CN101873240B - 多RF矿用多功能无线Mesh网关装置及其控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多RF矿用多功能无线Mesh网关装置及其控制系统，其装置由主控系统板和子系统板等组成。主控系统板包括主控制器、主控系统电源处理模块、ZigBee通信模块和节能控制电路；子系统板包括子控制器、子系统电源处理模块和WiFi智能接入卡等；其控制系统包括硬件设备底层驱动系统、嵌入式操作系统、节能控制系统和多功能Mesh网关控制系统。其显著效果是：能支持多媒体业务在多RF通道WiFi无线Mesh网络和ZigBee无线Mesh网络中同时传输，实现工业以太网、现场总线以及WiFi无线局域网的网络融合，不但支持高可靠通信和自组织组网，而且支持通信节能控制，可有效延长待机寿命。
Description
技术领域
本发明涉及矿山多媒体无线通信领域，具体地说，是一种多RF矿用多功能无线Mesh网关装置及其控制系统。
背景技术
我国矿山安全生产事故与自然灾害时常发生，为了便于矿方日常排查安全隐患和防患于未然，避免矿山自然灾害和重特大等安全生产事故发生和灾害事故发生时可快速组织应急抢险力量和做出搜救等指挥决策，研制矿山多媒体无线通信装备具有十分重大而紧迫的现实意义。
传统矿井多媒体应急通信以有线方式为主，而随着井下无线传感器网路和无线局域网等短距离通信技术的发展和应用需求的增加，无线网路通信正显示出无比灵活的优越性。目前，矿山应急救护大队配备的应急无线通信系统一般采用防爆对讲机、透地通信或矿用小灵通等技术，这些技术都面临功能单一且不支持多媒体通信业务实时可靠传输等局限性。例如防爆对讲机是采用点对点半双工无线通信技术，不支持多媒体信息采集终端接入和多跳无线传输，且传输距离大大受限于巷道复杂环境。透地通信受环形天线部署的限制，无法覆盖到不具备环形天线部署条件的灾害和事故发生区域，如采掘作业面。矿用小灵通由于无线工作频段相对较低，对于有干扰的环境，其信号传输将受到严重影响，并且小灵通传输速率只有64Kb/s～128Kb/s，还不能满足多媒体业务宽带传输的需求。
WiFi(Wireless Fidelity，无线保真)无线Mesh网络采用支持IEEE802.11s标准和无线局域网(IEEE 802.11(a/b/g/n)的传输技术，其中带宽速率可达11Mb/s、54Mb/s和108Mb/s，甚至更高。WiFi无线Mesh网络具有支持IP互联技术、高带宽、多跳传输、网络自组织、动态路由及其自学习、无线通信链路自愈以及网络易部署等优点，但是设备工作功耗通常较大。尽管基于无线Mesh网络的宽带应急通信设备在地面应用较广泛，那是因为在地面应用不受供电方式、重量、电源电池容量以及电路设计须符合本质安全等条件的限制。当真正应用到井下通信时，却又很难设计合适的便携本安电源，特别是面临设备重量和电源电池容量设计难以满足用户需求等实际困难。因此，如何保证这些设备在井下尽可能长的待机寿命和支持多媒体业务的传输，是当前无线Mesh网络技术能否在矿山通信领域应用面临的关键技术挑战。
现有技术的缺点是：现有的各种矿用多媒体通信设备功能单一，无线传输功耗、传输带宽和传输距离指标均受到相互的制约，不能很好支持多媒体通信业务的实时可靠传输。现有的地面WiFi无线Mesh网络虽然具有支持IP互联技术、高带宽、多跳传输、网络自组织、动态路由及其自学习等优点，但是又受到矿用井下供电方式以及电源容量的限制。虽然我们提出了一种多RF矿用多功能无线Mesh路由装置，但现有技术中还缺少一种能与多RF矿用多功能无线Mesh路由装置相匹配的网关装置，要求支持多种通信网络的融合，能够满足多媒体通信业务实时可靠传输，并且能够适应矿用井下供电方式和电源容量的限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种多RF矿用多功能无线Mesh网关装置及其控制系统，不但适应于矿山无线通信的环境制约，同时还具有多媒体业务宽带传输功能，可将工业以太网、现场总线以及WIFI无线局域网等不同异构网络实现互联和网络融合，有助于将井下各种设备工作和现场环境状态、救援人员位置信息、救援指挥通讯业务等信息实时可靠传输到地面应急指挥中心。即使井下发生紧急灾情或原有通信固定基础设施或供电系统失效时，该装置仍可灵活支持应急救护队员临时紧急部署无线通信网络，最大程度将井下灾情通过无线多跳传输等多种方式上传到地面应急指挥中心，以便及时做出恰当的救援指挥决策。而且本发明所提供的多RF矿用多功能无线Mesh网关装置具有无线传输可靠、通信质量稳定、成本低、待机寿命长、抗干扰性强、使用方便等特点，特别适合我国矿山灾害应急搜救等无线通信应用，具有极大社会效益和经济效益。
为达到上述目的，本发明提供一种多RF矿用多功能无线Mesh网关装置，由主控系统板和子系统板组成，其关键在于：所述主控系统板上设置有主控制器MCU，该主控制器MCU的第一串口端连接有ZigBee通信模块，该主控制器MCU的第二串口端与串口扩展模块的第零串口端连接，所述串口扩展模块的第一串口端连接有第一转换模块，该第一转换模块的输出端口为现场总线接口，所述串口扩展模块的第二串口端连接有第二转换模块，该第二转换模块的输出端口为RS232接口，所述串口扩展模块的第三串口端连接有第三转换模块，该第三转换模块的输出端口为RJ45接口，所述主控制器MCU上连接有电源输入选通模块以及RJ45接口选通电路，所述电源输入选通模块用于控制所述子系统板的电源输入通断状态，所述RJ45接口选通电路用于控制所述第三转换模块的输出端口与工业以太网接口的通断状态；
所述子系统板上设置有子控制器CPU，该子控制器CPU经过内部总线与至少一个WiFi智能接入卡连接，所述内部总线上还连接有子系统RS232串口、子系统RJ45第一网口以及子系统RJ45第二网口，所述子系统RS232串口与所述主控系统板的RS232接口连接，所述子系统RJ45第二网口与所述主控系统板的RJ45接口连接，所述子系统RJ45第一网口与所述工业以太网接口连接。
主控制器MCU通过第一串行通信接口实现与ZigBee通信模块进行网络信息交互及数据处理、协议转换和ZigBee网络内部地址映射等。主控系统板通过设置串口扩展模块将主控制器MCU的第二串行通信接口扩展为三个TTL232通信接口。其中第一TTL232接口经第一转换模块转换为RS485现场总线接口，实现与井下RFID(Raido Frequency Identification，射频识别技术)人员定位设备的互联和通信，第二TTL232接口经第二转换模块转换成RS232接口并与子系统RS232串口相连，实现主控系统板与子系统板的互联和通信，第三TTL232接口经第三转换模块转换为RJ45接口并与子系统RJ45第二网口相连，主要用于实现与外部工业以太网络的连接。
