煤矿井下TD无线数据采集终端的设计

摘要 针对煤矿系统的通信现状，提出利用TD-SCDMA技术构建井下无线网络的方案。通过对井下模拟巷道通信的实验研究，表明基于TD网络通信的可靠性，在此基础上设计并实现了基于TD-SCDMA技术的矿井无线数据采集终端。该终端选用TD终端模块LC6311(+)作为通信平台，给出其和单片机的接口通信电路，实现采集数据的快速、远距离传输，适合煤矿井下检测系统。
关键词 TD终端；串口通信；AT指令；LC6311(+)

    我国煤炭主要依靠井下开采，而且高瓦斯矿井多，瓦斯泄漏、透水事故多发。因此，快速、准确地监测井下瓦斯浓度、矿井压力等信息，并把这些物理信息控制在安全范围内，是避免矿井事故的有效手段。随着无线通信技术的发展及其成熟运用，应国家对煤炭产业安全化、信息化的要求，无线通信技术在矿井中得到广泛运用。为对井下环境、人员健康和安全状况等大量信息进行监测并及时报警，文中设计了一种适合煤矿井下无线通信网络的信息采集系统，可以手持或挂于巷壁。该系统硬件采用联芯科技的TD终端LC6311(+)作为无线传输平台，以低功耗著称的MSP430单片机作为主控单元，给出了系统的软硬件设计方案，外部接口丰富，配置简单，可以很好地与外部传感器或传输模块互连。

1 系统架构
    系统整体结构如图1所示，该煤炭专用网络集成了公网通信的主体功能，相当于小型化TD-SCDMA无线通信系统，支持实时语音、数据传输以及实时调度等，还可实现煤矿信息共享，远程数据查询等功能。系统中井下基站为本质安全型设计，井下设备全部采用光缆连接，不涉及任何电信号-安全可靠，不会有打火的危险。井下采集数据通过综合接入控制设备连接至地面控制平台，也可以连接PSTN或者移动网络，实现信息的远距离交互。TD-SCDMA煤炭专网的覆盖，可同时解决煤矿井上、井下的通信调度问题，达到纵向调度灵活可靠，矿区内外通信畅通无阻，不仅能满足日常安全生产的通信需要，而且能够保证在自然灾害和矿井事故发生时进行应急指挥通信，从而有效降低人员伤亡与财产损失。

    利用TD-SCDMA网络高速的Internet接入，选择采集终端设备与基站间采用TD无线网络结合Internet的组网方案。基站连接Internet网络，终端设备登录TD-SCDMA网络建立与基站之间的连接。TD-SCDMA无线应用的组网方式有多种，在实际应用中可以使用公网固定IP、动态域名解析、APN专线接入等方案。

2 矿用采集终端的硬件设计
    矿用数据采集终端由以下3部分组成：主处理单元、TD无线传输单元和传感器接口单元，如2图所示。

2．1 TD无线传输单元LC6311(+)
    联芯科技的LC6311(+)模块，是一款TD-SCDMA&GSM(GPRS)双模无线模块，支持TD-SCDMA与GSM系统间跨网自动无缝切换，通过配置可以设置TD-SCDMA模式。在TD制式下，支持上下行非对称数据传输能力，上下行数据传输速率可分别达384 kbit·s-1；支持UART和USB两种通信接口，使用更为方便灵活，可以满足不同主控设备的需求；采用2．9 mm装配高度的超薄设计，使其可以方便应用于智能手机和各类数据卡中；内部集成TCP／IP协议，可以方便连接Internet。
    TD无线传输单元的主要功能：为数据采集系统提供无线传输通道，将采集的数据信息传输至地面控制平台，接收地面控制中心发送的相关指令，转发给主处理单元。
2．2 硬件接口设计
    采集终端选择MSP430F149作为主处理单元，MSP430系列单片机以超低功耗著称，同时，将大量的外围模块整合到片内，接口丰富，可很好地与外部传感器或传输模块互连。单片机与TD模块(LC6311(+))的硬件接口电路如图3所示。

