CN110937356A - 一种深井长距离运输皮带无线通信装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深井长距离运输皮带无线通信装置及方法，将较少的ZigBee节点分布设置在巷道的墙壁上，然后将WiFi设备随着运输皮带移动，从而使其能依次经过各个ZigBee节点附近时与其进行通信，完成各个ZigBee节点的数据采集工作；由于能对ZigBee与WiFi进行相互转换，实现WiFi设备与ZigBee节点之间的相互通信，因此无需网关设备；并且WiFi设备随着皮带往复运动，与各个ZigBee节点通信时均为最近距离，从而能有效保证对各个ZigBee节点之间的通信质量；因此本发明在保证信号传输效率的情况下，能有效降低成本，同时便于安装使用。

Description

一种深井长距离运输皮带无线通信装置及方法

技术领域

本发明涉及一种井下无线通信装置及方法，具体是一种深井长距离运输皮带无线通信装置及方法。

背景技术

井下通信技术对煤矿企业的管理模式和生产方式有着深刻的影响，如今有线通信与无线通信的高速发展使井下通信技术所涵盖的范围十分广泛。但煤炭生产过程中，井下工作环境的多样性，如高温、高湿、高粉尘等都会增加通信设备部署的难度。

其中有线的通信设备在井下受到的制约很多，因为特殊的地形很多地方都无法部署，高湿、高温的环境会使有线设备的电缆维修成本变得更高。

目前无线通信设备有可见光、蓝牙、ZigBee等。可见光设备多用于定位且因为矿下多粉尘的原因造成精度不准。传统的单ZigBee定位系统采用电池供电，但是电池使用寿命较短，并且需要部署的通信节点数量庞大，从而造成所需要的成本也会变高。另外井下无线信号由于受到井下环境影响，导致其衰减非常厉害，常用的无线设备在矿下的实际通信距离会大幅度下降，从而使得传输的效率也较低；因此井下如果想要实现大范围无线通信，需要部署密集的通信节点才可以完成。

综上所述，上述方法存在如下缺陷：

1.在井下复杂环境下信号传输效率低，设备部署难度大；

2.单一无线通信设备的信号发送距离短，需要部署大量节点，导致设备成本高，同时其传输过程不够稳定；

3.原有的无线异构设备通信需要部署网关设备，使其灵活性差。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种深井长距离运输皮带无线通信装置及方法，无需设置网关设备，仅需较少的ZigBee节点和移动的WiFi设备即能在保证信号传输效率的情况下进行通信，从而不仅有效降低成本，而且也能便于安装。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种深井长距离运输皮带无线通信装置，包括：

采集模块：ZigBee节点作为采集模块，将ZigBee节点安装在巷道的墙壁上，使用电池供电，ZigBee节点采集井壁周围的信息，包括温度和湿度信息；

信号传输模块：在皮带动力装置的运输皮带一侧安装从动皮带，然后将WiFi设备固定在从动皮带上，WiFi设备中的信号传输模块用来获取节点发送的信号或向节点发送采集信息的信号；

信号转化模块：当WiFi设备向ZigBee节点发送信号通过WiFi设备的信号转化模块将WiFi信号转化成ZigBee信号，WiFi设备接收ZigBee节点的信息时通过WiFi设备的信号转化模块将ZigBee信号转化为WiFi信号；

存储模块，WiFi设备将接收到各个节点的信息存储在WiFi设备的存储模块上，工作人员根据需要读取信息。

一种深井长距离运输皮带无线通信装置的通信方法，具体步骤为：

1)在井下巷道壁部署多个ZigBee节点采集井下信息，在皮带动力装置的运输皮带一侧安装从动皮带，然后将WiFi设备固定在从动皮带上，使WiFi设备随着运输皮带移动；

