A mine intrinsically safe AD hoc network base station design
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摘要:
针对灾后矿井下通信链路中断，救援人员信息无法互通的问题，设计1种矿用本安型自组网基站；设备基于SDR平台，采用FPGA＋ADIAD9361＋本质安全电路的方案，利用无线Mesh网络技术的无线多跳、自组织和强自愈能力，在矿井下供电、通信系统都被摧毁的环境下，能够快速、方便地组建无线通信网络，同时为矿井下的手持终端、矿用布控球、矿用信息记录仪等终端设备提供无线覆盖，实现事故现场与前方指挥部的信息互通。测试结果表明：基站具有自备电源、安全系数高、体积小、质量轻、功耗小等优点，2.4 GHz和1.4 GHz双频段无线组网，多跳能力为视频6～8跳，单跳传输距离大于200 m，单跳传输时延小于7 ms，功耗小于15 W，可连续工作4.5 h，可解决矿山各种事故灾害应急救援过程中遇到的通信问题。
Abstract:Aiming at the problem that the underground communication link of the mine is interrupted and the information of rescuers cannot be exchanged after the disaster, a mine intrinsically safe AD hoc network base station is designed. Based on the SDR platform, the equipment adopts the scheme of FPGA + ADI AD9361+ intrinsic safety circuit, and uses wireless multi-hop, self-organization and strong self-healing ability of wireless mesh network technology to quickly and conveniently form a wireless communication network in the environment of underground power supply and communication system being destroyed, and at the same time, provides wireless coverage for terminal equipment such as handheld terminals, mine control balls, mine information recorders, etc., to realize information exchange between the accident scene and the forward command. The test results show that the base station has the advantages of self-provided power supply, high safety factor, small size, light weight, small power consumption, etc., 2.4 GHz and 1.4 GHz dual-band wireless networking, multi-hop capability of 6-8 hops of video, single-hop transmission distance greater than 200 meters, single-hop transmission delay of less than 7 ms, power consumption of less than 15 W, and continuous work for 4.5 h, which can solve the communication problems encountered in the emergency rescue process of various accidents and disasters in mines.
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煤矿井下空间狭窄、环境复杂，易发生自然灾害与事故灾难[1]。灾后断网、断电、通信系统瘫痪，导致救援队无法统一指挥，影响了救援效率和反应速度。目前矿井下应急通信设备存在传输距离短、无后备电池或电池工作时间短、传输带宽窄等问题，而井下设备必须满足防爆要求，通常采用厚重的隔爆外壳，设备体积较大，质量较重，不够轻量化[2]。
