完全掩埋空间近电场耦合式无线组网通信系统及方法与流程

1.本发明属于近场通信技术领域，特别涉及一种完全掩埋空间近电场耦合式无线组网通信系统及方法。


背景技术：

2.依据煤矿安全规程中矿井火灾预报及监测的相关规定，自然发火危险的矿井应定期检查co和其他有害气体情况；建立煤矿自然发火监测系统，确定煤层自然发火标志气体及临界值；火区封闭、管理及启封等过程中，应分析火区内温度和气体成分等。
3.现有采空区火灾监测技术主要有束管法和光纤测温法，前者通过间接监测气体浓度进行预警且无法定位火灾位置，后者存在光纤被挤压后虚警率过高无法可靠应用。基于温度法的煤矿采空区高温点预防技术是采空区火灾治理最有前景的手段，将采空区温度采集节点通过无线通信方式组网将是最有前景的一种方法，但由于采空区环境特殊，通信节点会被遗落煤块、煤矸石、砂岩甚至地下水等导电介质掩埋(厚度5～10米，与上层砂岩之间有很小的空隙)，给无线通信系统设计带来极大挑战。现有无线组网方法主要包括蓝牙、zigbee、wi-fi、lora等，其中蓝牙和wifi工作在2.4g频段，zigbee工作在2.4g、868mhz、915mhz等多个频段，lora工作在433mhz、868mhz、915mhz等，可以看出上述无线组网手段的通信频率均在400mhz以上。在完全掩埋环境中，电磁波在煤、砂石、海水等半导体介质中传播面临被严重吸收的问题无法远距离传播，中北大学团队在采空区掩埋条件下，使用170mhz频率测试通信最远距离不足5米，当频率高于400mhz，将难以实现更远距离通信。因此，上述现有无线组网通信手段难以用于完全掩埋空间中无线组网通信需求。美国马歇尔无线电遥测股份有限公司提出的用于透地通信的系统和方法，用于在发送天线与接收天线之间透过大地无线发送信号，通过通信天线产生显著远场辐射以及除了磁耦合之外，基本上通过发射和吸收电磁辐射来交互作用的类型，通常选择比常规用于透地(tte)通信的频率高得多的频率。该方法可以工作在0.1mhz～3mhz频率，但由于天线尺寸大且需要在天线周边预设留净空间，不适用于完全掩埋环境。


技术实现要素：

4.为此，本发明提供一种完全掩埋空间近电场耦合式无线组网通信系统及方法，在保证较高穿透性的同时，还可支持较大的通信带宽，以满足多节点组网的需要。
5.按照本发明所提供的设计方案，提供一种完全掩埋空间近电场耦合式无线组网通信系统，包含如下内容：
6.用于采集所处空间环境数据的若干从通信节点，所述若干从通信节点间隔布置在采空区金属缆绳上且与对应金属缆绳段近场耦合通信，由各从通信节点与对应金属缆绳段形成无线组网网络；
7.及用于汇聚各从通信节点环境数据并通过与上位机连接以实现采空区环境监测的主通信节点，所述主通信节点设置在采空区工作面上，且金属缆绳一端与主通信节点连
接，另一端纵向贯穿采空区并延伸至完全掩埋空间。
8.作为本发明中完全掩埋空间近电场耦合式无线组网通信系统，进一步地，所述通信节点包含：密封舱体，及设置于密封舱体内用于收集环境气体和温度数据的传感器模块、与传感器模块连接的主控电路模块、用于与其他节点无线通信组网的通信模块、用于为节点提供电压的电池模块和用于将电池模块电压进行转换输出的电源管理模块。
9.作为本发明中完全掩埋空间近电场耦合式无线组网通信系统，进一步，所述舱体包含：不锈钢材料制成的圆柱形壳体，设置在圆柱形壳体一端面上的透气防水阀，及设置在圆柱形壳体另一端面上用于连接外部通信天线的密封插接件：且在圆柱形壳体上还设置有用于防止透气防水阀堵塞的防掩埋滤网。
10.作为本发明中完全掩埋空间近电场耦合式无线组网通信系统，进一步，所述电源管理模块设置有用于提供通信模块和传感器模块两者的休眠和唤醒信号的时钟模块，利用该时钟模块提供的休眠或唤醒信号来关闭或开启通信模块和传感器模块的电源。
