近年来，随着煤矿开采力度的加大，煤矿安全越来越引起人们的关注。目前，我国采用的煤矿安全系统大都是以工业总线为基础的有线通信网络。伴随着煤矿的不断深入，传统有线网络的覆盖率、灵活性受到了极大的限制；尤其是在发生矿难时，有线网络会受到破坏，造成实时通信的中断。为了解决这个问题，本文提出了一种基于Zigbee的无线通信网络，用来代替传统的有线通信网络。

1 Zigbee技术简介

Zigbee是一种新兴的短距离、低速率的无线网络传输技术。它基于IEEE 802.15.4标准，支持250 kb/s的数据传输速率，可以实现一点对多点的快速组网。

Zigbee有以下优点：

① 功耗低，发射功率仅为1 mW。Zigbee设备非常省电，仅用2节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右，非常适合在井下使用。

② 成本低，并且Zigbee协议是免费的，工作在ISM 2.4 GHz频段，组网容量大，可以组成Adhoc网络。在突发情况下，如果发生通信链路的中断，通信节点会自发寻找附近可以链接的链路，实现与上一层节点的通信，特别适用于矿难的情况。

③ Zigbee采取了碰撞避免策略，可以避开发送数据的竞争与冲突，提供了基于循环冗余校验的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES128的加密算法，安全性能高。

④ 节点容易配置。

Zigbee设备按功能分为FFD(Full Functional Device,全功能设备)和RFD(Reduced Functional Device，简化功能设备)。其中，FFD作为上层节点，可以直接对下层节点或者传感器进行数据采集，转发网络中其他节点的数据；在Zigbee网络中作为协调器或者中继器，也可以作为终端设备。RFD只能作为下层节点，是最小、最简单的Zigbee节点，只发送与接收信号，不能起到转发的作用，在Zigbee网络中只能作终端节点。一般Zigbee网络支持3种类型拓扑结构，分别为星形(star)网络、网状(mesh)网络和簇状(cluster tree)网络，如图1所示。

图1 Zigbee网络拓扑结构

2 无线通信网络的设计方案

无线通信网络的组成如图2所示。

图2 无线通信网络框图

作业人员作为Zigbee终端节点，使用电池供电的RFD设备，随身佩带，可以随时与上层的路由设备（FFD）保持无线连接。由于井下作业人员数量比较多，可以分区域设置路由器。考虑到突发情况，若是某一个节点出现故障，与网络断开，那么为避免数据的丢失，可采用网状网络组网。网状网络即图1中虚线框外的部分，若其中某一个协调器出现故障，则数据流可以选择另一个路由器或协调器进行数据流的传输。经由协调器(FFD)将实时数据汇总，然后通过A/D转换模块将数据传送到地面的PC终端，在监控终端可以实时获取井下作业人员的数据。考虑到井下巷道的深度，一般采用路由器之间无线电波接力的方式，实现无线通信的连接。协调器是FFD设备，这里考虑到电源的功耗和同步问题，一般使用有线电缆供电，同时备有在灾害发生、电缆中断时使用的备用电源，使用双电源有利于保证系统的可靠性。人员作业时可以及时地保持与路由器的通信。

3 网络的硬件实现

网络的硬件主要由无线通信模块、处理器、A/D转换模块、电源模块和485模块组成。无线通信模块主要是射频通信模块，如图3所示。

图3 射频通信模块

图3中，射频收发芯片MC13192是Freescale公司推出的符合Zigbee标准的射频芯片。其工作频率是2.405～2.480 GHz,该频带划分为16个信道,每个信道占用5 MHz的带宽;采用直接序列扩频的通信技术,数据传输速率为250 kb/s。1、2引脚为信号接收端，5、6引脚为信号发送端，射频信号的收发采用差分方式传送。芯片外接16 MHz晶振，晶振为4引脚贴片封装，2个引脚连接MC13192对应引脚，其余两个通过一个6.8 pF的负载电容接地。如果采用其他频率的晶振，负载电容应选择9 pF或更小一点。芯片采用3 V电源供电，同时，芯片32引脚输出一个偏置电压VDDA供发射电路使用。

由于MC13192的射频信号采用差分方式，而倒F型天线为单端天线，所以在芯片和天线之间需使用平衡/非平衡阻抗转换电路（BALUN，巴伦电路），以达到最佳收发效果。电路中使用了巴伦电路专用芯片LDB212G4020C。UPG2012TK是NEC公司针对手机和其他L波段(390～1 550 MHz)应用制造的镓砷单刀双掷（Single Pole Double Throw, SPDT）射频开关。其工作频率为0.5～2.5 GHz，具有非常低的介入损耗和很高的隔离性能；封装形式为6引脚的短引脚小型贴片封装，可减小电路板占用面积。

射频模块作为底层Zigbee节点的路由器使用，只完成数据的射频发送及转发。对协调器来说，需要对来自路由器的数据进行处理，因此需要加一个处理器，这里使用Freescale公司的HCS08系列单片机。在实际应用中，选择了HCS08系列中的MC9S08GT16。MC9S08GT16单片机内部集成了16 KB Flash，1 KB RAM，2个2通道、16位定时器，封装为44QFP时拥有36个I/O口。单片机的外围电路如图4所示。

图4 单片机外围电路

MC9S08GT16共有36个I/O口。其中，A、B口各有8个。A口可以实现键盘中断功能；B口通过内部的一个多路选择器可以连接到10位A/D转换器；C口有7个，可以配置为I2C总线和串口总线。作为普通I/O口时，C口的带负载能力比较强，D口可以作为时钟比较器或PWM的输出，E口可以配置为SPI和第2个串口总线。所有I/O口没有配置为特殊功能时，均可作为普通I/O口使用。芯片内置JTAG调试接口程序,可以通过4根线实现在线调试/下载程序。

芯片采用3 V供电，在模拟、数字电源和参考电压的输入引脚均放置了去耦电容，以改善芯片供电状况。MC9S08GT16与MC13192之间共有9根连接线，其中包括SPI通信总线（4根）、中断信号线、空闲模式使能、发送接收使能、复位和时钟。由于MC13192能够提供一个时钟输出引脚，因此将其直接连接到MC9S08GT16的44引脚，就可以实现时钟共享，免去了双晶振对电路板的电磁干扰。

MC9S08GT16处理器通过SPI总线对射频模块进行操作，以实现mesh网络。A/D转换模块使用MAX191，电源模块由7805模块及外围的分压电路构成，最后使用RS485总线传输到PC监控端。

结语

本文给出了井下无线网络的硬件实现，采用了最新的Zigbee无线通信技术，使用mesh网络提高了网络的可靠性，对于改进有线网络的不足，促进矿井安全具有十分重要的意义。Freescale的芯片MC13192符合IEEE 802.15.4协议，功耗低，时延短，价格便宜，便于在矿井这种人员多、通信复杂的条件下使用。