基于此，设计了一种矿用本安型自组网基站。基站基于SDR平台，采用无线Mesh网络、COFDM、分集接收等技术设计2.4 GHz和1.4 GHz双频段无线组网，支持“有线+无线”的工作方式，能快速组建无线通信网络，实现无线信号覆盖，解决地面指挥部、井下灾难现场以及救援人员之间信息互通的问题[3]。设备利用本质安全技术到达防爆标准，具有安全性能高、体积小、低功耗等优点，同时还自备电源，以满足应急通信需求，但其不局限于应急救援，也可应用于矿井下临时组网。
1. 自组网基站的工作框图
本安型自组网基站的整体工作框图如图1。
基站通过有线方式接收到的信号，先由光电转换单元将其转换为电信号再进行其他操作；由天线接收到的射频信号经过AD9361射频收发芯片的放大、变频、采样、抽取等操作后，转变为基带信号[4]；基带处理单元接收信号后进行预处理、FFT变换、COFDM解调等处理，得到原始数据；对其进行拆包，存入不同缓存单元，由ARM通过PCIe接口读取后，完成信源编码后进行存储或上传等操作。
基站通过WIFI转串口将需要传输的数据解析出来传给目标频段的无线通信模块，并将其转变为目标频段的射频信号由WIFI天线发射出去[5]，以实现无线覆盖。
2. 基站硬件
2.1 硬件组成
自组网基站系统框图如图2。
硬件采用通用SDR平台，包括射频单元、基带处理单元、光电转换单元、主控单元、电源单元和接口单元。射频单元负责信号的收发；基带处理单元负责基带信号的调制解调；主控单元负责无线资源的分配、功率控制和软切换；光电转换单元负责实现光信号与电信号的转换；本安电源单元负责为自组网基站的各个单元提供本质安全的电源；接口单元负责实现对基站的参数调试以及数据的交互。
2.2 射频单元
自组网基站的射频单元由ADL5523低噪声放大器、零中频射频收发芯片AD9361、线性功率放大器和天线构成[6]。其中AD9361集成度高、体积小、功耗小，相较于超外差接收机，不存在镜像频率干扰的问题且有利于实现单芯片集成，接收噪声系数小于2.5 dB，误差向量幅度EVM小于−40 dB，比较适合矿用设备便携化、轻量化的要求[7]。
发射频率和接收频率是独立的，为优化设计频率设置通过以下式子实现。
$$ {F}_{\mathrm{R}\mathrm{F}\mathrm{P}\mathrm{L}\mathrm{L}}={F}_{{\mathrm{LO}}}\times {2}^{（\mathrm{V}\mathrm{C}\mathrm{O}\_\mathrm{D}\mathrm{i}\mathrm{v}\mathrm{i}\mathrm{d}\mathrm{e}\mathrm{r}+1）} $$ (1) $$ {N}_{\mathrm{I}\mathrm{n}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{g}\mathrm{e}\mathrm{r}}={\mathrm{Floor}}\left(\frac{{F}_{\mathrm{R}\mathrm{F}\mathrm{P}\mathrm{L}\mathrm{L}}}{{F}_{REF}}\right) $$ (2) $$ {N}_{\mathrm{F}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{a}\mathrm{l}}={\mathrm{Round}}(8\;388\;593\times \left(\frac{{F}_{\mathrm{R}\mathrm{F}\mathrm{P}\mathrm{L}\mathrm{L}}}{{F}_{REF}}-{N}_{\mathrm{I}\mathrm{n}\mathrm{t}\mathrm{e}\mathrm{g}\mathrm{e}\mathrm{r}}\right) $$ (3) 式中：FRFPLL为发射锁相环频率；FLO为发射频率；FREF为参考时钟频率；VCO_Divider为通过表格查询得到的数值；NInteger、NFractional分别为发射频率的整数和小数部分； Floor为取最小整数；Round为取小数部分。
以发射频率为例，如FLO设置为1 400 MHz，则对应的VCO_Divider为2，根据式（1）得FRFPLL为114 800 MHz；将FREF设置为50 MHz，通过式（2）和式（3）得到NInteger为0XE5，NFractional为0X4C_CCC4，将其分别写入0x271、0x272和0x273-0x275寄存器中。
2.3 主控单元
自组网基站的主控单元由ARMCortexA9双核应用处理器、LPDDR存储芯片、片内存储器接口、各类I/O外设接口、时钟等构成。其中ARMCortexA9双核应用处理器解决超高频设计效率低下的问题，具有较高的功效水平；LPDDR相较于DDR体积小、性能稳定、功耗低，更适用于移动设备。主控单元通过AXI_GP控制接口实现逻辑资源AXI_DMA转换模块的初始化和相关配置，并调用相应的驱动程序，实现数据交互。