11.作为本发明完全掩埋空间近电场耦合式无线组网通信系统，进一步地，所述通信模块包含：通信天线、阻抗匹配电路、功放驱动电路、滤波电路、模/数转换电路、调制解码电路、控制电路、数/模转换电路及信号放大电路，通信天线安装在密封舱体上且通过阻抗匹配电路与功率驱动电路和信号放大电路连接，利用该通信天线通过近距离耦合方式将通信节点射频信号发送至金属缆绳，由金属缆绳接收感应信号，以实现与其他通信节点的无线通信组网。
12.作为本发明完全掩埋空间近电场耦合式无线组网通信系统，进一步地，所述通信天线采用对称电偶极子天线。
13.作为本发明完全掩埋空间近电场耦合式无线组网通信系统，进一步地，通信节点还包裹有绝缘外皮，且通信节点放置在金属缆绳周边或固定在金属缆绳上。
14.进一步地，基于上述的系统，本发明还提供一种完全掩埋空间近电场耦合式无线组网通信方法，包含：
15.根据应用场景通信载波频率设置通信节点天线长度并调整通信节点匹配参数；将采空区纵向铺设的金属缆绳作为无线通信信道，预置在采空区且与金属缆绳近场耦合的各个通信节点与其他节点之间通过缆载式通信来构建无线通信组网网络；
16.设置与金属缆绳工作面端连接的通信节点作为主通信节点，金属缆绳上其他通信节点作为从通信节点，利用无线通信组网网络将从通信节点采集到的采空区环境数据汇聚至工作面主通信节点，工作面主通信节点连接的上位机来对接收到的环境数据进行分析处理，以实现对完全掩埋空间环境的监测。
17.作为本案无线组网通信方法，进一步地，各通信节点放置在金属缆绳周边或与金属缆绳电气绝缘固定，且相邻通信节点之间依据应用场景间隔预定距离进行布设。
18.本发明的有益效果：
19.本发明将金属缆绳作为信道，通过通信节点的对称电偶极子天线将一定频率的电场信号耦合到金属缆绳或从缆绳上感应其他节点馈出的电场信号，进行无线组网通信，在完全掩埋条件下，确保固定在缆绳附近的多个通信节点可以进行稳定可靠的无线通信，可用于地下完全掩埋空间或水下等极端环境的无线组网通信；进一步地，通信节点利用透气防水耐砸的舱体结构来保护电路、电池不被采空区遗落砂石破坏或水淹，引入透气防水阀，
通过加装金属滤网，以保证在完全掩埋情况下气体进入舱体并隔绝水；电源管理模块利用“休眠-唤醒”工作模式，即在休眠时关断通信模块和传感器模块的电源，并在唤醒时开启通信模块和传感器模块的电源，降低系统功耗，提升系统续航时间；并进一步利用小尺寸、低成本对称电偶极子天线，该天线和周边介质绝缘，天线通过匹配电路和后端驱动或放大电路连接，以保证较高的转换效率；采用主多从的组网模式，可在物理层使用ofdm技术，并可使用bpsk调制，使得具备较强的抗噪、抗突发干扰的性能，能够用于井下强干扰环境通信；在mac层，可基于tdma机制实现，能够提供冲突避免机制，可支持多个节点的并发通信；在网络层，可基于动态路由、多路径寻址等方式，实现单个主节点最多可支持300个从节点，为井下采空区火灾监测、水下无线组网通信提供关键支撑。
附图说明：
20.图1为实施例中完全掩埋空间近电场耦合式无线组网通信原理示意；
21.图2为实施例中通信节点与金属缆绳连接示意；
22.图3为实施例中通信节点结构组成示意；
23.图4为实施例中舱体原理示意；
24.图5为实施例中舱体结构示意；
25.图6为实施例中“休眠-唤醒”工作模式示意；
26.图7为实施例中通信模块结构组成示意；
27.图8为实施例中组网结构示意；
28.图9为实施例中水下试验场景示意；
29.图10为实施例中接收信号的频谱和瀑布示意；
30.图11为实施例中解调结果示意。
31.图中标号，标号1代表主通信节点，标号2代表从通信节点，标号3代表掩埋介质，标号4代表金属缆绳，标号5代表舱体，标号51代表壳体，标号52代表密封插接件，标号53代表透气防水阀，标号54代表防掩埋滤网。
具体实施方式：