所述子系统板又称为WiFi Mesh系统板，其中子控制器CPU用于协调和管理WiFi Mesh系统板各个通信组成部分的工作，在子控制器CPU内嵌入了功能强大的并支持多跳无线Mesh网络路由功能的嵌入式操作系统，并支持IEEE 802.11a/b/g无线局域网标准和802.11s无线Mesh网络标准草案等功能。WiFi智能接入卡、子系统RS232串口以及子系统RJ45第一网口和子系统RJ45第二网口都是通过WiFi Mesh系统板上的内部总线实现Mesh桥接互联通信。所述WiFi智能接入卡完全支持IEEE 802.11a/b/g无线技术标准和数据、语音、图像和视频等多媒体信息采集终端的无线接入。
所述RJ45接口选通电路上设置有使能控制端口，该使能控制端口与所述主控制器MCU的节能控制信号输出端口连接，所述RJ45接口选通电路的一个通信接口与所述第三转换模块的RJ45接口连接，该RJ45接口选通电路的另一通信接口与所述工业以太网接口连接。
所述电源输入选通模块上设置有电源使能控制端口，该电源使能控制端口也与所述主控制器MCU的节能控制信号输出端口P1.7连接，所述电源输入选通模块的输出端为所述子系统板供电。
通过主控制器MCU改变所述节能控制信号输出端口输出的电平来控制电源输入选通模块的工作输出状态，从而实现对子系统板的电源通断控制，有效降低系统电源能量的耗费。当子系统断电时，所述主控制器MCU控制RJ45接口选通电路工作，使得第三转换模块上的RJ45接口直接与工业以太网接口进行数据双向传输。
在所述主控系统板上还设置有大容量便携本安电源处理模块和主控系统电源处理模块，在子系统板上还设置有子系统电源处理模块，所述本安电源处理模块的输入端与外界便携式直流本安电源连接，该本安电源处理模块的输出端连接在所述主控系统电源处理模块和电源输入选通模块的输入端上。所述主控系统电源处理模块的输出端为所述主控系统板供电，所述电源输入选通模块的输出端与所述子系统电源处理模块的输入端连接，该子系统电源处理模块的输出端为所述子系统板的其它功能模块供电。
大容量便携本安电源处理模块从外界便携式直流电源中获得电源输入后，将来自外界输入的电源进行本安处理，最后稳压输出，以便保证主控系统板上各个模块的正常工作。通过设置的大容量便携本安电源处理模块可以实现外界电源的宽范围电压输入。
所述子系统板的内部总线上连接有3个Mini-PCI接口，所述Mini-PCI接口插接所述WiFi智能接入卡。
系统支持3个WiFi Mesh无线扩展Mini-PCI接口，WiFi智能接入卡通过WiFi Mesh无线扩展接口与所述内部总线桥接和互联通信，方便了WiFi智能接入卡的灵活安装与更换。
所述ZigBee通信模块配置有第一高增益全向RF天线，其工作频段为2.4GHz；用于ZigBee网络接入和业务数据收发，为井下RFID人员定位设备和其他ZigBee传感器终端数据业务提供了一个无线Mesh网络通信平台。所述WiFi智能接入卡配置有第二高增益全向RF天线，其工作频段为2.4GHz或5.8GHz。用于负责WiFi音、视频等业务终端的接入和数据收发。采用多个RF天线独立处理ZigBee无线Mesh网络和WiFi无线Mesh网络的业务数据，系统通信稳定性和可靠性更高，采用高增益全向RF天线，简化了RF天线的安装步骤，增强了系统的灾害环境适应能力。
本发明还提供一种多RF矿用多功能无线Mesh网关装置的控制系统，其关键特征在于：设置硬件设备底层驱动系统、嵌入式操作系统、节能控制系统和多功能Mesh网关控制系统；
所述多功能Mesh网关控制系统由支持无线Mesh网络路由的ZigBee协议模块、用户自定义协议模块、802.15.4协议模块、多协议转换及地址映射模块、802.11协议模块、802.3协议模块以及IP协议及地址映射模块组成；
其中ZigBee协议模块和802.15.4协议模块设置在ZigBee通信模块中，所述802.15.4协议模块用于支持ZigBee无线Mesh网络的物理层接入，所述ZigBee协议模块用于实现ZigBee无线Mesh网络业务数据的Mesh网络路由和多跳无线传输；
用户自定义协议模块和多协议转换及地址映射模块设置在主控制器MCU中，所述用户自定义协议模块用于支持现场总线业务数据的物理层接入，所述多协议转换及地址映射模块用于实现现场总线业务数据转换为ZigBee无线Mesh网络业务数据；
802.11协议模块、802.3协议模块以及IP协议及地址映射模块设置在子系统CPU中，所述802.11协议模块用于支持WiFi无线Mesh网络的物理层接入，所述802.3协议模块用于支持工业以太网络的物理层接入，所述IP协议及地址映射模块用于实现ZigBee无线Mesh网络、WiFi无线Mesh网络以及工业以太网络业务数据的网络融合。
多种协议模块和协议转换模块共同组成一个多功能的网关控制系统，实现同时支持WiFi无线Mesh网络、ZigBee无线Mesh网络以及工业以太网络的组网和业务融合，其主要处理业务数据类型有：WiFi无线Mesh网络业务数据、工业以太网络业务数据、ZigBee无线Mesh网络业务数据和现场总线业务数据。
来自ZigBee无线Mesh网络业务数据是经过多协议转换及地址映射以及IP协议及地址映射后实现在TCP/IP网络或WLAN网络中传输，最终与工业以太网络融合。来自WiFi无线Mesh网络业务数据经过IP协议及地址映射模块处理后也可以在TCP/IP网络或WLAN网络中传输，实现与工业以太网络的融合。
在数据传输过程中，矿用多功能无线Mesh网关装置通过RF通道接口(一个通道配置2.4GHz高增益无源RF天线，另外一个配置2.4GHz/5.8GHz高增益无源RF天线)与外部矿用无线Mesh路由器、2.4GHz ZigBee传感器、矿用视频及图像采集终端、矿用本安手机等矿用多媒体应急救援终端设备互联和双向通信。矿用多功能无线Mesh网关通过RS485现场总线可与井下RFID人员定位等设备双向通信，通过工业以太网接口可与支持TCP/IP的矿用网络交换机或分站互联和双向通信。矿用网络交换机或分站可通过井下光纤骨干网连接到地面应急指挥中心的局域网交换机和多媒体业务服务器等。另外，矿用多功能无线Mesh网关还可通过外接2.4GHz/5.8GHz高增益无源RF天线与地面或井下救灾现场无线接入点直接进行无线通信。
