漏泄电缆 漏泄电缆是一种屏蔽层上开有许多八字形或轴向槽的同轴电缆,电磁波可以通过槽"漏"进 或"漏"出从而实现设备的离线通信,常用于矿井,隧道等环境中移动人员及设备的通信. 2.2 定位系统原理 定位系统由监控主机,定位器,RFID 卡和漏泄电缆组成.如图 3 所示.
井上 以 太 网 监控 主机 接 口 井下 漏泄电缆
定位器
RFID 卡
图 3 采用漏泄电缆的 RFID 定位系统 本系统有两种不同的定位原理, 第一种和前述的系统原理相同, 只是用漏泄电缆替代了通信 总线,RFID 卡与定位器通信,定位器通过漏泄电缆与监控主机通信.由于漏泄电缆带宽大,定 位器不需进行冗余信息的处理. 采用漏泄电缆的系统还可以采用另外一种原理:定位器仅为 RFID 卡提供位置信息(定位器
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的编号) 但不和监控主站通信. , 而是由 RFID 卡从定位器取得位置信息后连同卡的标识直接通过 漏泄电缆发给监控主机.
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3.1
基于 ZigBee 技术的定位系统
ZigBee 网络协议 ZigBee 无线网技术是由 ZigBee 联盟于 2004 年底发布的一个服务于简单任务无线控制的低 速无线网络协议标准,可用于工业控制,建筑物自动化,家庭自动化,消费电子产品,安防,病 人监护,计算机外围设备等领域.如图 4 所示.
应用层( APL ) 应用架构 应用对象 1 应用对象 2 ZigBee 设备对象
( ZDO )
应用支持子层( APS ) APS 安全管理 APS 报文调度 APS 发射器管理
ZDO 管 理 平
网络层( NWK ) NWK 安全管理 NWK 报文调度 NWK 路由管理 NWK 网络管理
台
媒体访问控制层( MAC ) 物理层( PHY ) 868/915MHz
2.4GHz
图 4 ZigBee 协议 ZigBee 协议的物理层,MAC(媒体访问控制子层)和逻辑链路子层采用 IEEE 802.15.4 标准, 网络控制层和应用层由 ZigBee 联盟定义. 物理层规定了无线网的使用频段为 2.45GHz,915MHz 和 868MHz,各频段分别具有 16,10 和 1 个频道,各频段的数据传输速率分别为 250,40 和 20Kbps,调制方式分别为 OQPSK(偏移四相 相移键控) ,BPSK(两相相移键控)和 BPSK.网络拓扑为星形或点对点. 物理层的功能还包括:激活和休眠射频收发器,信道能量检测,信道接收数据包的链路质量 指示,频道选择,收发数据等. MAC 子层采用 CSMA-PA(载波侦听多路访问-冲突避免)协议,功能具体包括:如果是网络协 调器则生成网络信标帧, 普通设备根据协调器的信标帧与协调器同步; 支持 PAN (个人区域网络) 的关联和取消关联;支持无线信道的通信安全;为媒体访问使用 CSMA-CA 机制;处理和维护保护 时隙(GTS)机制;提供两个节点的 MAC 实体之间的可靠传输等. LLC 子层功能包括:传输可靠性保障和控制;数据包的分段与重组;数据包的顺序传输等. 网络层有网络层数据实体和管理实体,分别提供数据服务和管理服务.数据服务包括:通过 在应用支持子层的 PDU(协议数据单元)加上一个适当的协议头来生成网络层 PDU;选择路由, 将一个网络层 PDU 发送到最终目的地或通向最终目的地的下一跳. 管理服务包括: 配置网络设备; 建立新网络;连接或脱离一个网络;使协调器或路由器对设备编址以便加入网络;发现路由;当
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一个设备被激活时使 MAC 子层同步,接受该设备.
协 器(全 能 备 ) 调 功 设 路 器(全 能 备 ) 由 功 设 端 备(简 功 设 ) 设 化 能 备 端 备(全 能 备 ) 设 功 设 星 连 形 接 网 连 形 接
图 5 ZigBee 网络结构 应用层包括应用支持子层,应用架构,ZigBee 设备对象和制造商定义的应用对象. 3.2 ZigBee 网络结构 ZigBee 网络拓扑可以是星形,树形或网形(图 5) .网络中有 3 种不同类型的设备. ① 网络协调器:实现自组网,维护网络的运行,是功能最强的网络设备. ② 全功能设备: 具有 802.15.4 协议的完全的功能和所有特点, 可作为网络路由器或与大网 络连接的边缘设备. ③ 简化功能设备:具有有限的功能以降低成本和复杂性,作一般用途的网络边缘设备. 在一个区域网络中只有一个网络协调器(主设备) ,最大网络客户节点数为 65536 个. 3.3 基于 ZigBee 技术的定位系统原理 前述的两种方案中,无线收发器只能完成点对点通信,自身没有组网功能,必须依靠有线网 络或漏泄电缆组成网络. ZigBee 具有自组网能力, 而 定位系统可以完全由 ZigBee 设备组成一个 无线网络,也可以用有线干线(例如光纤以太网)加多个无线 ZigBee 子网组成系统.人员携带 的识别卡是 ZigBee 网络的端设备.在井下按有效的传输距离布置路由器(定位器) ,识别卡的识 别信息将沿着路由器一级接一级传递到井上(图 6) .典型的支持 802.15.4 协议的 2.4GHz 收发 器芯片的发射功率为 0dBm,接收灵敏度为-94dBm,在井下的直线传输距离可达 200m. 802.15.4 协议支持信号强度检测,芯片中有一个接收信号强度指示器,指示所收到的无线 信号的强度并可据此计算出连接质量指示值 (LQI) 根据连接质量可以计算识别卡到定位器之间 . 的距离,从而实现精确到几米的定位.在井下无线信号传输环境比较复杂的情况下,加上识别卡 的移动及天线方向的不断改变,LQI 会不断波动,因此必须引入适当的算法进行校正. 3.4 增大传输距离 增加发射方的发射功率或提高接收方的接收灵敏度都可以增大传输距离,但都会增大功耗. 为了保持识别卡的低功耗,可以仅增大定位器的发射功率同时提高其接收灵敏度来增大传输距 离,增加输入信号放大器和发射功率放大器可以达到这一目的.

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