室内无线通信网络分布系统设计研究——井下5G网络与ZigBee融合组网技术的应用

白振昊，杜爽

（山东师范大学，山东 济南 250358）

0 引 言

煤炭是我国重要的化石能源和化工原料，为社会发展提供源源不断的能源，在能源发展战略中始终占据主导地位，对国民经济的发展发挥着举足轻重的作用。可以说，煤炭资源的产量与我国国民经济的发展息息相关，因此构建一个合理的无线通信系统对提高煤炭资源的产量、推动井下作业的智能化发展具有十分重要的意义。

由于井下环境既恶劣又复杂，使得井下传感器数据的传输非常困难。当前煤炭工业的无线通信网络多采用无线Mesh网络，但每次收发数据都会有一定的延迟，多次收发数据之后延迟会大大增加，由于井下的特殊环境对实时性的要求比较高，所以Mesh网络更适合井上作业，并不适用于井下作业。

每一种无线通信技术都有它的不足之处，所以仅使用某一种无线通信网络技术很难解决井下信号全覆盖的问题。2020年中央经济工作会议确定，要大力发展数字经济，加大新型基础设施投资力度。这意味着“数字中国”迎来了新的发展机遇，融合组网技术在此情境下应运而生。融合组网为企业数字化、网络化、智能化转型提供了可靠的基础连接，克服了“单张网络”的缺陷，将多个通信网络的优势结合起来，以“一张网络”的优势弥补“另一张网络”的不足，满足当下及未来不同业务应用场景的需求，能够大幅度提高企业的生产与经营效率。

1 技术概述

为解决上面提出的问题，也就是提高井下严苛环境中的作业效率，采用5G网络与ZigBee融合组网技术，本文提出一个无线网络通信系统的设计方案。下文分析使用所选技术的原因：

（1）相较于其他无线通信网络技术，ZigBee具有功耗小、时延短、网络容量大、待机时间长等特点，很适合恶劣环境下的长时间作业。采用ZigBee技术搭建传感器网络，通过传感器采集数据后，再由节点进行数据的收发，可以实现远程监控井下环境数据的功能。然而，由于ZigBee技术采用的是ISM频段中的2.4G频率，衍射能力弱，穿透能力差，抗干扰性差，覆盖范围小，且ZigBee的协议目前还没有开源，通信距离较短，因此仅仅使用ZigBee网络来搭建井下无线传感网络困难重重。ZigBee的优势如图1所示。

图1 ZigBee技术的优点

（2）相较于其他无线通信技术，5G的带宽大、容量大、速度快，理论上的速度高达20 Gbps。5G技术是在4G技术基础上的扩展延伸，是无线通信技术的演进。相较于其他无线网络通信技术，5G的优势在于有效提高了无线覆盖性能，提高了网络系统的利用率。但是随着数据处理量的增大，5G网络消耗的能源显著提高，并且覆盖同一个区域所需的5G基站数量远远超过4G基站的数量，因此5G的建设成本比较高。5G通信技术的优势如图2所示。

图2 5G通信技术的优点

（3）融合组网技术有利于减少基建的投入，大大精简网络管理架构，降低通信系统开发和维护的成本，无线通信网络的性能和质量大幅提高，同时资源的利用和分配效率也得到进一步的提高。本文结合运用当下流行的5G技术和成熟完善的ZigBee技术，ZigBee/5G融合组网技术弥补了ZigBee技术在传播距离和传播速度上的不足，ZigBee成本低廉也弥补了5G技术建设成本高昂的弊端。在此基础上完成井下无线通信网络的搭建工作，可以有效提高煤矿网络的稳定性和实用性，融合组网技术的优势如图3所示。

图3 融合组网技术的优点

2 系统架构

针对井下恶劣的工作环境，本文设计一款基于5G网络与ZigBee融合组网技术的煤矿智能化监测系统，该系统是一个软硬协同设计的综合监测系统，下文将从硬件部分和软件部分两个方面展开介绍。

硬件部分是以ZigBee为核心的无线传感网络，包含DS18B20温度传感器、QT-MQ-135有毒气体传感器、MPU6050加速度传感器等部件。其主要功能是采集井下的温湿度、有害气体的浓度、井下施工人员的位置信息以及该区域的作业人数等数据。ZigBee无线传感网络的路由设备使用的是F8434工业级ZigBee路由器，F8434是3GWCDMZigbee路由器，也是一种物联网无线传输的网络产品，通过ZigBee网络与3G（WCDMA）网络的完美结合为用户提供无线数据传输功能。终端设备以将ARM和RF进行异构的ZYNQ开发板作为核心部件，在这个终端设备上部署Linux操作系统，在上面运行终端设备机的代码，并配备6英寸的OLED屏，进行图形化界面的展示。

