矿用双绞线宽带多址复用系统

1.本发明涉及矿用双绞线宽带多址复用系统，该系统涉及数据采集、通信接口、通信协议、通信控制管理等技术领域。


背景技术：

2.煤炭是我国主要能源，约占一次能源70％。煤炭行业是高危行业，瓦斯、水灾、火灾、顶板、煤尘等事故困扰着煤矿安全生产，为保障煤炭安全生产，需在煤矿井下安装大量的与安全监测、生产监控相关的设备，这些设备种类多、数量大、通信数据量区别较大。目前煤矿井下有监控、定位、视频、语音等多个网络，现有can、rs485、profibus、lonworks等矿用现场总线传输速率低、传输距离短，难以满足矿井监控、定位、监视和通信需求；现有定位、视频、语音等网络一般采用工业以太网进行通信，工业以太网使用光缆时传输距离远，为保证设备的数据传输距离，每一个定位、视频、语音设备均需一根独立的光缆连接工业以太网的交换设备，网络所需光缆的数量多，建设安装成本高，维护十分困难，维护成本高，因此光缆不宜用于接入网络。为解决以上问题，急需一种传输速率高、成本低、便于维护的煤矿用宽带现场通信系统。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种矿用双绞线宽带多址复用系统，实现宽带和窄带通信的设备统一通过共享的双绞线进行通信传输，解决现有矿用现场总线传输速率低、传输距离短的问题，还解决了通过光缆接入设备存在的网络建设和维护成本高等问题。所述系统不仅可承载传感器等数据通信量较小的设备通信，还可承载视频、音频数据采集与通信设备等数据通信量较大的设备通信，具有传输速率高、传输距离远、结构简单、易于实施、易于维护等优点，极大地简化了现场网络结构，提高了矿井通信技术水平。
4.所述矿用双绞线宽带多址复用系统由两条导线构成的双绞线、通信终端、管理设备和至少两个接入设备；所述系统用于通过所述双绞线传输数字通信、视频、语音、传感器、定位和控制数据；所述接入设备和管理设备就近并联连接所述双绞线进行通信；所述通信终端通过通信端口连接接入设备，通过接入设备就近接入系统进行通信；所述接入设备具有由数字组成的唯一的识别号；所述管理设备负责在系统初始化阶段为接入设备分配所需带宽的通信通道，所述系统初始化完成后，所有接入设备自主在分配的通信通道进行双向通信；所述通信终端连接接入设备的通信接口包括宽带通信接口和窄带通信接口，所述宽带通信接口的通信方式包括以太网，所述窄带通信接口的通信方式包括工业现场总线；
5.所述通信终端包括井下数据设备和通信控制服务器；所述通信控制服务器还连接综合承载网，通过综合承载网与地面监控设备通信，通信控制服务器负责控制井下数据设备向地面监控设备传输的上行数据转发，和地面监控设备向井下数据设备传输的下行数据转发；所述井下数据设备包括视频图像数据采集设备、声音通信设备、安全数据采集设备、生产数据采集设备、监控分站、定位分站、无线基站、执行器、mec边缘计算设备；所述视频图
像数据采集设备负责采集矿井内的视频和图像信息；所述声音通信设备包括声音采集设备和声音播放设备；所述安全数据采集设备为用于监测矿井爆炸、火灾、煤与瓦斯突出、水灾、冲击地压、顶板冒落事故或灾害的传感器；所述生产数据采集设备为用于监测采煤工作面、掘进工作面、带式输送机、电机车、胶轮车、供电、排水、压风、通风生产设备的传感器；所述监控分站连接多个所述安全数据采集设备或生产数据采集设备，将其采集的数据进行汇集转发；所述定位分站用于井下移动目标定位和定位数据采集通信；所述无线基站用于井下移动数字通信设备的无线接入与管理；所述执行器用于根据控制指令数据驱动电机、开关、电磁阀、电液阀执行伺服动作；mec边缘计算设备用于为其它井下数据设备提供数据计算、存储、处理服务。
6.1.所述的矿用双绞线宽带多址复用系统还进一步包括集成了接入设备功能的一体化通信终端和一体化管理设备设备。
7.2.所述的矿用双绞线宽带多址复用系统还进一步包括：所述综合承载网包括至少一个交换机；所述交换机通过通信线缆连接至少一个通信控制服务器；多个交换机的连接方式包括环型连接，连接所用通信线缆包括光缆；所述地面监控设备通过通信线缆连接交换机。