2.4 基带处理单元
自组网基站的基带处理单元由核心处理器Kintex-7架构的可编程逻辑、高速QTE扩展接口、调试配置接口与时钟构成。相比于DSP芯片，FPGA内部RAM资源可满足数据缓存需求，接口和资源复用更加灵活，并行处理能力强[8]。FPGA采用LVCMOS电平标准与AD9361连接，通过AXI接口与ARM连接。主要完成以下功能：对ARM打包好的数据进行基带处理，然后传输给AD9361完成基带到射频信号的转换；将接收到的信号恢复出有效数据，传输给ARM进行再处理操作；根据主控单元配置的通信策略，调整码率、调制方式等参数。基带处理流程如图3。
2.5 光电转换单元
光电转换单元整体框图如图4。光电转换单元由光模块、TF1102网络隔离变压器、以太网芯片RTL-8201F、时钟、LED和接口组成。
光模块在接收到光信号后，经过光探测二极管和前置放大器处理进而得到相应码率的电信号[9]，实现自组网基站有线通信中的光电转换的功能。RJ-45和其他接口实现与其他单元的数据交互，RTL-8201F通过MII/RMII接口与MCU连接，TF1102连接RJ-45和RTL-8201F，使RTL-8201F与外部隔离，用于信号电平耦合，抗干扰能力得到了增强，信号传输距离更远。
2.6 本安电源电路
自组网基站正常工作的最高电圧为12 V。由于本基站为本安设备，所以电源电路也要满足GB 3836.4中的相关要求[10]。本安电源采用软启动和DC-DC转换的设计方案，由TPS54302电源芯片、抗干扰电路、限流与软启动电路、双重过流过压电路组成。
根据GB 3638标准的要求，为防止电源反接或电路总电容能量外扩，在输入端串联3个SS34二极管，限流软启动电路可以将设备启动时的冲击电流限制在允许范围内，可以提高基站的稳定性。
3. 自组网基站软件
自组网基站软件框图如图5。
内核用户层中运行主控、组网模块和Linux嵌入式操作系统软件；ARM和FPGA功能区运行波形控制、接口控制和网络协议处理程序。基站的数字波形信号采用COFDM调制方式处理，通过QPSK/16QAM/64QAM/256QAM自适应调节技术提高平均吞吐量和频带利用率。
设备之间组建网络是以无线Mesh网络的形式，Mesh网络结构使用了IEEE802.11s软件协议，使相关的节点实现点对点的连接[11]。通过对/etc/config/wireless配置文件的修改完成协议的设置，从而顺利构建Mesh网络，通信链路构建流程如图6。
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图 6 基站建立通信链路流程图Figure 6. Flow chart of establishing a communication link for a base station基站通电后，通过默认的共享密钥和Mesh ID等信息与根节点关联上AC的基站进行Mesh Peering Open/Confirm交互，从而建立非安全临时的连接和MPP节点路由；基站通过此次连接与DHCP server交互，从而获得AC和自己的IP地址；发现AC并与其进行关联，临时建立CAPWAP隧道，从AC获得配置信息；然后通过Mesh Peering Close消息断开之前的临时连接；利用新的配置信息进行Mesh Peering Open/Confirm交互，完成密钥协商，进而得到基站间通信的最终密钥，并建立起安全正式的通信链路；与AC也建立起安全的CAPWAP隧道；若两基站间长时间无法建立连接则会恢复默认的配置，重新开始以上步骤，直到与AC建立起安全CAPWAP隧道。
4. 系统测试
自组网基站与地面调度台通过有线方式连接，启动基站后，基站之间通过1.4 GHz频段建立无线中继，从而形成从地面指挥部到救援现场的通信链路。同时自组网基站采用2.4 GHz频段实现无线覆盖，为救援队携带的智能终端设备提供网络，实现矿井下数据与地面指挥部之间的信息互通。
测试表明，该自组网基站在矿井下断电断网的情况下能够很好地提供网络，完成信息地传递，多跳能力为视频6～8跳，单跳传输距离不少于200 m，传输时延单跳约7 ms，整机功耗低于15 W，可持续工作4.5 h，整机质量约3 ㎏，可以满足煤矿井下灾后断电断网环境的应急通信也可应用于矿井下临时组网。
5. 结 语
设计了一款矿用本安型自组网基站，基站通过无线Mesh网络通信技术建立了矿井下与地面之间的通信链路，为各种终端设备提供网络。介绍了自组网基站的工作原理、硬件组成和基站的软件的设计。自组网基站克服了现有产品通信距离短、传输带宽窄、电池工作时间短、不方便携带等不足，QPSK/16QAM/64QAM/256QAM自适应调制，支持“全无线”和“有线+无线”两种工作模式，提高了事故救援的效率。
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