软件部分则根据ZigBee的网络拓扑结构分成三个部分：协调器、路由器、终端设备，如图4所示。协调器设备使用的是由C#开发的WinForm窗体应用，用于汇总和显示每个节点的数据；路由器节点设备则是固定在井下矿道里的路由器设备，负责将从终端设备中收集来的数据发送给协调器设备；终端设备则是每个矿工身上携带的便携式通信模块，上面集成了有毒气体传感器和陀螺仪等，每隔一段时间就会自动对数据进行打包，然后发送给与此终端设备距离最近的路由器节点设备，路由器接收到信息后将接收到的信息与所携带传感器检测到的信息进行打包，发送给井上的协调器设备，由协调器设备进行最终的数据分析和处理。

图4 ZigBee的网络拓扑结构

PC监控设备系统为Windows操作系统，需要安装有.NET Framework 4.0，使用的软件为C#开发的上位机软件。目前实现的功能有：支持已进入数据库的用户进行登录验证、按经纬度查询井下具体位置的环境信息、实时动态刷新环境信息。目前上位机软件显示的环境信息有：温度、湿度、有害气体（CO）浓度、该位置的作业人数。PC监控设备软件如图5、图6所示。

图5 PC端信息监控软件登录界面

图6 PC端信息监控软件数据展示界面

为了降低建设成本，路由器设备也是使用ZigBee协议开发的，其在接收到移动节点的数据后发送给5G智能网关，5G智能网关再将所收集经处理的数据通过TCP/IP协议发送给井上的PC监控设备。PC监控设备中的特定专用软件会将需要处理的所有数据显示在可视化窗口中。ZigBee的网络协议（即Zstack网络协议）体系结构如图7所示。

图7 Zstack网络协议体系

终端设备是由井下作业人员携带的低功耗便携式设备，因此其规格设计为与移动电话一样，使用3.7 V、280 mAh的锂电池供电。内置芯片采用的是TI公司生产的低功耗芯片CC2530，型号为CC2530F256，使用的是增强型8051CPU、具有8 kΩ容量的RAM、具有256 kΩ的系统内可编程闪存。可以使用IAR Embedded Workbench为其编写运行程序，程序的功能应包含：初始化串口程序、初始化ADC模块、初始化中断和时钟、初始化定时器，晶振频率应调整为外接32 M石英晶振。附录中的案例程序使用的就是CC2530内置温度传感器的测量温度程序，并对测得的数据进行平滑处理。

此外，为了丰富终端设备的可应用性，本文将使用ARMv7和CC2530异构来扩展终端设备的功能，使用Xilinx公司推出的可扩展处理平台Zynq，配备6英寸的OLED屏，实现的功能有：实时显示当前作业区域的温湿度、CO浓度、当前位置坐标，以及任务查看、紧急通信、备忘录等功能。为便于作业人员的携带，ZigBee模块使用的是2.4 GHz贴片天线，定制了一个移动电话一样大小的外壳，将Zynq和ZigBee模块以及总线、存储单元、备用电源和传感器放在里面，如图8所示为终端设备的架构图，如图9所示为Zynq驱动OLED显示的上位机界面。

图8 井下作业人员移动终端设备

图9 Zynq上位机显示功能界面

井下路由设备节点之间以及终端设备与路由器设备之间的通信传输依靠5G网络来实现，本文井下5G通信系统包括专网核心网、核心交换机、5G交换机、基站控制器、5G基站。系统采用的是分布式组网方式，专网核心网与核心交换机部署在井上，基站控制器则部署在井下，井上和井下通过光纤环网通信。通过查询资料得知，5G基站无线覆盖半径为100 m，覆盖范围内信号强度不低于-100 dB，所以合理配置5G基站对提高通信质量、增大通信的覆盖范围、提高信号的传输速率、减少项目开发成本等大有裨益。

5G基站的硬件如图10所示，使用127 V的交流电源通过变压器对5G基站模块进行供电。基站模块通过两个射频端口分别连接外置的两条定向天线，可以实现井下多并发、高容量、高速率和低时延的无线通信，为井下安全稳定的作业提供通信保障。

图10 5G基站硬件组成

总体来说，井下作业人员携带的便携式终端设备，其内核是使用ARM和RF内核异构而成，实现井下环境的实时监测，并且通过在ZYNQ上搭建的Linux操作系统实现，包含井下地形、任务详情、位置上传等多项功能。终端设备会在一定时间后上传数据，上传数据的时间间隔可以设置，数据先由终端设备上传到路由设备，路由设备会将得到的数据进行汇总并且做出适当的处理，如可以对同一区域收到的多项数据进行平滑处理等操作，再与自身传感器所携带的环境信息数据进行打包，将最终的数据包通过5G网络发送给井上的协调器设备，再由协调器设备分析数据，将数据展示在井上的PC机上。综上所述，系统的整体结构框架如图11所示。

图11 融合组网通信系统架构

3 结 论

本文采用5G网络与ZigBee融合组网技术为井下作业人员设计一套无线传感网络和无线通信网络，结合利用5G通信网的高速率、低时延以及ZigBee技术的低成本、低功耗、网络容量大等特点，非常适合在环境恶劣的井下场景中使用。5G网络与ZigBee融合组网技术使得井下通信系统在信号强度、传输速率、通信质量等方面大有改善，为我国煤炭产业数字化的顺利发展保驾护航。