2)WiFi设备模拟ZigBee信号，用于向巷道壁上的ZigBee节点建立通信；

3)将模拟好的ZigBee信号封装成WiFi信号，然后WiFi设备向ZigBee节点发送信号；

4)ZigBee节点接收WiFi信号并进行解码；

5)ZigBee节点根据解码后的信息，向WiFi设备发送采集到相应的信息；

6)WiFi设备将接收到的ZigBee信号进行解码，并将解码后的信息存储在硬盘中。

进一步，所述步骤2)中WiFi设备模拟ZigBee信号具体步骤为：

2.1)首先设定所需要发送的ZigBee数据，并把ZigBee数据封装成能被ZigBee设备识别的时域波形；

2.2)使用基于循环前缀前的拆分优化对时域波形进行处理，得到同步码序列最优的时域波形，循环前缀的主要过程是复制符号的尾部，并将该复制部分覆盖到符号的前端，形成一个新的符号，来消除符号间干扰；

具体过程为：

2.2.1)对ZigBee数据进行前导码检测，得到数据的同步；假设数据的同步码序列为：

Sym＝{x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆} (1)

2.2.2)对得到的数据同步码进行拆分，枚举并记录下所有可能出现的序列情况；

2.2.3)编码所有序列形成的有限个同步码组合，使用贪心算法筛选出所有序列排列中最优的一个序列用于数据的发送；具体步骤如下：

①对每个序列进行CP处理，得到处理后的序列和功率函数，分别如下所示，其中N为符号长度，L为使用CP部分的长度；

②将得到的R(kn)和P(kn)分别与初始同步码进行对比，获得处理后序列的CP错误差序列CC(n)和功率差序列PC(n)分别如公式(4)和(5)所示，其中△CP(kn)表示各序列具有的CP错误与原始序列的差值，△P(kn)表示处理后序列的功率与原始序列的差值；根据CC(n)和PC(n)，使用贪心算法选择△CP(kn)尽可能小，同时△P(kn)尽可能大的最优序列用于发送；

CC(n)＝{ΔCP(k₁),ΔCP(k₂),ΔCP(k₃),ΔCP(k₄),...,ΔCP(k_n)} (4)

PC(n)＝{ΔP(k₁),ΔP(k₂),ΔP(k₃),ΔP(k₄),...,ΔP(k_n)} (5)

2.3)时域波形经过快速傅里叶变换后进行量化处理，把时域波形映射为一系列的星座点；傅里叶变换的典型公式如下所示：

2.4)经过FFT处理后得到的星座点与预设的星座点进行比较筛选，选择与预设星座点总欧几里德距离最小的星座点；得到可控制相应ZigBee数据的星座点；其中计算两星座点之间的欧几里得距离的典型公式如下所示：

2.5)将步骤2.4)中筛选出的星座点通过星座映射表得到相应的编码位；

2.6)将步骤2.5)中获得的编码位通过编码位映射表得到相应的具有模拟ZigBee信号的WiFi数据。

由于执行循环前缀操作时会导致信号的初始段与末段相同；通过上述过程能防止模拟ZigBee信号使用循环前缀会导致模拟信号前端发生失真现象发生。

进一步，所述步骤4)的具体解码过程为：

将接收到的WiFi波形变频到基带，并使用模数转换器将其数字化为同相和正交信号I/Q进行采样，其中连续I/Q样本之间的相移用于解调ZigBee信号，两个连续复杂样本s(n)和s(n-1)之间的相移p(n)的计算公式如公式所示：

p(n)＝arctan(s(n)×s^*(n-1)) (8)

如果相移大于0，则ZigBee输出码片值为1，否则输出码片值为0，在收集32个码片之后，ZigBee根据直接序列扩频处理中的预定义的码片间扩展关系将这些码片映射在ZigBee设备上以获得ZigBee帧，完成解码过程。

进一步，所述步骤5)的具体过程为：

5.1)ZigBee节点将要传输的数据以4比特为单位进行转换，转换后数据称为符号(因此范围为0到F)，然后根据设定的编码表使用直接序列扩频技术将每个符号映射到唯一对应的32个码片序列；