现场总线业务数据通过用户自定义协议模块接入到网关装置中，再通过多协议转换及地址映射模块和IP协议及地址映射模块处理后，由RJ45网口上传到工业以太网络。
2.4GHz ZigBee无线传感器网路和多功能无线Mesh路由器上传的ZigBee业务数据经过第一RF高增益无源天线接入到网关装置中，通过多协议转换及地址映射模块和IP协议及地址映射模块处理后，再由RJ45网口上传到工业以太网络。
多功能无线Mesh路由器上传的WiFi业务数据以及其它WiFi终端设备传输的数据通过第二高增益无源天线接入到网关装置中，然后再通过IP协议及地址映射模块处理实现与工业以太网络的融合。
本发明提供的一种多RF矿用多功能无线Mesh网关装置的控制系统中还涉及到一种节能控制系统，该节能控制系统设置有：
用于判断是否收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求的装置；
如果收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求，则：
用于判断系统是否处于清醒状态的装置；
如果系统处于清醒状态，则用于返回判断是否收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求的装置；
如果系统不处于清醒状态，则用于广播休眠结束命令的装置；
用于判断是否处于硬休眠状态的装置；
如果系统处于硬休眠状态，则：用于WiFi Mesh系统板通电的装置；
如果系统不处于硬休眠状态，则：用于WiFi智能接入卡使能的装置；
用于进入清醒状态并设置清醒状态标志的装置；
用于返回判断是否收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求的装置；
如果没有收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求，则：进入WiFi业务查询机构；
所述WiFi业务查询机构设置有：
用于判断WiFi业务查询周期是否到达的装置；
如果WiFi业务查询周期没有到达，则：用于返回判断是否收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求的装置；
如果WiFi业务查询周期到达，则：用于设置WiFi业务查询请求次数Q＝0的装置；
用于发起查询WiFi业务请求的装置；
用于判断是否收到多媒体业务服务器响应的装置；
如果没有收到多媒体业务服务器响应，则：用于判断请求次数Q是否大于K的装置；
如果请求次数不大于K，则：用于设置WiFi业务查询请求次数Q＝Q+1并返回所述发起查询WiFi业务请求的装置；
如果请求次数大于K，则：进入硬休眠控制机构；
如果收到多媒体业务服务器响应，则：用于判断无线Mesh网络是否存在WiFi业务的装置；
如果无线Mesh网络存在WiFi业务，则：用于软、硬休眠次数计数器清零的装置；
用于返回判断是否收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求的装置；
如果无线Mesh网络不存在WiFi业务，则：用于判断软休眠次数是否大于N的装置；
如果软休眠次数不大于N，则：进入软休眠控制机构；
如果软休眠次数大于N，则：进入硬休眠控制机构；
所述软休眠控制机构设置有：
用于进入软休眠状态并设置软休眠状态标志的装置；
用于广播软休眠命令的装置；
用于软休眠次数加1的装置；
用于禁用WiFi智能接入卡的装置；
用于设置软休眠定时器初值(Ts)的装置；
用于返回判断是否收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求的装置；
所述硬休眠控制机构设置有：
用于进入硬休眠状态并设置硬休眠状态标志的装置；
用于广播硬休眠命令的装置；
用于硬休眠次数加1的装置；
用于WiFi Mesh系统板断电的装置；
用于设置硬休眠定时器初值(Th)的装置；
用于判断硬休眠次数是否大于M的装置；
如果硬休眠次数不大于M，则：用于返回判断是否收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求的装置；
如果硬休眠次数大于M，则：用于软、硬休眠次数计数器清零的装置；
用于返回判断是否收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求的装置。
本发明提出的基于系统自适应业务响应的软、硬休眠相结合通信节能控制方法主要解决4个关键技术问题：(1)判断矿用多媒体应急无线Mesh网络中是否存在WiFi业务；(2)保证不影响WiFi终端或WiFi业务接入矿用多媒体应急无线Mesh网络；(3)实现WiFi智能接入卡的禁用与使能，以及WiFi Mesh系统板的通电与断电；(4)保证系统核心装置同时使能/禁用WiFi智能接入卡和通电/断电WiFiMesh系统板。
矿用多功能无线Mesh网关既能实现矿用多媒体应急无线Mesh网络和其他异构网络互联，又能实现与多媒体业务服务器进行通信响应交互。多媒体业务服务器实时监测网络多媒体业务情况，记录网内发生的数据、语音和视频多媒体业务。矿用多功能无线Mesh网关通过接入IP网络和周期性地查询多媒体业务服务器，以此判断矿用多媒体应急无线Mesh网络中是否存在WiFi业务。如果没有WiFi业务，在软休眠状态，矿用多功能无线Mesh网关则通过基于ZigBee的无线Mesh网络通信平台广播软休眠命令，然后禁用WiFi智能接入卡，进入软休眠状态。矿用多功能无线Mesh路由器收到软休眠命令，立即禁用WiFi智能接入卡，进入软休眠状态。系统核心装置的软休眠或禁用WiFi智能接入卡时间(Ts)相同，软休眠结束后就使能各自的WiFi智能接入卡，进入正常(清醒)工作状态。在硬休眠状态，矿用多功能无线Mesh网关则通过基于ZigBee的无线Mesh网络通信平台广播硬休眠命令，然后使得WiFi Mesh系统板断电，并进入硬休眠状态。矿用多功能无线Mesh路由器收到硬休眠命令后立即使得WiFi Mesh系统板断电，进入硬休眠状态。系统核心装置硬休眠或WiFi Mesh系统板断电时间(Th)相同，硬休眠结束后就使得WiFiMesh系统板重新通电，进入正常(清醒)工作状态。
