專利名稱：多RF礦用多功能無線Mesh網關裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及礦山多媒體無線通信領域，具體地說，是一種多RF礦用多功能無 線Mesh網關裝置。
背景技術：
我國礦山安全生產事故與自然災害時常發生，為了便于礦方日常排查安全隱患和 防患于未然，避免礦山自然災害和重特大等安全生產事故發生和災害事故發生時可快速組 織應急搶險力量和做出搜救等指揮決策，研制礦山多媒體無線通信裝備具有十分重大而緊 迫的現實意義。傳統礦井多媒體應急通信以有線方式為主，而隨著井下無線傳感器網路和無線局 域網等短距離通信技術的發展和應用需求的增加，無線網路通信正顯示出無比靈活的優越 性。目前，礦山應急救護大隊配備的應急無線通信系統一般采用防爆對講機、透地通信或礦 用小靈通等技術，這些技術都面臨功能單一且不支持多媒體通信業務實時可靠傳輸等局限 性。例如防爆對講機是采用點對點半雙工無線通信技術，不支持多媒體信息采集終端接入 和多跳無線傳輸，且傳輸距離大大受限于巷道復雜環境。透地通信受環形天線部署的限制， 無法覆蓋到不具備環形天線部署條件的災害和事故發生區域，如采掘作業面。礦用小靈通 由于無線工作頻段相對較低，對于有干擾的環境，其信號傳輸將受到嚴重影響，并且小靈通 傳輸速率只有64Kb/s 128Kb/s，還不能滿足多媒體業務寬帶傳輸的需求。WiFi (Wireless Fidelity，無線保真)無線 Mesh 網絡采用支持 IEEE802. lis 標準 和無線局域網(IEEE 802. ll(a/b/g/n)的傳輸技術，其中帶寬速率可達llMb/s、54Mb/s和 108Mb/s，甚至更高。WiFi無線Mesh網絡具有支持IP互聯技術、高帶寬、多跳傳輸、網絡自 組織、動態路由及其自學習、無線通信鏈路自愈以及網絡易部署等優點，但是設備工作功耗 通常較大。盡管基于無線Mesh網絡的寬帶應急通信設備在地面應用較廣泛，那是因為在地 面應用不受供電方式、重量、電源電池容量以及電路設計須符合本質安全等條件的限制。當 真正應用到井下通信時，卻又很難設計合適的便攜本安電源，特別是面臨設備重量和電源 電池容量設計難以滿足用戶需求等實際困難。因此，如何保證這些設備在井下盡可能長的 待機壽命和支持多媒體業務的傳輸，是當前無線Mesh網絡技術能否在礦山通信領域應用 面臨的關鍵技術挑戰。現有技術的缺點是現有的各種礦用多媒體通信設備功能單一，無線傳輸功耗、 傳輸帶寬和傳輸距離指標均受到相互的制約，不能很好支持多媒體通信業務的實時可靠傳 輸。現有的地面WiFi無線Mesh網絡雖然具有支持IP互聯技術、高帶寬、多跳傳輸、網絡自 組織、動態路由及其自學習等優點，但是又受到礦用井下供電方式以及電源容量的限制。雖 然我們提出了一種多RF礦用多功能無線Mesh路由裝置，但現有技術中還缺少一種能與多 RF礦用多功能無線Mesh路由裝置相匹配的網關裝置，要求支持多種通信網絡的融合，能夠 滿足多媒體通信業務實時可靠傳輸，并且能夠適應礦用井下供電方式和電源容量的限制。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種多RF礦用多功能無線Mesh網關裝置，不但適應于 礦山無線通信的環境制約，同時還具有多媒體業務寬帶傳輸功能，可將工業以太網、現場總 線以及WIFI無線局域網等不同異構網絡實現互聯和網絡融合，有助于將井下各種設備工 作和現場環境狀態、救援人員位置信息、救援指揮通訊業務等信息實時可靠傳輸到地面應 急指揮中心。