，通过有线通信传输到地面CMC 。而在采掘面附近的近百米巷道附近，由于巷道还在随着采掘不断延伸，实时部署有线通信系统既不方便，也不经济，故采用无线传输的方式解决传输问题，以保证系统对整个巷道的覆盖。一段时间后再用有线通信线路替代无线传输网络。同时这些无线传输设备可以被再次利用。依次替换，可保证系统随着采掘进行对整个巷道实现完全覆盖。 井下UPS 实时检测BN 信息，然后将收集到的信
息通过无线方式传递到其注册的UCS 处。井下一个
UCS 负责收集其附近数个已注册UPS 信息的收集，如图1所示。
框内为一个LA （Local Area ），即局部区域，由一个UCS 和n （n 约为7个）个UPS 组成。UCS 通过特定接口连接到井下已铺设的有线通信线路上，实现信息传递。1.1BN 、UPS 、UCS 无线通信MAC 协议
BN 、UPS 、UCS 上都安装有工作于433MHz 频点的射频收发模块。用于彼此之间信息传递。系统支持BN 与UCS 、UPS 与UCS 之间的双工通信。但BN 与UPS 之间不能直接通信联系，
UCS 为这个局部网络中的总控制器。为了应对特殊需求，制定了适用于这种井下特殊系统的通信协议，主要包括物理层（PHY ）和媒体访问子层（M AC ）。M AC 子层的任务是使用物理层提
供的服务，实现设备（BN 、UPS 、UCS ）间的数据帧传输。MAC 子层主要功能包括4个方面：
UPS 、BN 根据协调器的信标帧与协调器同步；支持关联和取消关联操作；使用CSM A-CA 机制
访问信道；支持时隙保障GTS （guaranteed time slot ）机制。其中：关联操作是指BN 在加入一个特定UCS 网络时， 向其注册的过程。BN 在巷道中不断移动，会从一
收稿日期：2010-01-20
*基金项目：国家自然科学基金资助项目（60602005）；IBM 中国研究院联合研究项目（JLP200806014-1）
图1LA 示意图
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个UCS控制区切换到另一个UCS控制区，这就需要进行关联和取消关联操作。时隙保障机制和时分复用机制相似，但可以动态地为有收发请求的BN、UPS分配时隙。
超帧：以超帧为周期组织UCS网络内实体间的通信。每个超帧都以UCS发出的信标帧为始，在这个信标帧中包含了超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息。超帧将通信期间分为3个阶段：信标帧发送时段、竞争访问时段和非竞争访问时段。在超帧的竞争访问时段，BN、UPS使用带时隙的CSM A-CA 访问机制，并且任何通信都必须在竞争访问时段结束前完成。在非竞争访问时段，UCS根据上一超帧期间网络中设备申请GTS的情况，将非竞争时段划分为若干个GTS。每个GTS由若干个时隙组成，时隙数目在设备申请GTS时指定。如果申请成功，申请设备就拥有了它指定的时隙数目。
数据传输模型：网络中的UCS、UPS、BN等设备组成以UCS为核心的星型网。因而存在两种数据传输方式：数据从UCS发送给其他设备、数据从其他设备发送给UCS。UCS首先广播信标帧，信标帧表示超帧的开始。设备之间通信使用基于时隙的CSMA-CA信道访问机制，所有设备都通过UCS发送的信标帧进行同步。在时隙CSM A-CA机制下，每当设备需要发送数据帧或命令帧时，它首先定位下一个时隙的边界，然后等待随机数目个时隙。等待完毕后，设备开始检测信道状态：若信道空闲，设备在下一个可用时隙边界开始发送数据；若信道忙，设备需要重新等待随机数量时隙，再检查信道状态，重复此过程直到有空闲信道出现。在这种机制下，确认帧的发送不需要使用CSM A-CA机制，而是紧跟着接收帧发送回源设备。
u型光电传感器BN和UCS之间的通信：每个BN周期性（这个时间间隔通过CM C具体设定，以控制命令的形式通过UCS发送给BN）向其关联的UCS发送定位请求。对于任意一个BN来说，当定时器到时，它准备向其
关联的UCS发送定位请求。BN首先定位于竞争访问时段中一个时隙的边界，然后等待随机数量时隙。等待完毕后，开始检测信道状态：若信道空闲，则在下一个可用时隙边界开始发送数据；若信道忙，重新等待随机数目个时隙，再检查信道状态，重复这个过程直到有空闲信道出现。
发送数据时，发送一个包括矿工编号和发射时
间等信息的请求帧；UCS收到后判断，在特定时段发
送一个广播公告(包括矿工编号)，允许BN发送超声
波并通知UPS启动计时器，若媒体忙碌则把BN卡号
存储下来，按照BN的请求信号到达先后排队，等待媒
体空闲后再发广播公告。BN收到允许信号即刻开始
发送超声波。
UPS和UCS之间的通信：UCS发送一个包括矿
工编号的广播公告，UPS收到这一公告后启动计时器（由于无线电传输速率极高，可以近似认为UPS
和BN