5.2)将得到的32个码片分成奇数码片和偶数码片，其中码片0和1分别被转换为正半正弦脉冲和负半正弦脉冲，它们都是连续的正弦曲线，并且指定从奇数码片产生的脉冲为同相信号；

5.3)将来自偶数码片的脉冲延迟0.5us的半脉冲持续时间，得到新的脉冲信号，并指定其为正交信号；

5.4)把得到的同相正交信号(即I/Q信号)进行合并，并且通过DAC转换将其转换为模拟连续波形，最后使用混频器将基带信号移位到载波频率(即通带)，然后将载波频率推送到天线进行传输。

进一步，所述步骤6)的具体过程为：

6.1)由于ZigBee与WiFi的频率重叠，故所发送的ZigBee信号能流入WiFi RF前端。在混频器中将该信号移位到基带并以20Msps或更高速率将其采样到数字域，然后样本被送入空闲监听；

6.2)在搜索WiFi分组时，空闲监听通过公式(9)计算16个样本之间的相位差(即∠p[n])，从而完成连续处理包括ZigBee在内的任何输入信号，而WiFi信号以短训练序列(STS)为前缀，STS是一系列重复信号，其间隔为16个样本(即0.8μs)，总持续时间为160个样本；即仅当∠p[n]＝0时才进行WiFI分组，然后把分组信号进行解调，完成解码后存储到WiFi设备的硬盘中；

与现有技术相比，本发明采用ZigBee节点与WiFi设备相结合，ZigBee节点分布设置在巷道的墙壁上，然后将WiFi设备随着运输皮带移动，从而使其能依次经过各个ZigBee节点附近时与其进行通信，完成各个ZigBee节点的数据采集工作；由于能对ZigBee与WiFi进行相互转换，因此无需网关；并且WiFi设备随着皮带往复运动，与各个ZigBee节点通信时均为最近距离，从而能有效保证对各个ZigBee节点之间的通信质量；因此本发明具有如下优点：

1、在井下使用无线通信的方式进行井下数据收集，ZigBee节点与WiFi设备两种异构设备间通信可以综合两个无线设备的优点，使信息传输效率提高。

2、使用循环前缀的方法解决无线异构设备通信需要增加网关的问题，大大减少了设备部署的难度与成本。

3、使用WiFi设备随着皮带往复移动接收ZigBee节点的信息极大的提高了通信距离，减少了ZigBee节点的部署，使通信更加稳定，减少了成本。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明中装置的安装布设示意图；

图3是图2的俯视图。

图中：1、ZigBee节点，2、皮带动力装置，3、WiFi设备，4、从动皮带。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

如图2和图3所示，一种深井长距离运输皮带无线通信装置，包括：

采集模块：ZigBee节点1作为采集模块，将ZigBee节点1安装在巷道的墙壁上，使用电池供电，ZigBee节点1采集井壁周围的信息，包括温度和湿度信息；

信号传输模块：在皮带动力装置2的运输皮带一侧安装从动皮带4，然后将WiFi设备3固定在从动皮带4上，WiFi设备3中的信号传输模块用来获取节点发送的信号或向节点发送采集信息的信号；

信号转化模块：当WiFi设备3向ZigBee节点1发送信号通过WiFi设备3的信号转化模块将WiFi信号转化成ZigBee信号，WiFi设备3接收ZigBee节点1的信息时通过WiFi设备3的信号转化模块将ZigBee信号转化为WiFi信号；

存储模块，WiFi设备3将接收到各个节点的信息存储在WiFi设备3的存储模块上，工作人员根据需要读取信息。

如图1所示，一种深井长距离运输皮带无线通信装置的通信方法，具体步骤为：

1)在井下巷道壁部署多个ZigBee节点1采集井下信息，在皮带动力装置2的运输皮带一侧安装从动皮带4，然后将WiFi设备3固定在从动皮带4上，使WiFi设备3随着运输皮带移动；