即使井下發生緊急災情或原有通信固定基礎設施或供電系統失效時，該裝置 仍可靈活支持應急救護隊員臨時緊急部署無線通信網絡，最大程度將井下災情通過無線多 跳傳輸等多種方式上傳到地面應急指揮中心，以便及時做出恰當的救援指揮決策。而且本 實用新型所提供的多RF礦用多功能無線Mesh網關裝置具有無線傳輸可靠、通信質量穩定、 成本低、待機壽命長、抗干擾性強、使用方便等特點，特別適合我國礦山災害應急搜救等無 線通信應用，具有極大社會效益和經濟效益。為達到上述目的，本實用新型提供一種多RF礦用多功能無線Mesh網關裝置，由主 控系統板和子系統板組成，其關鍵在于所述主控系統板上設置有主控制器MCU，該主控制 器MCU的第一串口端連接有ZigBee通信模塊，該主控制器MCU的第二串口端與串口擴展模 塊的第零串口端連接，所述串口擴展模塊的第一串口端連接有第一轉換模塊，該第一轉換 模塊的輸出端口為現場總線接口，所述串口擴展模塊的第二串口端連接有第二轉換模塊， 該第二轉換模塊的輸出端口為RS232接口，所述串口擴展模塊的第三串口端連接有第三轉 換模塊，該第三轉換模塊的輸出端口為RJ45網口，所述主控制器MCU上連接有電源輸入選 通模塊以及RJ45接口選通電路，所述電源輸入選通模塊用于控制所述子系統板的電源輸 入通斷狀態，所述RJ45接口選通電路用于控制所述第三轉換模塊的輸出端口與工業以太 網接口的通斷狀態；所述子系統板上設置有子控制器CPU，該子控制器CPU經過內部總線與至少一個 WiFi智能接入卡連接，所述內部總線上還連接有子系統RS232串口、子系統RJ45第一網口 以及子系統RJ45第二網口，所述子系統RS232串口與所述主控系統板的RS232接口連接， 所述子系統RJ45第二網口與所述主控系統板的RJ45接口連接，所述子系統RJ45第一網口 與所述工業以太網接口連接。主控制器MCU通過第一串行通信接口實現與ZigBee通信模塊進行網絡信息 交互及數據處理、協議轉換和ZigBee網絡內部地址映射等。主控系統板通過設置串口 擴展模塊將主控制器MCU的第二串行通信接口擴展為三個TTL232通信接口。其中第 一 TTL232接口經第一轉換模塊轉換為RS485現場總線接口，實現與井下RFID(Raido Frequencyldentification,射頻識別技術)人員定位設備的互聯和通信，第二 TTL232接口 經第二轉換模塊轉換成RS232接口并與子系統RS232串口相連，實現主控系統板與子系統 板的互聯和通信，第三TTL232接口經第三轉換模塊轉換為RJ45接口并與子系統RJ45第二 網口相連，主要用于實現與外部工業以太網絡的連接。所述子系統板又稱為WiFi Mesh系統板，其中子控制器CPU用于協調和管理WiFi Mesh系統板各個通信組成部分的工作，在子控制器CPU內嵌入了功能強大的并支持多跳無 線Mesh網絡路由功能的嵌入式實時操作系統，并支持IEEE 802. lla/b/g無線局域網標準 和802. lis無線Mesh網絡標準草案等功能。WiFi智能接入卡、子系統RS232串口以及子 系統RJ45第一網口和子系統RJ45第二網口都是通過WiFi Mesh系統板上的內部總線實現Mesh橋接互聯通信。所述WiFi智能接入卡完全支持IEEE 802. lla/b/g無線技術標準和數 據、語音、圖像和視頻等多媒體信息采集終端的無線接入。 