基于ZigBee与CAN总线技术的井下无线通信系统设计

摘要：针对矿山井下的特殊环境和对井下无线通信系统的实际需求，提出了基于ZigBee和CAN总线技术的无线通信系统，通信基站和终端之间应用ZigBee技术，系统总线采用CAN总线。介绍了井下无线通信系统系统的组成和工作原理，给出了总体结构图，对硬件的功能模块进行了较详细的阐述，系统的创新点是把ZigBee和CAN总线技术应用到井下无线通信系统。系统在功能和性能方面满足了矿山井下无线通信系统的需求，实际证明该系统具有良好的可靠性和抗干扰性性，能较好的进行井下无线通信。
关键词：无线通信；矿山；ZigBee；CAN

0 引言
    该系统是基于CAN和ZigBee技术的井下无线通信系统。主要作用是使矿山井下作业人员能较方便的进行双向无线通信，并辅助实时人员跟踪，便于企业合理的调度和管理，特别是矿难发生时，在原有线通信系统损害的情况下，对救援受困人员起很大的作用。
    ZigBee是一种新兴的基于IEEE 802．15．4短距离，低功耗的无线通信技术，主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入到各种设备中，ZigBee技术可以用很少的能量在数千个微小的节点之间相互协调实现通信，以接力的方式通过无线电波数据从一个网络节点传到另一个节点，通信效率非常高。
    CAN(Controller Area Network，CAN)是ISO国际标准化的串行通信协议，由1986年德国Bosch公司开发的，CAN总线已成为嵌入式工业控制局域网的标准总线，广泛的应用于工业自动化、医疗设备、汽车等方面。

1 系统基本组成与工作原理
1．1 系统组成
    结合煤矿应用的特殊情况，煤矿井下无线通信系统系统结构如图1所示，由井上的上位机、通信接口及井下的CAN总线、ZigBee通信基站和ZigBee通信终端5部分组成，如图1所示。

1．1．1 Can总线硬件组成
    CAN总线使用两端连接120 Ω终端电阻双绞线通过通信接口连接到上位机，并与井下的各个ZigBee通信基站连接。当距离大于10 km时，在合适位置增加CANbridge网桥，改变网络的拓扑结构，增加连接设备的能力。
1．1．2 ZigBee通信基站组成
    通信基站分CAN节点、微控制器、ZigBee节点3个部分，如图2所示。

    其中CAN节点由CAN控制器、CAN驱动器、光电隔离模块3部分组成，CAN控制器模块选用TM320F2812，其中集成了CAN控制器，提供了完整的CAN协议。收发控制器采用PHZLZPS公司生产的PCA62C250。使用6N137光电耦合器使PCA62C250与TMS320F2812隔离，实现各CAN节点接的电气隔离。
    ZigBee可在868 MHz，915 MHz和2．4 GHz 3个频段上进行。由于煤矿巷道的特殊结构和材料组成，不同频率无线波在巷道中的衰减、受干扰程度不同，总体上频段越高，衰减、受干扰的越小，所以选择使用2．4GHz的频段，采用Chipcon公司的CC2420，CC2420是IEEE802.15.4标准的低功耗单片集成度高的芯片。工作在2．4 GHz免费频带上。
1．1．3 移动通信终端组成
   如图3所示，ZigBee通信模块选择CC2420，语音处理模块负责上下行语音的数模转换，液晶屏与键盘负责人机交互，麦克负责语音的收集，喇叭负责语音的播放，电源可用充电电池。

1．2 工作原理
    系统共有4个关键步骤，如图4所示。
    (1)ZigBee移动终端由工作人员带入巷道，包含该终端地址和数据的数据包以射频信号与ZigBee通信基站握手。
    (2)ZigBee基站接收到射频信号经处理后得到该数据包的地址和数据信息，以及天线信号参数，转发给CAN总线。
    (3)CAN总线对经MCU处理过的ZigBee基站解析的数据发送到上位机，该数据包包含移动ZigBee终端的ID号、数据及天线信号参数。
    (4)上位机软件解析CAN数据包发送的数据，如没有呼叫则登记并管理该ZigBee通信终端的位置、电量、信号等参数。如该ZigBee终端呼叫其他终端则后台软件进行路由判断，并与被呼叫终端建立路由，路由建立后进行语音数据传输，完成语音通信。
1．3 上位机软件
    上位机软件采用．NET平台开发，数据库采用SQL2008，整个软件模块如图5所示。

2 结语
    相对于现煤矿已应用的井下无线通信系统，小灵通和WIFI技术，本文提供了一种较新的技术实现方式。ZigBee具有低成本、数据传输可靠、低功耗、节点通信设置易于配置、安全及技术相对成熟的特点。经验证，该系统更好的满足了井下无线通信的功能。