2)WiFi设备3模拟ZigBee信号，用于向巷道壁上的ZigBee节点1建立通信；具体步骤为：

2.1)首先设定所需要发送的ZigBee数据，并把ZigBee数据封装成能被ZigBee设备识别的时域波形；

2.2)使用基于循环前缀前的拆分优化对时域波形进行处理，得到同步码序列最优的时域波形，循环前缀的主要过程是复制符号的尾部，并将该复制部分覆盖到符号的前端，形成一个新的符号，来消除符号间干扰；

具体过程为：

2.2.1)对ZigBee数据进行前导码检测，得到数据的同步；假设数据的同步码序列为：

Sym＝{x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆} (1)

2.2.2)对得到的数据同步码进行拆分，枚举并记录下所有可能出现的序列情况；

2.2.3)编码所有序列形成的有限个同步码组合，使用贪心算法筛选出所有序列排列中最优的一个序列用于数据的发送；具体步骤如下：

①对每个序列进行CP处理，得到处理后的序列和功率函数，分别如下所示，其中N为符号长度，L为使用CP部分的长度；

②将得到的R(kn)和P(kn)分别与初始同步码进行对比，获得处理后序列的CP错误差序列CC(n)和功率差序列PC(n)分别如公式(4)和(5)所示，其中△CP(kn)表示各序列具有的CP错误与原始序列的差值，△P(kn)表示处理后序列的功率与原始序列的差值；根据CC(n)和PC(n)，使用贪心算法选择△CP(kn)尽可能小，同时△P(kn)尽可能大的最优序列用于发送；

CC(n)＝{ΔCP(k₁),ΔCP(k₂),ΔCP(k₃),ΔCP(k₄),...,ΔCP(k_n)} (4)

PC(n)＝{ΔP(k₁),ΔP(k₂),ΔP(k₃),ΔP(k₄),...,ΔP(k_n)} (5)

2.3)时域波形经过快速傅里叶变换后进行量化处理，把时域波形映射为一系列的星座点；傅里叶变换的典型公式如下所示：

2.4)经过FFT处理后得到的星座点与预设的星座点进行比较筛选，选择与预设星座点总欧几里德距离最小的星座点；得到可控制相应ZigBee数据的星座点；其中计算两星座点之间的欧几里得距离的典型公式如下所示：

2.5)将步骤2.4)中筛选出的星座点通过星座映射表得到相应的编码位；

2.6)将步骤2.5)中获得的编码位通过编码位映射表得到相应的具有模拟ZigBee信号的WiFi数据。

由于执行循环前缀操作时会导致信号的初始段与末段相同；通过上述过程能防止模拟ZigBee信号使用循环前缀会导致模拟信号前端发生失真现象发生。

3)将模拟好的ZigBee信号封装成WiFi信号，然后WiFi设备3向ZigBee节点1发送信号；

4)ZigBee节点1接收WiFi信号并进行解码；具体解码过程为：

将接收到的WiFi波形变频到基带，并使用模数转换器将其数字化为同相和正交信号I/Q进行采样，其中连续I/Q样本之间的相移用于解调ZigBee信号，两个连续复杂样本s(n)和s(n-1)之间的相移p(n)的计算公式如公式所示：

p(n)＝arctan(s(n)×s^*(n-1)) (8)

如果相移大于0，则ZigBee输出码片值为1，否则输出码片值为0，在收集32个码片之后，ZigBee根据直接序列扩频处理中的预定义的码片间扩展关系将这些码片映射在ZigBee设备上以获得ZigBee帧，完成解码过程。

5)ZigBee节点1根据解码后的信息，向WiFi设备3发送采集到相应的信息；具体过程为：

5.1)ZigBee节点1将要传输的数据以4比特为单位进行转换，转换后数据称为符号(因此范围为0到F)，然后根据设定的编码表使用直接序列扩频技术将每个符号映射到唯一对应的32个码片序列；

5.2)将得到的32个码片分成奇数码片和偶数码片，其中码片0和1分别被转换为正半正弦脉冲和负半正弦脉冲，它们都是连续的正弦曲线，并且指定从奇数码片产生的脉冲为同相信号；