8.3.所述的矿用双绞线宽带多址复用系统还进一步包括：设接入设备识别号为n位，所述系统的初始化流程为：
9.(1)管理设备发送的包括1个指定数字的查询指令，此指令为查询各接入设备通信带宽信息的指令，指令中的指定数字为接入设备识别号的第n位，每次发送该指令时，指定数字按序递增或递减；
10.(2)各接入设备接收指令，识别号第n位与查询指令指定的数字相同的接入设备回复信息，信息包括自身识别号、所连接的通信终端及其通信带宽信息；
11.(3)管理设备在设定时间内未接收到回复信息，则判定没有识别号第n位与查询指令指定的数字相同的接入设备，返回执行步骤(1)继续查询其它数字；
12.(4)管理设备对回复信息进行解析校验，如校验信息成功，则记录回复信息；如存在校验信息不成功情况，则判定存在相同第n位识别号的接入设备，记录该数字，返回步骤(1)继续查询其它数字，直至遍历所有10个数字；
13.(5)如存在记录的校验信息不成功的数字，则采用本工作过程上述步骤的方法，查询该识别号第n位为该数字，而第n-1位不同的接入设备；如还不校验成功，则按照本方法继续查询查询识别号第n-2位不同的接入设备，直至查询到第1位，可保证成功校验信息，获取所有接入设备的所需通信带宽信息；
14.(6)管理设备为接入设备分配通信通道，并以广播方式通知到所有接入设备。
15.4.所述的矿用双绞线宽带多址复用系统还进一步包括：所述系统初始化为接入设备分配通信通道的方法为，每个通信周期分为同步时隙、下行时隙和上行时隙；
16.所述同步时隙由连接通信控制服务器的接入设备进行发送同步信号，以保证本通信周期内的系统内接入设备的时钟同步；
17.所述下行时隙为下行数据通信通道，连接通信控制服务器的接入设备在此时隙发送下行数据封装成的数据包的调制信号；下行时隙占通信周期的10％；
18.所述上行时隙为为上行数据通信通道，接入设备在此时隙发送上行数据封装成的
数据包的调制信号；上行时隙分为m个子时隙，m为需上行数据通信的接入设备数量，即每个需上行数据通信的接入设备占用1个子时隙；所述每个子时隙的时间长度t
ui
根据接入设备所需通信带宽进行分配，式中m
wi
为第i个接入设备上通过宽带通信方式接入的矿井数据采集设备数量，m
ni
为第i个接入设备上通过窄带通信方式接入的矿井数据采集设备数量，tu为上行时隙的时间长度。
19.5.所述的矿用双绞线宽带多址复用系统还进一步包括：所述每个子时隙的时间长度t
ui
的分配方法包括人为输入设定。
20.6.所述的矿用双绞线宽带多址复用系统还进一步包括：当系统接入新的接入设备或原有接入设备接入新的矿井数据采集设备时，所述接入设备主动将同步时隙发送的信号持续拉高，用以通知管理设备重新初始化系统。
21.7.所述的矿用双绞线宽带多址复用系统还进一步包括：所述调制方法包括频率调制或相位调制。
22.8.所述的矿用双绞线宽带多址复用系统还进一步包括：所述的校验方法包括基于通信协议内容的逻辑校验。
23.9.所述的矿用双绞线宽带多址复用系统还进一步包括：所述系统上行数据传输过程为：
24.(1)接入设备接收井下数据设备发来数据；
25.(2)接入设备对进行整理，封装成数据包；
26.(3)接入设备将数据包进行调制，在管理设备分配的通信通道发送；
27.(4)连接通信控制服务器的接入设备对不同接入设备通过不同通道发送的信号进行解调，还原成数据包；
28.(5)通信控制服务器解析数据包，将不同矿井数据采集设备的数据转发给相应的地面监控设备。
29.10.所述的矿用双绞线宽带多址复用系统还进一步包括：所述系统上行数据传输过程为：
30.(1)通信控制服务器接收地面监控设备发来的下行数据；
31.(2)通信控制服务器将下行数据封装成数据包；
32.(3)连接通信控制服务器的接入设备将数据包进行调制，在分配的下行通信通道通过双绞线发送调制信号；
33.(4)接入设备对接收的下行通信通道的调制信号进行解调，还原成数据包；
34.(5)接入设备将数据包数据进行解析，如为发给本地井下数据设备的数据，则向本地井下数据设备转发。
附图说明
35.图1矿用双绞线宽带多址复用系统实施示例示意图。
36.图2矿用双绞线宽带多址复用系统工作流程示意图。