32.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚、明白，下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明。
33.磁电近场耦合式无线穿透通信技术已经解决了完全掩埋空间中无线通信问题，能够实现点-点的数据传输，但存在磁感应天线尺寸大导致采空区抗砸防护设计难、感应线圈的磁电转换效率低导致功耗大等问题，难以大规模部署应用。本发明实施例，提供一种完全掩埋空间近电场耦合式无线组网通信系统，包含如下内容：
34.用于采集所处空间环境数据的若干从通信节点，所述若干从通信节点间隔布置在采空区金属缆绳上且与对应金属缆绳段近场耦合通信，由各从通信节点与对应金属缆绳段形成无线组网网络；
35.及用于汇聚各从通信节点环境数据并通过与上位机连接以实现采空区环境监测的主通信节点，所述主通信节点设置在采空区工作面上，且金属缆绳一端与主通信节点连接，另一端纵向贯穿采空区并延伸至完全掩埋空间。
36.利用铺设在采空区的金属缆绳作为无线通信信道，金属缆绳沿采空区纵向铺设，通信节点通过对称电偶极子天线与金属缆绳近场耦合，通过缆载式无线通信与其他节点进行无线通信组网。通信节点主要完成采空区温度、气体数据的采集，信息编码，通信调制解调以及多节点间无线组网协议生成与解析等功能，预置在采空区的所有节点定时将采集到的数据通过网络汇聚至采煤工作面的主节点，为井下采空区火灾监测、水下无线组网通信提供关键支撑。
37.参见图1所示，由多条煤安认证的金属缆绳沿纵向贯穿采空区，缆绳的一端位于采煤工作面与通信主节点连接，另一端延伸至采空区深处(被遗煤、砂石掩埋)，在每条金属缆绳上通过绝缘层固定了多个通信节点，通信节点利用自身的对称电偶极子天线与缆绳之间通过近电场耦合方式进行电场交互，节点之间通过无线方式进行通信组网，各个节点上装有温度和co、甲烷、氧气、乙炔和乙烯等气体传感器，所有节点定时将数据汇聚至主节点，主节点的结构组成与通信节点相同，只是网络权限不同。通信节点利用自带的温度、气体传感器获取周边环境参数，然后将这些参数进行编码、调制并以一定的载频由驱动电路馈至对称电偶极子天线，偶极子天线将近电场感应到金属缆绳，位于远端节点的偶极子天线从缆绳上感应接收到该信号，并进行放大、解调和译码，实现数据的无线通信，各个通信节点之间按照通信协议发送和接收指定数据，实现采空区环境监测。
38.其中，金属缆绳可看作采空区人为构建的无线通信信道，其材质可采用符合煤安认证的高强度金属金属缆绳，也可以为其他金属导电材料。缆绳可以裸漏或包裹绝缘耐火橡胶，当使用裸漏缆绳时，缆绳将与周边介质直接接触，特别是存在水时，高导电率将会极大衰减通信信号，需要更大的通信发射功率并限制了通信带宽影响组网效率，相比前者，后者路径损耗较小仅需要较小发射功率即可实现远距离通信且支持的信道带宽较宽，但也布设成本和复杂度稍高于前者。
39.参见图2所示，金属缆绳与通信节点采用耦合式连接，即通信节点不与金属缆绳电气连接，通信节点仅需要固定在金属缆绳附近即可。缆绳的主要作用是感应节点天线辐射的电磁波并将其耦合至远端的其他节点。通信节点的天线由绝缘外皮包裹，放置在金属缆绳周边(往往固定在金属缆绳上，彼此电气绝缘)，多个通信节点沿金属缆绳相距一定距离布置，达到覆盖采空区的目的。一旦缆绳某处被落石砸断仍能保证可靠通信。为减少通信路径损耗，金属缆绳需被绝缘材料包裹与周边介质绝缘，而缆绳的端面可接触周边介质也可绝缘。
40.进一步地，本案实施例中，参见图3所示，通信节点包含：密封舱体，及设置于密封舱体内用于收集环境气体和温度数据的传感器模块、与传感器模块连接的主控电路模块、用于与其他节点无线通信组网的通信模块、用于为节点提供电压的电池模块和用于将电池模块电压进行转换输出的电源管理模块。