5.3)将来自偶数码片的脉冲延迟0.5us的半脉冲持续时间，得到新的脉冲信号，并指定其为正交信号；

5.4)把得到的同相正交信号(即I/Q信号)进行合并，并且通过DAC转换将其转换为模拟连续波形，最后使用混频器将基带信号移位到载波频率(即通带)，然后将载波频率推送到天线进行传输。

6)WiFi设备3将接收到的ZigBee信号进行解码，并将解码后的信息存储在硬盘中；具体过程为：

6.1)由于ZigBee与WiFi的频率重叠，故所发送的ZigBee信号能流入WiFi RF前端。在混频器中将该信号移位到基带并以20Msps或更高速率将其采样到数字域，然后样本被送入空闲监听；

6.2)在搜索WiFi分组时，空闲监听通过公式(9)计算16个样本之间的相位差(即∠p[n])，从而完成连续处理包括ZigBee在内的任何输入信号，而WiFi信号以短训练序列(STS)为前缀，STS是一系列重复信号，其间隔为16个样本(即0.8μs)，总持续时间为160个样本；即仅当∠p[n]＝0时才进行WiFI分组，然后把分组信号进行解调，完成解码后存储到WiFi设备3的硬盘中；

Claims (6)

1.一种深井长距离运输皮带无线通信装置，其特征在于，包括：

采集模块：ZigBee节点作为采集模块，将ZigBee节点安装在巷道的墙壁上，使用电池供电，ZigBee节点采集井壁周围的信息，包括温度和湿度信息；

信号传输模块：在皮带动力装置的运输皮带一侧安装从动皮带，然后将WiFi设备固定在从动皮带上，WiFi设备中的信号传输模块用来获取节点发送的信号或向节点发送采集信息的信号；

信号转化模块：当WiFi设备向ZigBee节点发送信号通过WiFi设备的信号转化模块将WiFi信号转化成ZigBee信号，WiFi设备接收ZigBee节点的信息时通过WiFi设备的信号转化模块将ZigBee信号转化为WiFi信号；

存储模块，WiFi设备将接收到各个节点的信息存储在WiFi设备的存储模块上，工作人员根据需要读取信息。

2.一种利用权利要求1所述深井长距离运输皮带无线通信装置的通信方法，其特征在于，具体步骤为：

1)在井下巷道壁部署多个ZigBee节点采集井下信息，在皮带动力装置的运输皮带一侧安装从动皮带，然后将WiFi设备固定在从动皮带上，使WiFi设备随着运输皮带移动；

2)WiFi设备模拟ZigBee信号，用于向巷道壁上的ZigBee节点建立通信；

3)将模拟好的ZigBee信号封装成WiFi信号，然后WiFi设备向ZigBee节点发送信号；

4)ZigBee节点接收WiFi信号并进行解码；

5)ZigBee节点根据解码后的信息，向WiFi设备发送采集到相应的信息；

6)WiFi设备将接收到的ZigBee信号进行解码，并将解码后的信息存储在硬盘中。

3.根据权利要求2所述深井长距离运输皮带无线通信装置的通信方法，其特征在于，所述步骤2)中WiFi设备模拟ZigBee信号具体步骤为：

2.1)首先设定所需要发送的ZigBee数据，并把ZigBee数据封装成能被ZigBee设备识别的时域波形；

2.2)使用基于循环前缀前的拆分优化对时域波形进行处理，得到同步码序列最优的时域波形，具体过程为：

2.2.1)对ZigBee数据进行前导码检测，得到数据的同步；假设数据的同步码序列为：

Sym＝{x₁,x₂,x₃,x₄,x₅,x₆} (1)