37.图3矿用双绞线宽带多址复用系统初始化流程示例图。
38.图4矿用双绞线宽带多址复用系统通信时隙示意图。
39.图5矿用双绞线宽带多址复用系统上行通信流程示意图。
40.图6矿用双绞线宽带多址复用系统下行通信流程示意图。
41.图7接入设备原理组成示意图。
具体实施方式
42.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明具体实施例和本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅为本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。图1为矿用双绞线宽带多址复用系统实施示例示意图，组成主要包括：
43.1.管理设备(101)，如图所示，管理设备就近并联连接系统通信用双绞线。管理设备负责在系统初始化阶段为接入设备分配所需带宽的通信通道，所述系统初始化完成后，所有接入设备自主在分配的通信通道进行双向通信。
44.2.接入设备(102)，如图所示，接入设备就近并联连接系统通信用双绞线；通信终端通过通信端口连接接入设备，通过接入设备就近接入系统进行通信；接入设备具有由数字组成的唯一的识别号。
45.3.通信控制服务器(103)，通信控制服务器是一种通信终端，除连接接入设备外，还连接综合承载网，通过综合承载网与地面监控设备通信，通信控制服务器负责控制井下数据设备向地面监控设备传输的上行数据转发，和地面监控设备向井下数据设备传输的下行数据转发。
46.4.视频图像数据采集设备(104)，视频图像数据采集设备负责采集矿井内的视频和图像信息，采用具有网络通信接口的数字摄像机。
47.5.声音通信设备(105)，声音通信设备包括声音采集设备和声音播放设备，均采用具有数字通信接口的设备。
48.6.安全数据采集设备(106)，安全数据采集设备为用于监测矿井爆炸、火灾、煤与瓦斯突出、水灾、冲击地压、顶板冒落事故或灾害的传感器，包括甲烷浓度传感器、氧气浓度传感器、温度传感器、烟雾传感器、振动传感器、位移传感器、应力传感器、压力传感器等。
49.7.生产数据采集设备(107)，所述生产数据采集设备为用于监测采煤工作面、掘进工作面、带式输送机、电机车、胶轮车、供电、排水、压风、通风生产设备的传感器。
50.8.监控分站(108)，监控分站连接多个所述安全数据采集设备或生产数据采集设备，将其采集的数据进行汇集转发。
51.9.定位分站(109)，定位分站用于井下移动目标定位和定位数据采集通信，通过无线通信方式与井下人员与移动设备携带的定位终端进行通信与测距定位。
52.10.无线基站(110)，无线基站用于井下移动数字通信设备的无线接入与管理。
53.11.执行器(111)，执行器用于根据控制指令数据驱动电机、开关、电磁阀、电液阀执行伺服动作。
54.12.mec边缘计算设备(112)，mec边缘计算设备用于为其它井下数据设备提供数据计算、存储、处理服务
55.13.井下交换机(113)，综合承载网的井下数据交换设备，负责井下网络通信设备的接入和数据交换，连接通信控制服务器，具有隔爆外壳，符合煤矿井下隔爆要求。本示例有4个井下交换机，采用环型连接。
56.14.井上交换机(114)，综合承载网的井上数据交换设备，直接连接安全监测服务器(115)、生产监测服务器(116)、定位服务器(117)、监控终端(118)等井上设备。
57.15.安全监测服务器(115)，负责接收存储安全数据采集设备采集的数据，并对数据进行处理，根据数据处理结果对矿井爆炸、火灾、煤与瓦斯突出、水灾、冲击地压、顶板冒落事故或灾害进行预警、报警。
58.16.生产监测服务器(116)，负责接收存储生产数据采集设备采集的数据，并对数据进行处理，根据数据处理结果对采煤工作面、掘进工作面、带式输送机、电机车、胶轮车、供电、排水、压风、通风生产设备进行监测和报警。
59.17.定位服务器(117)，存储有矿井地理信息数据和定位分站位置数据，接收定位分站发送的定位测距数据，为监控终端提供井下人员及移动设备的位置监测数据服务。
