淺談藍(lán)牙技術(shù)在煤礦井下嵌入式中的應(yīng)用

朱劍飛 蘭夢澈 李長輝

摘 要：隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，無線MESH網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在煤礦井下監(jiān)測監(jiān)控等方面的應(yīng)用越來越廣泛。藍(lán)牙技術(shù)作為無線傳輸方式的一種，以其高傳輸速率、高穩(wěn)定性的優(yōu)勢成為短距離無線信號傳輸?shù)臉O佳選擇，將藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用于井下實時測控網(wǎng)絡(luò)具有現(xiàn)實意義。針對藍(lán)牙通信方式的技術(shù)原理和傳輸特性，依據(jù)井下的實際情況，分析藍(lán)牙技術(shù)在煤礦現(xiàn)場監(jiān)測監(jiān)控裝置開發(fā)中的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：煤礦井下;藍(lán)牙技術(shù);嵌入式

煤炭是我國一種基本能源，在能源生產(chǎn)和消費中有著舉足輕重的地位。近幾年，無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，為我國“2025智慧煤礦”奠定了扎實的技術(shù)基礎(chǔ)[1]。藍(lán)牙技術(shù)作為21世紀(jì)新興技術(shù)中最為重要的技術(shù)之一，深受國內(nèi)外關(guān)注。藍(lán)牙技術(shù)作為短距離傳輸?shù)淖罴堰x擇方式，具有傳輸速率高、穩(wěn)定性強(qiáng)等技術(shù)優(yōu)勢。同時，藍(lán)牙技術(shù)在工程應(yīng)用中消耗能源少、投資成本低，具有良好的安全性能。嵌入式技術(shù)以開發(fā)能力強(qiáng)、性價比高、占用物理空間小和開發(fā)靈活的優(yōu)點，逐漸成為煤礦自動化裝置發(fā)展的主要技術(shù)方向，將藍(lán)牙通信技術(shù)與嵌入式技術(shù)相結(jié)合，對煤礦自動化的發(fā)展具有現(xiàn)實意義。

1?藍(lán)牙技術(shù)原理

1.1? 藍(lán)牙協(xié)議棧

藍(lán)牙技術(shù)的規(guī)范主要是為了使符合該規(guī)范的各類應(yīng)用能夠相互通信和交流，主要在數(shù)據(jù)鏈路層和物理層實現(xiàn)，藍(lán)牙協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]，展示了數(shù)據(jù)無線傳輸時各協(xié)議之間的相互關(guān)系。

1.2? 核心協(xié)議

核心協(xié)議主要包含基帶、連接管理、邏輯鏈路控制與適配協(xié)議以及業(yè)務(wù)搜尋協(xié)議4個部分。基帶和鏈路控制層用于無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各藍(lán)牙裝置間由射頻構(gòu)成的物理連接;連接管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)各藍(lán)牙裝置間的連接建立;邏輯鏈路控制與適配協(xié)議作為基帶的上層協(xié)議，與連接管理協(xié)議并行工作;業(yè)務(wù)搜尋的作用至關(guān)重要，可以查詢并發(fā)現(xiàn)附近設(shè)備的信息和服務(wù)類型，然后用于指導(dǎo)設(shè)備間的匹配連接。

2?藍(lán)牙在井下巷道中的傳輸特性

2.1? 井下無線傳輸?shù)闹萍s因素

煤礦井下的環(huán)境與地面不同，地面使用良好的無線通信技術(shù)，在環(huán)境復(fù)雜的井下并不能完全使用，地面上能夠完成的無線通信，在井下卻有一定的難度。其主要制約無線技術(shù)在井下使用的因素有兩點[3]：（1）井下無線電磁波的傳輸介質(zhì)是巖層;（2）復(fù)雜的環(huán)境會導(dǎo)致電磁波出現(xiàn)多次衰減。

2.2? 藍(lán)牙在井下環(huán)境中的傳輸特性

對于煤礦井下無線通信系統(tǒng)的建設(shè)，頻率的選擇至關(guān)重要。根據(jù)相關(guān)人員先前的研究，巷道中電磁波的頻率與衰減特性如圖2所示。