系统核心装置进入正常(清醒)工作状态后，WiFi终端就可接入到应急通信系统无线Mesh网络中，并向多媒体业务服务器发起WiFi业务请求和完成WiFi业务登记。矿用多功能无线Mesh网关查询多媒体业务服务器时，如果应急通信系统无线Mesh网络中存在WiFi业务，矿用多功能无线Mesh网关不会广播休眠命令(软或硬休眠)，系统核心装置将继续保持正常(清醒)工作状态，直到应急通信系统无线Mesh网络中没有WiFi业务。
当系统核心装置处于软休眠状态或硬休眠状态时，如果WiFi终端(如WiFi手机)请求接入应急通信系统无线Mesh网络，则须等待至系统核心装置休眠结束和进入正常(清醒)工作状态时才可接入。如果地面应急救援指挥中心发起WiFi业务，多媒体业务服务器会向矿用多功能无线Mesh网关发送指挥中心WiFi业务请求。矿用多功能无线Mesh网关收到指挥中心发起的WiFi业务请求后，如果系统核心装置处于软休眠状态或硬休眠状态，则会通过基于ZigBee的无线Mesh网络通信平台广播休眠结束命令，使系统核心装置恢复到正常(清醒)工作状态。
本发明的显著效果是：提供了一种多RF矿用多功能无线Mesh网关装置及其控制系统，具有以下特征：
①同时支持井下语音和图像等多媒体业务进行无线宽带网络多跳传输，系统实现了基于多跳网络的多媒体业务接入和无线Mesh路由传输平台，支持音、视频等WiFi无线终端接入，且无线传输带宽理论可达54Mbps；
②实现了同时支持WiFi无线Mesh网络和ZigBee无线Mesh网络、工业以太网和现场总线等多种技术标准的接口电路，支持工业以太网、RFID/传感器现场总线网络以及WiFi无线局域网等多重异构网络有效融合；
③实现了基于ZigBee无线Mesh网络传输RFID读卡器/现场传感器数据的硬件平台和通过串口控制的WiFi网络通信节能嵌入式硬件电路设计，可有效延长系统装置待机寿命时间达32％；
④系统装置通过ZigBee通信模块和WiFi无线Mesh系统板实现了应急救援通信系统快速自组织无线网络、无线链路自愈和无线Mesh多跳路由传输，且最大可支持3个WiFi Mesh无线扩展接口(Mini-PCI)和多RF通道高可靠无线Mesh传输；
⑤系统装置支持系统在2.4GHz/5.8GHz两种微波工作频段，支持选配全向高增益外置天线和灾区无线网络连续覆盖。
⑥系统装置实现了大容量本安便携电源双路自动切换和本质安全控制技术，系统待机寿命可达60～72小时，防护等级可达1P65以上，可适应在井下高湿和高煤尘等恶劣灾害环境使用。
⑦支持与KJ90等多种系列全矿井综合自动化系统和矿山安全生产多媒体监控系统互联，支持基于SIP协议的VOIP语音服务和通信节能控制技术。
附图说明
图1是本发明的电路结构组成示意图；
图2是本发明的控制系统模型示意图；
图3是本发明中节能控制系统控制流程图；
图4是矿井多媒体无线Mesh网络拓扑图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示：一种多RF矿用多功能无线Mesh网关装置，由主控系统板1和子系统板2组成，所述主控系统板1上设置有主控制器MCU15，该主控制器MCU 15的第一串口端UART1连接有ZigBee通信模块14，该主控制器MCU 15的第二串口端UART2与串口扩展模块17的第零串口端COM0连接，所述串口扩展模块17的第一串口端COM1经第一转换模块16转换为现场总线接口，该串口扩展模块17的第二串口端COM2经第二转换模块18转换为RS232接口，该串口扩展模块17的第三串口端COM3经第三转换模块19转化为RJ45接口，所述主控制器MCU 15上连接有电源输入选通模块13以及RJ45接口选通电路19’，所述电源输入选通模块13用于控制所述子系统板2的电源输入通断状态，所述RJ45接口选通电路19’用于控制所述第三转换模块19上的RJ45接口与工业以太网接口的连接状态；
所述子系统板2上设置有子控制器CPU 26，该子控制器CPU 26经过内部总线以及Mini PCI接口23与3个WiFi智能接入卡22连接，所述内部总线上还连接有子系统RS232串口24、子系统RJ45第一网口25以及子系统RJ45第二网口25’，所述子系统RS232串口24与所述主控系统板1的RS232接口连接，所述子系统RJ45第二网口25’与所述主控系统板1的RJ45接口连接，所述子系统RJ45第一网口25与所述工业以太网接口连接。
在具体实施过程中，所述主控制器MCU 15采用16MHz MCU控制器，采用型号为MSP 430F249的主芯片，串口扩展模块17采用的主芯片为GM8123，第一转换模块16采用SP3485，主要功能是将TTL232转化为RS485总线接口，第二转换模块18采用MAX3232，主要功能是将TTL232转换为RS232串口，第三转换模块19采用IPORT-1，主要功能是将TTL232转换为RJ45接口，所述RJ45接口选通电路19’主要采用集成芯片SN74HC4066，所述子控制器CPU 26采用266MHz高性能CPU控制器，其芯片型号为MPC8321。
ZigBee通信模块14主要用于ZigBee无线Mesh网络数据路由和业务信息传输，该模块实现了IEEE 802.15.4和ZigBee标准协议，并集成了高性能RF微处理器、可编程I/O接口、无线发射功率放大器及其发射功率等级控制器等。既可支持ZigBee无线Mesh自组织网络，又可支持传统的点对点和网络广播透明通信方式，以及2.4GHz频段工作的ZigBee无线传感器终端接入。支持动态多跳无线Mesh网络路由和长距离、高可靠传输，理论最大数据传输速率可达250kbps，最远路由跳数可达20跳以上，且在矿井平直巷道每跳无线传输距离可达500米以上。
RS485现场总线接口主要用于连接各种井下RFID(RaidoFrequency Identification，射频识别)人员定位设备，RS485现场总线接口采集到的数据经过第一转换模块16以及串口扩展模块17后上传到主控制器MCU15内，通过主控制器MCU15进行协议和数据帧格式转换，最后使得数据能够在ZigBee无线Mesh网络中路由和传输。