所述RJ45接口選通電路上設置有使能控制端口，該使能控制端口與所述主控制 器MCU的節能控制信號輸出端口連接，所述RJ45接口選通電路的一個通信接口與所述第三 轉換模塊的RJ45接口連接，該RJ45接口選通電路的另一通信接口與所述工業以太網接口 連接。所述電源輸入選通模塊上設置有電源使能控制端口，該電源使能控制端口也與所 述主控制器MCU的節能控制信號輸出端口 P1. 7連接，所述電源輸入選通模塊的輸出端為所 述子系統板供電。通過主控制器MCU改變所述節能控制信號輸出端口輸出的電平來控制電源輸入 選通模塊的工作輸出狀態，從而實現對子系統板的電源通斷控制，有效降低系統電源能量 的耗費。當子系統斷電時，所述主控制器MCU控制RJ45接口選通電路工作，使得第三轉換 模塊上的RJ45接口直接與工業以太網接口進行數據雙向傳輸。在所述主控系統板上還設置有大容量便攜本安電源處理模塊和主控系統電源處 理模塊，在子系統板上還設置有子系統電源處理模塊，所述本安電源處理模塊的輸入端與 外界便攜式直流本安電源連接，該本安電源處理模塊的輸出端連接在所述主控系統電源處 理模塊和電源輸入選通模塊的輸入端上。所述主控系統電源處理模塊的輸出端為所述主控 系統板供電，所述電源輸入選通模塊的輸出端與所述子系統電源處理模塊的輸入端連接， 該子系統電源處理模塊的輸出端為所述子系統板的其它功能模塊供電。大容量便攜本安電源處理模塊從外界便攜式直流電源中獲得電源輸入后，將來自 外界輸入的電源進行本安處理，最后穩壓輸出，以便保證主控系統板上各個模塊的正常工 作。通過設置的大容量便攜本安電源處理模塊可以實現外界電源的寬范圍電壓輸入。所述子系統板的內部總線上連接有3個Mini-PCI接口，所述Mini-PCI接口插接 所述WiFi智能接入卡。系統支持3個WiFi Mesh無線擴展Mini-PCI接口，WiFi智能接入卡通過WiFi Mesh無線擴展接口與所述內部總線橋接和互聯通信，方便了 WiFi智能接入卡的靈活安裝 與更換。所述ZigBee通信模塊配置有第一高增益全向RF天線，其工作頻段為2. 4GHz ；用 于ZigBee網絡接入和業務數據收發，為井下RFID人員定位設備和其他ZigBee傳感器終端 數據業務提供了一個無線Mesh網絡通信平臺。所述WiFi智能接入卡配置有第二高增益全 向RF天線，其工作頻段為2. 4GHz或5. 8GHz。用于負責WiFi音、視頻等業務終端的接入和 數據收發。采用多個RF天線獨立處理ZigBee無線Mesh網絡和WiFi無線Mesh網絡的業 務數據，系統通信穩定性和可靠性更高，采用高增益全向RF天線，簡化了 RF天線的安裝步 驟，增強了系統的災害環境適應能力。本實用新型還提供一種多RF礦用多功能無線Mesh網關裝置的控制系統，其關鍵 特征在于設置硬件設備底層驅動系統、嵌入式操作系統、節能控制系統和多功能Mesh網 關控制系統；所述多功能Mesh網關控制系統由支持無線Mesh網絡路由的ZigBee協議模塊、 用戶自定義協議模塊、802. 15. 4協議模塊、多協議轉換及地址映射模塊、802. 11協議模塊、