41.作为优选实施例，进一步，所述舱体包含：不锈钢材料制成的圆柱形壳体，设置在圆柱形壳体一端面上的透气防水阀，及设置在圆柱形壳体另一端面上用于连接外部通信天线的密封插接件：且在圆柱形壳体上还设置有用于防止透气防水阀堵塞的防掩埋滤网。
42.参见图4和5所示，舱体可由高强度不锈钢钢材料制成的水密结构，作用是防止内部放置的其他模块被落石砸坏或进水。整体可采用圆柱形结构，圆柱的一个端面装有透气防水阀以保证气体进入并隔绝水进入，另一个端面装有密封接插件用于连接舱体内部的电
路和舱体外部的通信天线，在舱体尾端连接防掩埋滤网，该滤网由不锈钢管开孔制成，其作用是防止砂石或遗煤堵塞透气防水阀。
43.进一步，所述电源管理模块设置有用于提供通信模块和传感器模块两者的休眠和唤醒信号的时钟模块，利用该时钟模块提供的休眠或唤醒信号来关闭或开启通信模块和传感器模块的电源。
44.电池模块由锂电池或干电池组成，作用是提供5～7v范围的电压，需要使用自放电时间大于1年的电池。电源管理模块的作用是将电池模块的电压进行转换，输出3.3v电压给主控模块和通信模块并满足煤矿本案防爆要求，保证电源短路条件下不会起火。为保证系统能在电池供电条件下持续工作数月，本案实施例中，电源管理模块采用“休眠-唤醒”工作模式，如图6所示，根据时钟，在休眠时关断通信模块和传感器模块的电源，并在唤醒时开启通信模块和传感器模块的电源，最大程度节约系统功耗。
45.进一步地，参见图7所示，所述通信模块包含：通信天线、阻抗匹配电路、功放驱动电路、滤波电路、模/数转换电路、调制解码电路、控制电路、数/模转换电路及信号放大电路，通信天线安装在密封舱体上且通过阻抗匹配电路与功率驱动电路和信号放大电路连接，利用该通信天线通过近距离耦合方式将通信节点射频信号发送至金属缆绳，由金属缆绳接收感应信号，以实现与其他通信节点的无线通信组网。进一步地，所述通信天线采用对称电偶极子天线。
46.采用对称电偶极子天线作为通信天线，并通过阻抗匹配电路与功率驱动和信号放大电路连接。该天线通过舱体的密封接插件与内部电路板连接，并以近距离耦合(非电气连接)方式将射频通信信号馈至金属线缆或由线缆接收到感应信号，实现本通信节点与其他节点间的无线通信组网。通信节点中的传感器模块可由co、o2、甲烷、乙炔、乙烯和温度传感器等组成，用于搜集环境的气体和温度参数。
47.作为优选实施例，进一步地，通信节点还包裹有绝缘外皮，且通信节点放置在金属缆绳周边或固定在金属缆绳上。通信节点沿金属缆绳放置，可以根据实际需要设计不同的间隔距离。通信节点的天线与金属缆绳之间近距离耦合，通常不需要电气连接，通过近电场耦合方式进行能量交换，实现信息传输。若条件允许也可将天线和金属缆绳进行电气连接，将进一步拓展通信距离。
48.对于宽度200米、深度3000米的采空区，若要实现全覆盖，则需要布设200～400个通信节点。为实现节点间的无线通信组网，参见图8所示，所有通信节点采用主从式组网方法，在物理层可使用ofdm技术，并可使用bpsk调制，在mac层，可基于tdma机制，提供冲突避免机制，能够支持多个节点的并发通信；在网络层，可基于动态路由、多路径寻址等方式，实现一主多从的组网模式，单个主节点最多可支持300个从节点
49.进一步地，基于上述的系统，本发明实施例还提供一种完全掩埋空间近电场耦合式无线组网通信方法，包含：
50.根据应用场景通信载波频率设置通信节点天线长度并调整通信节点匹配参数；将采空区纵向铺设的金属缆绳作为无线通信信道，预置在采空区且与金属缆绳近场耦合的各个通信节点与其他节点之间通过缆载式通信来构建无线通信组网网络；
51.设置与金属缆绳工作面端连接的通信节点作为主通信节点，金属缆绳上其他通信节点作为从通信节点，利用无线通信组网网络将从通信节点采集到的采空区环境数据汇聚
至工作面主通信节点，工作面主通信节点连接的上位机来对接收到的环境数据进行分析处理，以实现对完全掩埋空间环境的监测。