同时收到公告，即计时器启动同时BN发送超声波），收到BN发送的超声波时停止计时器，得到定位信息。随后将此信息发送到UCS，此时可以采用竞争发送与
预约发送两种方式。竞争发送：首先定位于竞争访问
时段中一个时隙的边界，然后等待随机数目个时隙。等待完毕后，开始检测信道状态：若信道空闲，在下
一个可用时隙边界开始发送数据；若信道忙，重新等
井水空调待随机数目的时隙，再检查信道状态，重复这个过程
直到有空闲信道出现。预约发送：首先向UCS申请GTS时段，当申请成功后。在其拥有的时隙内将数据
发送给UCS。
1.2UCS与CMC之间的通信
蜂鸣器封装
有线方式：控制器局域网CAN（Controller Area Network）是国际上应用最广泛的现场总线之一。由德
国Bosch公司80年代初推出，现已应用于汽车行业、机械工业、医疗器械、家用电器及传感器等领域。CAN已经形成国际标准，并已被公认为几种最有前
途的现场总线之一。CAN为多主方式工作，网络上任
一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发
送信息，而不分主从；CAN采用非破坏总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息出现冲突时，优
先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级节
点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省总线
冲突仲裁时间；CAN最高通信速率可达1Mbit/s/40m，最远可达5Kbit/s/l0km；CAN的信号传输采用短帧结
构(每帧的有效字节数为8个)，受干扰的概率低；当节
点严重错误时，具有自动关闭输出的功能，以使总线
上其他节点的操作不受影响；CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，具有极好的检错效果；CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择
灵活。
M otorola、Intel、Philips均生产独立的CAN芯片和
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带有CAN 接口的80C51芯片。系统的设计最终采用CAN 总线，应用CAN 总线设计的优势有：有开发CAN 总线的经验，技术容易掌握，能充分利用现有的单片机开发工具，能缩短开发时间；应用CAN 总线设计可
以满足系统的设计指标；从设备、资金的投入来看，CAN 总线结构简单，器件容易购置，更经济可行。无线方式：在采掘面附近，现场总线尚未部署之前，使用无线接力系统传输数据。每隔一段距离设置一个接力通信（WCS ），每一个WCS 都将从下游WCS 接收到的数据与自身采集到的数据一起通过无线方式传送到上游WCS 。每个接力站点执行同样功能，数据被接力传送，直到距离最近现场总线处进行汇聚，通过现场总线传输至CMC 。
图2所示无线网络采用线性拓扑结构，每隔一定
手套制作距离安放一个接力站点（WCS ），此接力站点既充当信息采集节点又充当路由节点。它可以将附近的UCS 收集到的信息通过特定接口收集起来，并把此数据与下游节点传来的数据一起通过无线方式传给上游
节点。接力站点间通过无线传输方式构成串行网络，
每两个站点间使用不同频率传输（交替使用f1,f2频点），避免同频干扰。接力终点接入现场总线。
2结束语
井下人员定位系统可以提高煤矿安全生产和现
代化管理水平，在灾害救援时发挥重要作用，迎合了整个煤矿行业安全生产和稳定发展的迫切需要。本
文提出的基于有线与无线技术结合的井下人员定位系统通信解决方案，为井下人员定位系统的通信提供了低成本、高可靠性的解决方案。参考文献
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and Physical Layer (PHY)specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs)
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人脸识别智能门禁
[6]柯建华
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位系统研究[J].现代电子技术2006,23
作者简介：高峰，北京邮电大学博士研究生，主要研究方向为
传感器网络与移动通信。■
可降解塑料检测图2无线接力方式
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西门子企业通信集团发布OpenScape 语音V4
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