60.18.监控终端(118)；负责提供井下监控数据显示服务，由安全监测服务器(115)、生产监测服务器(116)、定位服务器(117)和存储服务器(119)提供实时和历史数据，接收由全监测服务器(115)和生产监测服务器(116)发出的水灾预警或报警信号，具有声光报警功能；生产管理人员可通过监控终端对存储的历史数据调取查询。
61.19.存储服务器(119)；集中存储视频图像数据采集设备(104)和声音通信设备(105)采集的视频、图像、声音数据，并为监控终端(118)提供数据查询和转发服务。
62.图2是矿用双绞线宽带多址复用系统工作流程示意图，流程包括：
63.1.(201)通信终端、管理设备和至少两个接入设备并联方式连接两条导线构成的双绞线。
64.2.(202)管理设备主动检测网络，检测接入设备的通信通道分配是否正常。
65.3.(203)如管理设备检测到通信通道分配异常或有新接入设备则进行初始化操作，为接入设备分配通信通道。
66.4.(204)管理设备完成初始化完成后，所有接入设备自主在分配的通信通道进行双向通信。
67.图3是矿用双绞线宽带多址复用系统初始化流程示例图，本示例中系统包括3个接入设备具有5位数字组成的唯一识别号，以下简称id号，分别为12465、11465、12348，本示例是以系统的管理设备对所述的3个接入设备进行通信通道分配的的过程，包括：
68.1.(301)管理设备发送的包括指定数字5和数字9的查询指令，用于查询id号第5位为数字9的接入设备，同时开启计时器计时。由于系统中没有第5位为数字9的接入设备，所以管理设备收不到回复信息，当计时器计时超过设定时间t
bm
后，执行(302)
69.2.(302)管理设备发送的包括指定数字5和数字8的查询指令，用于查询id号第5位为数字8的接入设备，同时开启计时器计时。
70.3.(303)id号为12348的接入设备回复信息，信息包括接入设备自身识别号、所连接通信终端及其通信带宽信息。
71.4.(304)管理设备向id号为12348的接入设备回复确认信息。
72.5.(305)与步骤(301)过程基本相同，管理设备发送查询id号第5位为数字7的接入
设备的指令，当计时器计时超过设定时间t
bm
未收到回复信息，则判定没有id号第5位为数字7的接入设备，继续采用相同步骤查询id号第5位为数字6的接入设备，未查询到后，继续查询id号第5位为数字5的接入设备。
73.6.(306)id号为12465和11465的接入设备回复信息，信息包括自身识别号及其通信带宽信息。由于在此过程中接入设备没有自己的专用通信通道，所以两个接入设备发送的信号势必会发生冲突，因此管理设备对接收的信号进行校验失败，管理设备记录位数5和数字5。
74.7.(307)与步骤(301)过程相似，管理设备继续查询id号第5位为数字4至0的接入设备，均超时没有收到回复。
75.8.(308)管理设备继续查询id号第4位为数字9至0的接入设备，当查询数字9、8、7时，均超时没有收到回复，当查询数字6时，发生步骤(309)。
76.9.(309)id号为12465和11465的接入设备回复信息，两个接入设备发送的信号会再次发生冲突，因此管理设备对接收的信号进行校验失败，管理设备记录位数4和数字6。
77.10.(310)管理设备继续查询id号第4位为数字5至0的接入设备，均超时没有收到回复。
78.11.(311)管理设备继续查询id号第3位为数字9至0的接入设备，当查询数字9至5时，均超时没有收到回复，当查询数字4时，发生步骤(312)。
79.12.(312)id号为12465和11465的接入设备回复信息，两个接入设备发送的信号会再次发生冲突，因此管理设备对接收的信号进行校验失败，管理设备记录位数3和数字4。
80.13.(313)管理设备继续查询id号第3位为数字3至0的接入设备，均超时没有收到回复。
81.14.(314)管理设备继续查询id号第2位为数字9至0的接入设备，当查询数字9至3时，均超时没有收到回复，当查询数字2时，发生步骤(312)。
82.15.(315)id号为12465的接入设备回复信息。