WiFi智能接入卡22支持矿用WiFi手机以及其它WiFi音、视频终端的接入，WiFi智能接入卡22配置2.4GHz或5.8GHz的高增益全向RF天线，RF天线工作频段与WiFi智能接入卡22工作频段保持一致，数据无线传输理论带宽可达54Mbps。系统可采用多RF通道分别对ZigBee无线Mesh网络数据和WiFi无线Mesh网络数据独立传输，增强了系统的可靠性和通信抗电磁干扰能力。
所述RJ45接口选通电路19’上设置有使能控制端口EN1，该使能控制端口EN1与所述主控制器MCU 15的节能控制信号输出端口P1.7连接，所述RJ45接口选通电路19’的一个通信接口与所述第三转换模块19的RJ45接口连接，该RJ45接口选通电路19’的另一通信接口与所述工业以太网接口连接。
所述电源输入选通模块13上设置有电源使能控制端口EN，该使能控制端口EN也与所述主控制器MCU 15的节能控制信号输出端口P1.7连接，所述电源输入选通模块13的输出端为所述子系统板2的其他功能模块供电。
子系统RJ45第二网口25’与主控系统板1中的第三转换模块19转换出的RJ45接口连接，子系统RJ45第二网口25’与子系统RJ45第一网口25是通过内部总线实现桥接的，子系统RJ45第一网口25还与外部工业以太网络连接，所述主控系统板1中的第三转换模块19转换出的RJ45接口还经过RJ45接口选通电路19’与外部工业以太网接口连接，如果电源输入选通模块13使得子系统板2断电时，主控系统板1的RJ45接口可以直接通过RJ45选通模块19’与工业以太网络进行数据传输。
在所述主控系统板1上还设置有大容量便携本安电源处理模块12和主控系统电源处理模块11，在子系统板2上还设置有子系统电源处理模块21，所述本安电源处理模块12的输入端与外界便携式直流本安电源DC连接，该本安电源处理模块12的输出端连接在所述主控系统电源处理模块11和电源输入选通模块13的输入端上。所述主控系统电源处理模块11的输出端为所述主控系统板1供电，所述电源输入选通模块13的输出端与所述子系统电源处理模块21的输入端连接，该子系统电源处理模块21的输出端为所述子系统板2的其它功能模块供电。
大容量便携本安电源处理模块12从外界便携式直流电源DC中获得电源输入后，将来自外界的输入的电源进行本安处理，使得外接直流电源在12V～18V的变化范围内都能保持稳定的输出，从而保证了各个模块和系统板的正常工作。所述的主控系统电源处理模块11和子系统电源处理模块21输出3.3V直流稳压电压，分别为其他的各个功能模块供电。
如图2所示，所述一种多RF矿用多功能无线Mesh网关装置的控制系统主要由软件控制完成，除了硬件设备底层驱动系统以及嵌入式操作系统外，所述控制系统中还设置有多功能Mesh网关控制系统，该多功能Mesh网关控制系统包括：
设置在ZigBee通信模块14中的ZigBee协议模块a和802.15.4协议模块c，所述802.15.4协议模块c用于支持ZigBee无线Mesh网络的物理层接入，所述ZigBee协议模块a用于实现ZigBee无线Mesh网络业务数据多跳路由和传输；
设置在主控制器MCU 15中的用户自定义协议模块b以及多协议转换及地址映射模块d，所述用户自定义协议模块b用于支持现场总线业务数据的物理层接入，所述多协议转换及地址映射模块d用于实现现场总线业务数据和ZigBee无线Mesh网络业务数据的协议帧格式相互转换；
设置在子系统CPU 26中的802.11协议模块e、802.3协议模块f以及IP协议及地址映射模块g，所述802.11协议模块e用于支持WiFi无线Mesh网络的物理层接入，所述802.3协议模块f用于支持工业以太网络的物理层接入，所述IP协议及地址映射模块g用于实现WiFi无线Mesh网络、ZigBee无线Mesh网络以及工业以太网络业务数据网络融合。
如图3所示，所述一种多RF矿用多功能无线Mesh网关装置的控制系统中还设置有节能控制系统，该节能控制系统设置有：
用于判断是否收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求的装置；
如果收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求，则：
用于判断系统是否处于清醒状态的装置；
如果系统处于清醒状态，则用于返回判断是否收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求的装置；
如果系统不处于清醒状态，则用于广播休眠结束命令的装置；
用于判断是否处于硬休眠状态的装置；
如果系统处于硬休眠状态，则：用于WiFi Mesh系统板通电的装置；
如果系统不处于硬休眠状态，则：用于WiFi智能接入卡使能的装置；
用于进入清醒状态并设置清醒状态标志的装置；
用于返回判断是否收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求的装置；
如果没有收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求，则：进入WiFi业务查询机构；
所述WiFi业务查询机构设置有：
用于判断WiFi业务查询周期是否到达的装置；
如果WiFi业务查询周期没有到达，则：用于返回判断是否收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求的装置；
如果WiFi业务查询周期到达，则：用于设置WiFi业务查询请求次数Q＝0的装置；
用于发起查询WiFi业务请求的装置；
用于判断是否收到多媒体业务服务器响应的装置；
如果没有收到多媒体业务服务器响应，则：用于判断请求次数Q是否大于K的装置，通常设置K＝3；
如果请求次数不大于K，则：用于设置WiFi业务查询请求次数Q＝Q+1并返回所述发起查询WiFi业务请求的装置；
如果请求次数Q大于K，则：进入硬休眠控制机构；
如果收到多媒体业务服务器响应，则：用于判断无线Mesh网络是否存在WiFi业务的装置；
如果无线Mesh网络存在WiFi业务，则：用于软、硬休眠次数计数器清零的装置；
用于返回判断是否收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求的装置；
如果无线Mesh网络不存在WiFi业务，则：用于判断软休眠次数是否大于N的装置；
如果软休眠次数不大于N，则：进入软休眠控制机构；
如果软休眠次数大于N，则：进入硬休眠控制机构；
所述软休眠控制机构设置有：
用于进入软休眠状态并设置软休眠状态标志的装置；
用于广播软休眠命令的装置；