6802. 3協議模塊以及IP協議及地址映射模塊組成；其中ZigBee協議模塊和802. 15. 4協議模塊設置在ZigBee通信模塊中，所述 802. 15. 4協議模塊用于支持ZigBee無線傳感器網絡的物理層接入，所述ZigBee協議模塊 用于實現ZigBee無線Mesh網絡業務數據的Mesh網絡路由和多跳無線傳輸；用戶自定義協議模塊和多協議轉換及地址映射模塊設置在主控制器MCU中，所述 用戶自定義協議模塊用于支持現場總線業務數據的物理層接入，所述多協議轉換及地址映 射模塊用于實現現場總線業務數據轉換為ZigBee無線Mesh網絡業務數據；802. 11協議模塊、802. 3協議模塊以及IP協議及地址映射模塊設置在子系統CPU 中，所述802. 11協議模塊用于支持WiFi無線Mesh網絡的物理層接入，所述802. 3協議模 塊用于支持工業以太網絡的物理層接入，所述IP協議及地址映射模塊用于實現ZigBee無 線Mesh網絡、WiFi無線Mesh網絡以及工業以太網絡業務數據的網絡融合。多種協議模塊和協議轉換模塊共同組成一個多功能的網關控制系統，實現同時支 持WiFi無線Mesh網絡、ZigBee無線Mesh網絡以及工業以太網絡的組網和業務融合，其主 要處理業務數據類型有WiFi無線Mesh網絡業務數據、工業以太網絡業務數據、ZigBee無 線Mesh網絡業務數據和現場總線業務數據。來自ZigBee無線Mesh網絡業務數據是經過多協議轉換及地址映射以及IP協議 及地址映射后實現在TCP/IP網絡或WLAN網絡中傳輸，最終與工業以太網絡融合。來自WiFi 無線Mesh網絡業務數據經過IP協議及地址映射模塊處理后也可以在TCP/IP網絡或WLAN 網絡中傳輸，實現與工業以太網絡的融合。在數據傳輸過程中，礦用多功能無線Mesh網關裝置通過RF通道接口(一個通道 配置2. 4GHz高增益無源RF天線，另外一個配置2. 4GHz/5. 8GHz高增益無源RF天線)與外 部礦用無線Mesh路由器、2. 4GHz ZigBee傳感器、礦用視頻及圖像采集終端、礦用本安手機 等礦用多媒體應急救援終端設備互聯和雙向通信。礦用多功能無線Mesh網關通過RS485 現場總線可與井下RFID人員定位等設備雙向通信，通過工業以太網接口可與支持TCP/IP 的礦用網絡交換機或分站互聯和雙向通信。礦用網絡交換機或分站可通過井下光纖骨干網 連接到地面應急指揮中心的局域網交換機和多媒體業務服務器等。另外，礦用多功能無線 Mesh網關還可通過外接2. 4GHz/5. 8GHz高增益無源RF天線與地面或井下救災現場無線接 入點直接進行無線通信。現場總線業務數據通過用戶自定義協議模塊接入到網關裝置中，再通過多協議轉 換及地址映射模塊和IP協議及地址映射模塊處理后，由RJ45網口上傳到工業以太網絡。2. 4GHz ZigBee無線傳感器網路和多功能無線Mesh路由器上傳的ZigBee業務數 據經過第一 RF高增益無源天線接入到網關裝置中，通過多協議轉換及地址映射模塊和IP 協議及地址映射模塊處理后，再由RJ45網口上傳到工業以太網絡。多功能無線Mesh路由器上傳的WiFi業務數據以及其它WiFi終端設備傳輸的數 據通過第二高增益無源天線接入到網關裝置中，然后再通過IP協議及地址映射模塊處理 實現與工業以太網絡的融合。本實用新型提供的一種多RF礦用多功能無線Mesh網關裝置的控制系統中還涉及 到一種節能控制系統，該節能控制系統設置有用于判斷是否收到地面應急指揮中心服務器WiFi業務請求的裝置；[0032]如果收到地面應急指揮中心服務器WiFi業務請求，則用于判斷系統是否處于清醒狀態的裝置；如果系統處于清醒狀態，則用于返回判斷是否收到地面應急指揮中心服務器WiFi 業務請求的裝置；如果系統不處于清醒狀態，則用于廣播休眠結束命令的裝置；用于判斷是否處于硬休眠狀態的裝置；如果系統處于硬休眠狀態，則用于WiFi