83.16.(316)管理设备向id号为12465的接入设备回复确认信息。
84.17.(317)管理设备继续查询id号第2位为数字1的接入设备。
85.18.(318)id号为11465的接入设备回复信息。
86.19.(319)管理设备向id号为12465的接入设备回复确认信息。
87.20.(320)管理设备继续查询id号第2位为数字0的接入设备，超时没有收到回复。
88.21.(321)管理设备继续查询id号第1位为数字9至0的接入设备，均超时没有收到回复。
89.22.(322)管理设备为接入设备分配通信通道，以广播方式通知到所有接入设备。
90.如图4矿用双绞线宽带多址复用系统通信时隙示意图所示，每个通信周期分为同步时隙、下行时隙和上行时隙。
91.1.同步时隙由连接通信控制服务器的接入设备进行发送同步信号，以保证本通信周期内的系统内接入设备的时钟同步。
92.2.上行时隙为为上行数据通信通道，接入设备在此时隙发送上行数据封装成的数据包的调制信号；上行时隙分为m个子时隙，m为需上行数据通信的接入设备数量，即每个需上行数据通信的接入设备占用1个子时隙；所述每个子时隙的时间长度t
ui
根据接入设备所
需通信带宽进行分配，式中m
wi
为第i个接入设备上通过宽带通信方式接入的矿井数据采集设备数量，m
ni
为第i个接入设备上通过窄带通信方式接入的矿井数据采集设备数量，tu为上行时隙的时间长度。
93.3.下行时隙分配给连接通信控制服务器的接入设备，下行时隙占通信周期的10％；同步时隙。
94.图5为矿用双绞线宽带多址复用系统上行通信流程示意图，步骤包括：
95.1.(501)接入设备接收井下数据设备发来数据；
96.2.(502)接入设备对进行整理，封装成数据包；
97.3.(503)接入设备将数据包进行调制，在管理设备分配的通信通道发送；
98.4.(504)连接通信控制服务器的接入设备对不同接入设备通过不同通道发送的信号进行解调，还原成数据包；
99.5.(505)通信控制服务器解析数据包，将不同矿井数据采集设备的数据转发给相应的地面监控设备。
100.图6为矿用双绞线宽带多址复用系统下行通信流程示意图，步骤包括：
101.1.(601)通信控制服务器接收地面监控设备发来的下行数据；
102.2.(602)通信控制服务器将下行数据封装成数据包；
103.3.(603)连接通信控制服务器的接入设备将数据包进行调制，在分配的下行通信通道通过双绞线发送调制信号；
104.4.(604)接入设备对接收的下行通信通道的调制信号进行解调，还原成数据包；
105.5.(605)接入设备将数据包数据进行解析，如为发给本地井下数据设备的数据，则向本地井下数据设备转发。
106.接入设备原理组成如图7所示，管理设备和通信控制服务器的硬件组成设计与接入设备基本相同，通过运行的不同的程序实现其相应特定的功能。
107.1.处理器(701)，工作频率需高于150mhz，32位的处理器，可采用strongarm核32-bitrisc微处理器，工作频率166/200/233mhz。
108.2.存储单元(702)，用于数据存储，采用sram或sdram标准存储单元；
109.3.电源单元(703)，包括电池、电压转换和电池充放管理部分，电池使用锂离子蓄电池，起备用电源功能，电池容量应能保证分站无外部供电的情况下正常工作2小时以上，锂电池应具有防反接功能，具有内部保护电路外，具有外保护电路,具备防过充、防过放、过流、短路等功能，还有均衡充电、均衡放电功能。电压转换负责将电源转换为其它单元元件和锂电池充电所需电压，采用max1724电源芯片。电池充电管理核心芯片采用cs0301锂电池充电管理芯片。
110.4.以太网接口(704)，核心芯片可采用atheros ar8035，支持百兆以太网，采用标准以太网rj45通信接口端子。
111.5.工业现场总线接口(705)，采用工业现场总线接口模块和rs232数字通信接口模块等通信模块，还包括相应的数字通信接口端子。
112.6.系统接口(706)，包括驱动电路和双绞线接口端子，用于连接所述矿用双绞线宽
带多址复用系统通信双绞线。