    LC6311(+)提供两个UART接口，UART1用作与主机的通讯口，其速率缺省为115．2 kbit·s-1，可以采用相关AT指令动态配置从9 600 bit·s-1到921．6 kbit·s-1。UART2用作软件下载，通讯速率115．2 kbit·s-1。
    设计采用MSP430F149的UART1和LC6311(+)的UART1交叉相连，即MSP430的34脚UTXD1、35脚URXD1分别与LC6311(+)的43脚UART1_RX、42脚UART1_TX相连。LC6311(+)的UART1接口中，UART1_RTS和UART1_CTS引脚可以悬空。
    LC6311(+)模块加电后，为使之正常工作，必须在POWERON信号端加至少5 s的高电平信号，且在这期间RESET信号端保持高电平状态。建议把VBAT引脚和POWERON引脚直接相连，以确保TD模块正常启动。
    井下传感器可检测矿井下各种物理信息，如压力、氧气浓度、瓦斯浓度等。传感器接口单元支持的传感器输出类型包括模拟接口输出和数字接口输出。模拟接口支持标准的电压输出类型和电流输出类型，通过隔离转换电路，将模拟电压(电流)信号转换为数字形式与主处理单元连接；数字接口支持RS232、RS485／RS422接口，通过隔离电路连接至主处理单元。
    另外，该终端设有蜂鸣报警电路和指示电路，使得在检测到危险来临时告知检测人员做出反应。

3 软件接口及控制原理
    采集终端利用TD-SCDMA无线网络和Internet实现终端与基站之间的通信。由TD无线模块LC6311(+)实现链路层、传输层和网络层的协议，其中数据链路层采用PPP协议，传输层采用面向UDP协议，网络层采用IP协议。
3．1 数据传输协议的选择及其实现方式
    数据采集终端通过无线网络向基站传输数据，第一步是登录TD-SCDMA网络，登录网络的过程属于数据链路层。终端可以通过AT命令登录到网关支持节点GGSN，当PPP协商成功并远程成功登录Internet后，可以得到GGSN分配给自己的内网IP地址。
    第二步是传输层协议选择。
    传输层的协议主要有UDP和TCP，UDP和TCP都使用相同的网络层IP，根据应用要求进行选择。
    UDP是一个简单的面向数据报的传输层协议，提供不可靠性连接，它把应用程序交下来的报文，传给IP层发送出去，但并不保证它们能到达目的地。其报文格式如图4所示。TCP与UDP不同，TCP提供了一种面向连接的、可靠的bit流服务。数据发送必须经过接收方确认，并且有超时重传等保障机制，这是TCP传输有一定保障的原因。

    UDP与TCP提供不同的传输方式和传输质量，TCP用以增加网络开销的方式提供传输保障。TD-SCDMA网络按流量计费，因此数据传送效率就显得十分重要。当单包传送的用户数据量比较小时，UDP协议传输效率明显高于TCP协议。
    考虑到本系统的通信特点：单位时间内数据流量小、通信频率高、多点通信，而且视频数据的传输要求高实时性，对差错控制没有太高要求。综合以上考虑，并可满足系统扩充方便和远距离通信的需要，采用UDP协议。
3．2 LC6311(+)的数据传输
    LC6311(+)模块中集成了TD-SCDMA的通信协议，MSP430F149通过串口1发送AT指令控制LC6311(+)模块。数据传输的流程如图5所示。

    MSP430通过AT指令控制LC6311(+)模块，完成数据通信，一个完整的通信控制流程如下：
    LC6311(+)模块开机后MSP430首先收到“COM_READY＾DEEI：0”响应，然后发送AT指令，连接TD-SCDMA网络成功后，下一步是连接Inter-net，进入数据业务，具体流程如图6所示。

    上述过程完成后，获取到TD-SCDMA网络分配的IP地址，LC6311(+)进入数据状态，就可以发送数据信息，实现地面控制中心对井下状况的实时监控。
    LC6311(+)和地面控制中心建立连接后，如果一段时间没有数据传输则可能出现服务器端断链的情况，无法继续传输数据。解决这个问题的常用方法是发送心跳包，按照预先设定的时间或按数据管理中心的指令每隔一段时间发送一次心跳包，保证地面控制中心在传输数据时实时在线。

4 结束语
    设计的井下TD-SCDMA无线采集终端具有结构简单、易于维护、通信距离远、质量高等特点，免去了井下环境监控系统现场布线带来的各种问题，是对现有煤炭井下检测系统的创新，也是新一代通信技术在工业环境下的应用。