Mesh系統板通電的裝置；如果系統不處于硬休眠狀態，則用于WiFi智能接入卡使能的裝置；用于進入清醒狀態并設置清醒狀態標志的裝置；用于返回判斷是否收到地面應急指揮中心服務器WiFi業務請求的裝置；如果沒有收到地面應急指揮中心服務器WiFi業務請求，則進入WiFi業務查詢機 構；所述WiFi業務查詢機構設置有用于判斷WiFi業務查詢周期是否到達的裝置；如果WiFi業務查詢周期沒有到達，則用于返回判斷是否收到地面應急指揮中心 服務器WiFi業務請求的裝置；如果WiFi業務查詢周期到達，則用于設置WiFi業務查詢請求次數Q = 0的裝 置；用于發起查詢WiFi業務請求的裝置；用于判斷是否收到多媒體業務服務器響應的裝置；如果沒有收到多媒體業務服務器響應，則用于判斷請求次數Q是否大于K的裝 置；如果請求次數不大于K，則用于設置WiFi業務查詢請求次數Q = Q+1并返回所 述發起查詢WiFi業務請求的裝置；如果請求次數大于K，則進入硬休眠控制機構；如果收到多媒體業務服務器響應，則用于判斷無線Mesh網絡是否存在WiFi業務 的裝置；如果無線Mesh網絡存在WiFi業務，則用于軟、硬休眠次數計數器清零的裝置；用于返回判斷是否收到地面應急指揮中心服務器WiFi業務請求的裝置；如果無線Mesh網絡不存在WiFi業務，則用于判斷軟休眠次數是否大于N的裝 置；[0055]如果軟休眠次數不大于N，則進入軟休眠控制機構；如果軟休眠次數大于N，則進入硬休眠控制機構；所述軟休眠控制機構設置有用于進入軟休眠狀態并設置軟休眠狀態標志的裝置；用于廣播軟休眠命令的裝置；用于軟休眠次數加1的裝置；用于禁用WiFi智能接入卡的裝置；用于設置軟休眠定時器初值(Ts)的裝置；[0063]用于返回判斷是否收到地面應急指揮中心服務器WiFi業務請求的裝置；所述硬休眠控制機構設置有用于進入硬休眠狀態并設置硬休眠狀態標志的裝置；用于廣播硬休眠命令的裝置；用于硬休眠次數加1的裝置；用于WiFi Mesh系統板斷電的裝置；用于設置硬休眠定時器初值(Th)的裝置；用于判斷硬休眠次數是否大于M的裝置；如果硬休眠次數不大于M，則用于返回判斷是否收到地面應急指揮中心服務器 WiFi業務請求的裝置；如果硬休眠次數大于M，則用于軟、硬休眠次數計數器清零的裝置；用于返回判斷是否收到地面應急指揮中心服務器WiFi業務請求的裝置。本實用新型提出的基于系統自適應業務響應的軟、硬休眠相結合通信節能控制方 法主要解決4個關鍵技術問題(1)判斷礦用多媒體應急無線Mesh網絡中是否存在WiFi業 務；(2)保證不影響WiFi終端或WiFi業務接入礦用多媒體應急無線Mesh網絡；(3)實現 WiFi智能接入卡的禁用與使能，以及WiFi Mesh系統板的通電與斷電；(4)保證系統核心裝 置同時使能/禁用WiFi智能接入卡和通電/斷電WiFiMesh系統板。礦用多功能無線Mesh網關既能實現礦用多媒體應急無線Mesh網絡和其他異構網 絡互聯，又能實現與多媒體業務服務器進行通信響應交互。多媒體業務服務器實時監測網 絡多媒體業務情況，記錄網內發生的數據、語音和視頻多媒體業務。礦用多功能無線Mesh 網關通過接入IP網絡和周期性地查詢多媒體業務服務器，以此判斷礦用多媒體應急無線 Mesh網絡中是否存在WiFi業務。如果沒有WiFi業務，在軟休眠狀態，礦用多功能無線Mesh 網關則通過基于ZigBee的無線Mesh網絡通信平臺廣播軟休眠命令，然后禁用WiFi智能接 入卡，進入軟休眠狀態。