用于软休眠次数加1的装置；
用于禁用WiFi智能接入卡的装置；
用于设置软休眠定时器初值(Ts)的装置；
用于返回判断是否收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求的装置；
所述硬休眠控制机构设置有：
用于进入硬休眠状态并设置硬休眠状态标志的装置；
用于广播硬休眠命令的装置；
用于硬休眠次数加1的装置；
用于WiFi Mesh系统板断电的装置；
用于设置硬休眠定时器初值(Th)的装置；
用于判断硬休眠次数是否大于M的装置；
如果硬休眠次数不大于M，则：用于返回判断是否收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求的装置；
如果硬休眠次数大于M，则：用于软、硬休眠次数计数器清零的装置；
用于返回判断是否收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求的装置。
本发明的工作原理是：
如图4所示，本发明所述的多RF矿用多功能无线Mesh网关装置与多功能无线Mesh路由装置及其终端设备等共同组成矿用无线Mesh网络，由于多RF矿用多功能无线Mesh网关装置具有支持多种协议的接口电路和处理系统，所以在多RF矿用多功能无线Mesh网关装置上可以连接多种矿用通信设备，包括矿用本安手机、矿用视频及图像采集终端、矿用多功能无线Mesh路由器、2.4GHz ZigBee传感器终端以及井下RFID人员定位设备等。
多RF矿用多功能无线Mesh网关装置通过TCP/IP网络与矿用网络交换机或分站连接，矿用网络交换机或分站经过井下光纤骨干网与地面局域网交换机连接，在地面局域网交换机上设置有多媒体业务服务器以及无线接入点AP，所述无线接入点AP还能通过无线链路与所述多RF矿用多功能无线Mesh网关装置进行互通。
在实际应用中，所述多RF矿用多功能无线Mesh网关装置及其控制系统主要处理的业务数据类型有：WiFi无线Mesh网络业务数据、工业以太网络业务数据、ZigBee无线Mesh网络业务数据和现场总线业务数据。
按照802.15.4协议模块c规定的各种参数要求对ZigBee通信模块进行配置，使得ZigBee传感器终端经过第一高增益全向RF天线无线接入多RF矿用多功能无线Mesh网关装置中，所述ZigBee传感器终端发送的数据为ZigBee无线Mesh网络业务数据，经过ZigBee协议模块a进行处理后可以实现多跳路由，ZigBee协议模块a处理后的数据也可以经过多协议及地址映射模块d处理后转换为IP协议数据包，IP协议数据包经过第三转换模块19后可以通过RJ45接口选通电路与工业以太网络连接，也可以通过子系统RJ第二网口25’传输到子系统2中，通过子控制器CPU 26中的IP协议及地址映射模块g的处理，最后通过子系统RJ45第一网口25与工业以太网络连接，或者是通过WiFi智能接入卡22与外部无线局域网络连接，实现了网络的数据传输。
同理，井下RFID人员定位设备传送的数据经过用户自定义协议模块b→多协议转换及地址映射模块d→IP协议及地址映射模块g→802.3协议模块f的处理后，按照TCP/IP协议标准传送到矿用网络交换机中。经过IP协议及地址映射模块g处理后的数据也可以通过802.11协议模块e的处理，最后以无线局域网WLAN的组网模式传送到地面无线接入点AP上，最终与地面局域网交换机以及多媒体服务器连接。
WiFi Mesh网络业务数据的处理主要通过子系统板2即可完成。所述矿用本安手机、矿用视频及图像采集终端以及矿用多功能无线Mesh路由器经过802.11协议模块e实现与所述矿用多功能无线Mesh网关装置的物理层接入，各种终端设备或路由设备传送的数据经过IP协议及地址映射模块g的处理后，通过802.3协议模块f即可接入到现场工业以太网络中，各种数据的处理方式以及数据传输的帧结构等技术在本领域内已经相当成熟，作为本领域内的普通技术人员应该算是公知常识，这里就不在累述。
所述节能控制系统则是根据网络中业务状态对系统的工作状态进行实时的控制，在系统内主要定义有软休眠状态、硬休眠状态以及清醒状态。所述多RF矿用多功能无线Mesh网关装置通过接入在IP网络中的多媒体业务服务器实时查询无线Mesh网络中是否存在WiFi业务请求。
首先是判断是否存在地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求，如果网关装置收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求，则检查判断是否处于清醒工作状态，如果处于清醒状态，则整个网络对相应的业务数据处理，节能控制系统不必进行节能操作。如果网络中的网关装置和下层路由装置不处于清醒状态，则网关装置将通过ZigBee Mesh网络广播休眠结束命令，路由装置收到休眠结束命令时，则自动从软休眠状态或硬休眠状态恢复到清醒状态，如果是处于硬休眠状态，则使WiFi Mesh系统板通电，如果是软休眠状态，则使WiFi智能接入卡使能，最后恢复到清醒状态并设置相应的状态标志。
所述多RF矿用多功能无线Mesh网关装置中设置有WiFi业务的查询周期，如果没有收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求，网关装置则对Mesh路由或底层WiFi终端进行周期性业务查询，在查询过程中，网关装置首先向多媒体服务器发送查询WiFi业务请求，多媒体服务器收到WiFi业务查询请求后将作出响应，如果网关装置收到WiFi业务查询请求的响应则可判断无线Mesh网络中是否存在WiFi业务，如果没有收到WiFi业务查询请求响应，网关装置则继续发送查询WiFi业务请求，多次查询仍未响应，网关装置则直接进入硬休眠状态，一般设置查询请求最大次数K为3。
如果收到多媒体业务服务器响应，并且无线Mesh网内存在WiFi业务，则网关装置将软、硬休眠次数的计数器清零，节能控制系统不进行节能操作，回到清醒状态正常处理网络中的业务数据。
如果收到多媒体业务服务器响应，但是无线Mesh网内不存在WiFi业务，则判断软休眠的次数是否大于N，设置N等于3，如果连续查询到3次无线Mesh网内不存在WiFi业务，则进入硬休眠状态，如果没有3次，则进入软休眠状态，广播软休眠命令，并将软休眠次数加1，在软休眠状态下，网关禁用WiFi智能卡的接入，并设置了软休眠的定时时间Ts，一般设为10秒。