2.2.2)对得到的数据同步码进行拆分，枚举并记录下所有可能出现的序列情况；

2.2.3)编码所有序列形成的有限个同步码组合，使用贪心算法筛选出所有序列排列中最优的一个序列用于数据的发送；具体步骤如下：

①对每个序列进行CP处理，得到处理后的序列和功率函数，分别如下所示，其中N为符号长度，L为使用CP部分的长度；

②将得到的R(kn)和P(kn)分别与初始同步码进行对比，获得处理后序列的CP错误差序列CC(n)和功率差序列PC(n)分别如公式(4)和(5)所示，其中△CP(kn)表示各序列具有的CP错误与原始序列的差值，△P(kn)表示处理后序列的功率与原始序列的差值；根据CC(n)和PC(n)，使用贪心算法选择△CP(kn)尽可能小，同时△P(kn)尽可能大的最优序列用于发送；

CC(n)＝{ΔCP(k₁),ΔCP(k₂),ΔCP(k₃),ΔCP(k₄),...,ΔCP(k_n)} (4)

PC(n)＝{ΔP(k₁),ΔP(k₂),ΔP(k₃),ΔP(k₄),...,ΔP(k_n)} (5)

2.3)时域波形经过快速傅里叶变换后进行量化处理，把时域波形映射为一系列的星座点；傅里叶变换的典型公式如下所示：

2.4)经过FFT处理后得到的星座点与预设的星座点进行比较筛选，选择与预设星座点总欧几里德距离最小的星座点；得到可控制相应ZigBee数据的星座点；其中计算两星座点之间的欧几里得距离的典型公式如下所示：

2.5)将步骤2.4)中筛选出的星座点通过星座映射表得到相应的编码位；

2.6)将步骤2.5)中获得的编码位通过编码位映射表得到相应的具有模拟ZigBee信号的WiFi数据。

4.根据权利要求2所述深井长距离运输皮带无线通信装置的通信方法，其特征在于，所述步骤4)的具体解码过程为：

将接收到的WiFi波形变频到基带，并使用模数转换器将其数字化为同相和正交信号I/Q进行采样，其中连续I/Q样本之间的相移用于解调ZigBee信号，两个连续复杂样本s(n)和s(n-1)之间的相移p(n)的计算公式如公式所示：

p(n)＝arctan(s(n)×s^*(n-1)) (8)

如果相移大于0，则ZigBee输出码片值为1，否则输出码片值为0，在收集32个码片之后，ZigBee根据直接序列扩频处理中的预定义的码片间扩展关系将这些码片映射在ZigBee设备上以获得ZigBee帧，完成解码过程。

5.根据权利要求2所述深井长距离运输皮带无线通信装置的通信方法，其特征在于，所述步骤5)的具体过程为：

5.1)ZigBee节点将要传输的数据以4比特为单位进行转换，转换后数据称为符号，然后根据设定的编码表使用直接序列扩频技术将每个符号映射到唯一对应的32个码片序列；

5.2)将得到的32个码片分成奇数码片和偶数码片，其中码片0和1分别被转换为正半正弦脉冲和负半正弦脉冲，它们都是连续的正弦曲线，并且指定从奇数码片产生的脉冲为同相信号；

5.3)将来自偶数码片的脉冲延迟0.5us的半脉冲持续时间，得到新的脉冲信号，并指定其为正交信号；

5.4)把得到的同相正交信号进行合并，并且通过DAC转换将其转换为模拟连续波形，最后使用混频器将基带信号移位到载波频率，然后将载波频率推送到天线进行传输。

6.根据权利要求2所述深井长距离运输皮带无线通信装置的通信方法，其特征在于，所述步骤6)的具体过程为：

6.1)由于ZigBee与WiFi的频率重叠，故所发送的ZigBee信号能流入WiFi RF前端。在混频器中将该信号移位到基带并以20Msps或更高速率将其采样到数字域，然后样本被送入空闲监听；

6.2)在搜索WiFi分组时，空闲监听通过公式(9)计算16个样本之间的相位差(即∠p[n])，从而完成连续处理包括ZigBee在内的任何输入信号，而WiFi信号以短训练序列为前缀，STS是一系列重复信号，其间隔为16个样本，总持续时间为160个样本；即仅当∠p[n]＝0时才进行WiFI分组，然后把分组信号进行解调，完成解码后存储到WiFi设备的硬盘中；

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