從圖2可以看出，煤礦巷道中800 MHz傳播頻率以下的電磁波衰減較大，不適合井下現(xiàn)場使用[4-5]。但隨著傳輸頻率的持續(xù)增加，煤壁造成的損耗反而減小，到1 000 MHz以上，總損耗增加頻率變緩，適合巷道無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶嵤?。藍(lán)牙技術(shù)工作在2.402～2.480 GHz頻段[6]，該頻段屬于開放式的ISM頻段，同頻段的還有802.11b、HomeRF、微波爐等電子設(shè)備，是藍(lán)牙在井下無線通信系統(tǒng)發(fā)展的重要理論支撐。

3?藍(lán)牙在嵌入式測控裝置的典型應(yīng)用

甲烷傳感器、壓力傳感器、離層傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器等監(jiān)測裝置一直是煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的“耳目”，為煤礦調(diào)度中心提供現(xiàn)場數(shù)據(jù)，從而進(jìn)一步對現(xiàn)場災(zāi)害進(jìn)行實時預(yù)警。藍(lán)牙在智能傳感器上的典型應(yīng)用模型如圖3所示。

基于藍(lán)牙技術(shù)的典型嵌入式應(yīng)用模型主要包括信號檢測單元、A/D轉(zhuǎn)換電路、按鍵、微處理器或可編程邏輯控制器、HMI（人機(jī)交互界面）、報警模塊以及藍(lán)牙模塊，外置天線在一些井下特殊環(huán)境中可增強(qiáng)無線發(fā)射信號。以單片機(jī)為主的微處理器為硬件設(shè)計提供了多種方案，利用微處理器的多種接口，可以輕松實現(xiàn)各種井下所需的功能。

4?藍(lán)牙技術(shù)在井下的應(yīng)用難點

4.1? 應(yīng)用難點

煤礦井下多處場合已經(jīng)使用藍(lán)牙技術(shù)實現(xiàn)了短距離的數(shù)據(jù)傳輸。目前，藍(lán)牙技術(shù)在井下的應(yīng)用主要是對現(xiàn)場采集的信號進(jìn)行傳輸，但藍(lán)牙技術(shù)的工作模式制約著其在井下的應(yīng)用。在藍(lán)牙的主從匹配工作中，一個主機(jī)裝置雖可以與多個從機(jī)模塊進(jìn)行匹配，但在同一時刻，一個主機(jī)裝置只能連接一個從機(jī)裝置進(jìn)行匹配通信，無法滿足井下多點分布式信號采集的發(fā)展要求。要想實現(xiàn)藍(lán)牙技術(shù)在井下的快速發(fā)展，首先需要解決主從匹配中有序匹配的問題。

4.2? 解決方案

為了解決上述應(yīng)用難點，根據(jù)煤礦的應(yīng)用特點，提供一種藍(lán)牙在煤礦井下的實際應(yīng)用技術(shù)，解決上述有序主從匹配的問題。主從匹配借鑒井下綜采工作面液壓支架控制器的多機(jī)通信原理，通過輪詢的方式解決藍(lán)牙匹配的問題，讓主機(jī)一次連接一個從機(jī)。當(dāng)通信交流完后，立即斷開當(dāng)前從機(jī)，同下一個從機(jī)進(jìn)行匹配連接，具體流程如圖4所示。

5?應(yīng)用前景

藍(lán)牙的工作頻段非常適合應(yīng)用于井下傳輸，是井下短距離通信的最佳選擇。隨著藍(lán)牙技術(shù)和模塊的快速發(fā)展，藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用更加簡單便捷，煤礦設(shè)備開發(fā)人員僅需要簡單應(yīng)用即可實現(xiàn)所需功能，為藍(lán)牙技術(shù)在煤礦井下的應(yīng)用提供了廣闊的前景。超低功耗的藍(lán)牙模塊為井下無線嵌入式裝置開發(fā)提供了更多的方案，必將在“2025智慧礦山”建設(shè)中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

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