根据上述各种判断情况，如果系统进入硬休眠状态，则网关装置广播硬休眠命令，并将硬休眠次数加1，所述网关装置中的主控制器MCU15使得WiFi Mesh系统板2断电，同时也设置有硬休眠定时时间Th，一般为60秒。
硬休眠定时过程中，主控制器MCU 15判断硬休眠次数是否大于M次，一般设M＝3，如果大于了3次，则将软、硬休眠次数计数器清零。让节能控制再从新开始。
上述的所有流程走到最后均是返回到是否收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求的判断流程中，从而实现节能控制系统的主循环过程。
在软休眠或硬休眠的过程中，主控制MCU 15能够实时监测到地面指挥中心下传的WiFi业务请求，并能够将休眠状态中的网关装置和路由装置唤醒到清醒状态来，但是在休眠的状态下，各种WiFi终端设备请求接入应急通信系统无线Mesh网络，则须等待至系统核心装置休眠结束和进入正常(清醒)工作状态时才可接入。
因为系统是周期性地对无线Mesh网络中的WiFi业务进行查询，所以根据网络在的业务状态，系统可以不停的在各个状态下自由切换，通过这样往返循环，最终达到通信节能效果。通过实验证明，采用本发明所述的节能控制系统能使得所述多RF多功能无线Mesh网关装置待机寿命时间延长可达32％。
Claims (8)
1.一种多RF矿用多功能无线Mesh网关装置，由主控系统板(1)和子系统板(2)组成，其特征在于：
所述主控系统板(1)上设置有主控制器MCU(15)，该主控制器MCU(15)的第一串口端连接有ZigBee通信模块(14)，该主控制器MCU(15)的第二串口端与串口扩展模块(17)的第零串口端连接，所述串口扩展模块(17)的第一串口端连接有第一转换模块(16)，该第一转换模块(16)的输出端口为现场总线接口，所述串口扩展模块(17)的第二串口端连接有第二转换模块(18)，该第二转换模块(18)的输出端口为RS232接口，所述串口扩展模块(17)的第三串口端连接有第三转换模块(19)，该第三转换模块(19)的输出端口为RJ45接口，所述主控制器MCU(15)上连接有电源输入选通模块(13)以及RJ45接口选通电路(19’)，所述电源输入选通模块(13)的输出端为所述子系统板(2)供电，所述RJ45接口选通电路(19’)用于控制所述第三转换模块(19)的输出端口与工业以太网接口的连接状态；
所述子系统板(2)上设置有子控制器CPU(26)，该子控制器CPU(26)经过内部总线与至少一个WiFi智能接入卡(22)连接，所述内部总线上还连接有子系统RS232串口(24)、子系统RJ45第一网口(25)以及子系统RJ45第二网口(25’)，所述子系统RS232串口(24)与所述主控系统板(1)的RS232接口连接，所述子系统RJ45第二网口(25’)与所述主控系统板(1)的RJ45接口连接，所述子系统RJ45第一网口(25)与所述工业以太网接口连接。
2.根据权利要求1所述的一种多RF矿用多功能无线Mesh网关装置，其特征在于：所述RJ45接口选通电路(19’)上设置有使能控制端口，该使能控制端口与所述主控制器MCU(15)的节能控制信号输出端口(P1.7)连接，所述RJ45接口选通电路(19’)的一个通信接口与所述第三转换模块(19)的RJ45接口连接，该RJ45接口选通电路(19’)的另一通信接口与所述工业以太网接口连接。
3.根据权利要求1所述的一种多RF矿用多功能无线Mesh网关装置，其特征在于：所述电源输入选通模块(13)上设置有电源使能控制端口，该使能控制端口与所述主控制器MCU(15)的节能控制信号输出端口连接，所述电源输入选通模块(13)的输出端为所述子系统板(2)供电。
4.根据权利要求1或3所述的一种多RF矿用多功能无线Mesh网关装置，其特征在于：在所述主控系统板(1)上还设置有大容量便携本安电源处理模块(12)和主控系统电源处理模块(11)，在子系统板(2)上还设置有子系统电源处理模块(21)，所述本安电源处理模块(12)的输入端与外界便携式直流本安电源连接，该本安电源处理模块(12)的输出端连接在所述主控系统电源处理模块(11)和电源输入选通模块(13)的输入端上；所述主控系统电源处理模块(11)的输出端为所述主控系统板(1)供电，所述电源输入选通模块(13)的输出端与所述子系统电源处理模块(21)的输入端连接，该子系统电源处理模块(21)的输出端为所述子系统板(2)的其它功能模块供电。
5.根据权利要求1所述的一种多RF矿用多功能无线Mesh网关装置，其特征在于：所述子系统板(2)的内部总线上连接有3个Mini-PCI接口(23)，每个所述Mini-PCI接口(23)插接一个所述WiFi智能接入卡(22)。
6.根据权利要求1所述的一种多RF矿用多功能无线Mesh网关装置，其特征在于：所述ZigBee通信模块(14)外接有第一高增益全向RF天线，其工作频段为2.4GHz；所述WiFi智能接入卡(22)外接有第二高增益全向RF天线，其工作频段为2.4GHz或5.8GHz。
7.一种权1所述的多RF矿用多功能无线Mesh网关装置的控制系统，其特征在于：设置硬件设备底层驱动系统、嵌入式操作系统、节能控制系统和多功能Mesh网关控制系统；
所述多功能Mesh网关控制系统由支持无线Mesh网络路由的ZigBee协议模块、用户自定义协议模块、802.15.4协议模块、多协议转换及地址映射模块、802.11协议模块、802.3协议模块以及IP协议及地址映射模块组成；
其中ZigBee协议模块和802.15.4协议模块设置在ZigBee通信模块(14)中，所述802.15.4协议模块用于支持ZigBee无线Mesh网络的物理层接入，所述ZigBee协议模块用于实现ZigBee无线Mesh网络业务数据的Mesh网络路由和多跳无线传输；
用户自定义协议模块和多协议转换及地址映射模块设置在主控制器MCU(15)中，所述用户自定义协议模块用于支持现场总线业务数据的物理层接入；
802.11协议模块、802.3协议模块以及IP协议及地址映射模块设置在子系统CPU(26)中，所述802.11协议模块用于支持WiFi无线Mesh网络的物理层接入，所述802.3协议模块用于支持工业以太网络的物理层接入，所述IP协议及地址映射模块用于实现ZigBee无线Mesh网络、WiFi无线Mesh网络以及工业以太网络业务数据的网络融合。
8.根据权利要求7所述的多RF矿用多功能无线Mesh网关装置的控制系统，其特征在于：所述节能控制系统设置有：