52.通信节点通过自身的对称电偶极子天线与缆绳之间进行近电场耦合，将预设载频的电磁波馈至金属缆绳或感应接收其他通信节点传输的信号；多个通信节点中节点和节点之间以主从模式组网，实现数据交互。
53.进一步地，各通信节点放置在金属缆绳周边或与金属缆绳电气绝缘固定，且相邻通信节点之间依据应用场景间隔预定距离进行布设，可以根据实际需要设计不同的间隔距离。
54.无线通信频率往往采用2mhz～8mhz，以保证较高的穿透性和较大的通信带宽，在需要远距离且对天线尺寸限制小的场景，也可使用0.1mhz～0.5mhz频率。在确定通信节点天线尺寸后，根据通信频率调整通信节点中通信模块电路的阻抗匹配参数。在完全掩埋空间中掩埋层布设金属缆绳、通信节点，在采煤工作面布设主控节点；通信节点利用自带的温度、气体传感器获取周边环境参数，然后将这些参数进行编码、调制并以一定的载频由驱动电路馈至对称电偶极子天线，偶极子天线将近电场感应到金属缆绳，位于远端节点的偶极子天线从缆绳上感应接收到该信号，并进行放大、解调和译码，实现数据的无线通信，各个通信节点之间按照通信协议发送和接收指定地址的数据。
55.为验证本案方案有效性，下面结合实验数据做进一步解释说明：
56.采用湖试作为试验场景，如图9所示，水深3米，湖底为泥底，试验使用两个通信节点，一个位于湖底，一个位于湖面，两者水平距离100米，通信发射功率为500mw，通信速率为9600bit/s，通信间隔为1s。
57.通过选定通信频率f，并设置工作在该频点的对称电偶极子天线及其匹配电路参数，偶极子天线由同轴电缆外屏蔽层构成，端面进行水密，其长度和直径取决于工作频率f；通信模块循环发送“0x11 0x33 0x55 0x77 0x99 0xaa 0xcc 0xbb 0x66 0x88”等10个字节进行测试，发送间隔为1s。选择超六类网线作为金属缆绳，直径10mm，长度150米，带绝缘外皮。将金属缆绳一端和通信节点绑在一起沉入湖底，另一端伸出水面和另一个通信节点近距离接触(保证一定距离即可，无需物理接触)。将水面通信节点的分别与计算机和频谱仪连接，观察能否接收到水下部分发送的信号并进行解调解码。
58.实验结果如图10和11所示，从图10中的频谱图可以看到，信号高于20db，而瀑布图中能看到等间隔信号发送节奏。从图11的解调结果可以看到，水面通信节点可以准确的解调出水下通信节点发送的数据。由以上数据可知，本案方案可用于解决煤矿采空区或深海水下等完全掩埋条件下无线组网通信的问题。
59.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。
60.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
61.结合本文中所公开的实施例描述的各实例的单元及方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明
中已按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能是以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域普通技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不认为超出本发明的范围。
62.本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如：只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现，相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
63.最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。