用于判断是否收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求的装置；
如果收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求，则：
用于判断系统是否处于清醒状态的装置；
如果系统处于清醒状态，则用于返回判断是否收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求的装置；
如果系统不处于清醒状态，则用于广播休眠结束命令的装置；
用于判断是否处于硬休眠状态的装置；
如果系统处于硬休眠状态，则：用于WiFi Mesh系统板通电的装置；
如果系统不处于硬休眠状态，则：用于WiFi智能接入卡使能的装置；
用于进入清醒状态并设置清醒状态标志的装置；
用于返回判断是否收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求的装置；
如果没有收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求，则：进入WiFi业务查询机构；
所述WiFi业务查询机构设置有：
用于判断WiFi业务查询周期是否到达的装置；
如果WiFi业务查询周期没有到达，则：用于返回判断是否收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求的装置；
如果WiFi业务查询周期到达，则：用于设置WiFi业务查询请求次数Q＝0的装置；
用于发起查询WiFi业务请求的装置；
用于判断是否收到多媒体业务服务器响应的装置；
如果没有收到多媒体业务服务器响应，则：用于判断请求次数Q是否大于K的装置；
如果请求次数不大于K，则：用于设置WiFi业务查询请求次数Q＝Q+1并返回所述发起查询WiFi业务请求的装置；
如果请求次数大于K，则：进入硬休眠控制机构；
如果收到多媒体业务服务器响应，则：用于判断无线Mesh网络是否存在WiFi业务的装置；
如果无线Mesh网络存在WiFi业务，则：用于软、硬休眠次数计数器清零的装置；
用于返回判断是否收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求的装置；
如果无线Mesh网络不存在WiFi业务，则：用于判断软休眠次数是否大于N的装置；
如果软休眠次数不大于N，则：进入软休眠控制机构；
如果软休眠次数大于N，则：进入硬休眠控制机构；
所述软休眠控制机构设置有：
用于进入软休眠状态并设置软休眠状态标志的装置；
用于广播软休眠命令的装置；
用于软休眠次数加1的装置；
用于禁用WiFi智能接入卡的装置；
用于设置软休眠定时器初值的装置；
用于返回判断是否收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求的装置；
所述硬休眠控制机构设置有：
用于进入硬休眠状态并设置硬休眠状态标志的装置；
用于广播硬休眠命令的装置；
用于硬休眠次数加1的装置；
用于WiFi Mesh系统板断电的装置；
用于设置硬休眠定时器初值的装置；
用于判断硬休眠次数是否大于M的装置；
如果硬休眠次数不大于M，则：用于返回判断是否收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求的装置；
如果硬休眠次数大于M，则：用于软、硬休眠次数计数器清零的装置；
用于返回判断是否收到地面应急指挥中心服务器WiFi业务请求的装置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C56 | Change in the name or address of the patentee |
Owner name: CHINA COAL TECHNOLOGY ENGINEERING GROUP CHONGQING Free format text: FORMER NAME: CHINA COAL SCIENCE AND INDUSTRY GROUP CHONGQING RESEARCH INSTITUTE Owner name: CHINA COAL SCIENCE AND INDUSTRY GROUP CHONGQING RE Free format text: FORMER NAME: COAL SCIENTIFIC RESEARCH INSTITUTE CHONGQING INSTITUTE |
|
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 400037, No. three village, 55 bridge, Shapingba District, Chongqing Patentee after: Chongqing Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corp. Address before: 400037, No. three village, 55 bridge, Shapingba District, Chongqing Patentee before: Chongqing Institute of Coal Science Research Institute |
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| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 400039 Chongqing Jiulongpo Branch City Road No. 6 Patentee after: CHONGQING RESEARCH INSTITUTE CO., LTD. OF CHINA COAL TECHNOLOGY & ENGINEERING Group Address before: 400037, No. three village, 55 bridge, Shapingba District, Chongqing Patentee before: Chongqing Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corp. |