礦用多功能無線Mesh路由器收到軟休眠命令，立即禁用WiFi智能 接入卡，進入軟休眠狀態。系統核心裝置的軟休眠或禁用WiFi智能接入卡時間(Ts)相同， 軟休眠結束后就使能各自的WiFi智能接入卡，進入正常(清醒)工作狀態。在硬休眠狀 態，礦用多功能無線Mesh網關則通過基于ZigBee的無線Mesh網絡通信平臺廣播硬休眠命 令，然后使得WiFi Mesh系統板斷電，并進入硬休眠狀態。礦用多功能無線Mesh路由器收 到硬休眠命令后立即使得WiFi Mesh系統板斷電，進入硬休眠狀態。系統核心裝置硬休眠 或WiFi Mesh系統板斷電時間(Th)相同，硬休眠結束后就使得WiFiMesh系統板重新通電， 進入正常(清醒)工作狀態。系統核心裝置進入正常(清醒)工作狀態后，WiFi終端就可接入到應急通信系統 無線Mesh網絡中，并向多媒體業務服務器發起WiFi業務請求和完成WiFi業務登記。礦用 多功能無線Mesh網關查詢多媒體業務服務器時，如果應急通信系統無線Mesh網絡中存在 WiFi業務，礦用多功能無線Mesh網關不會廣播休眠命令(軟或硬休眠)，系統核心裝置將 繼續保持正常(清醒)工作狀態，直到應急通信系統無線Mesh網絡中沒有WiFi業務。當系統核心裝置處于軟休眠狀態或硬休眠狀態時，如果WiFi終端(如WiFi手機) 請求接入應急通信系統無線Mesh網絡，則須等待至系統核心裝置休眠結束和進入正常(清 醒)工作狀態時才可接入。如果地面應急救援指揮中心發起WiFi業務，多媒體業務服務器會向礦用多功能無線Mesh網關發送指揮中心WiFi業務請求。礦用多功能無線Mesh網關 收到指揮中心發起的WiFi業務請求后，如果系統核心裝置處于軟休眠狀態或硬休眠狀態， 則會通過基于ZigBee的無線Mesh網絡通信平臺廣播休眠結束命令，使系統核心裝置恢復 到正常(清醒)工作狀態。本實用新型的顯著效果是提供了一種多RF礦用多功能無線Mesh網關裝置及其 控制系統，具有以下特征①同時支持井下語音和圖像等多媒體業務進行無線寬帶網絡多跳傳輸，系統實現 了基于多跳網絡的多媒體業務接入和無線Mesh路由傳輸平臺，支持音、視頻等WiFi無線終 端接入，且無線傳輸帶寬理論可達54Mbps ；②實現了同時支持WiFi無線Mesh網絡和ZigBee無線Mesh網絡、工業以太網和 現場總線等多種技術標準的接口電路，支持工業以太網、RFID/傳感器現場總線網絡以及 WiFi無線局域網等多重異構網絡有效融合；③實現了基于ZigBee無線Mesh網絡傳輸RFID讀卡器/現場傳感器數據的硬件 平臺和通過串口控制的WiFi網絡通信節能嵌入式硬件電路設計，可有效延長系統裝置待 機壽命時間達32% ；④系統裝置通過ZigBee通信模塊和WiFi無線Mesh系統板實現了應急救援通信 系統快速自組織無線網絡、無線鏈路自愈和無線Mesh多跳路由傳輸，且最大可支持3個 WiFi Mesh無線擴展接口(Mini-PCI)和多RF通道高可靠無線Mesh傳輸；⑤系統裝置支持系統在2. 4GHz/5. 8GHz兩種微波工作頻段，支持選配全向高增益 外置天線和災區無線網絡連續覆蓋。⑥系統裝置實現了大容量本安便攜電源雙路自動切換和本質安全控制技術，系統 待機壽命可達60 72小時，防護等級可達IP65以上，可適應在井下高濕和高煤塵等惡劣 災害環境使用。⑦支持與KJ90等多種系列全礦井綜合自動化系統和礦山安全生產多媒體監控系 統互聯，支持基于SIP協議的VOIP語音服務和通信節能控制技術。

圖1是本實用新型的電路結構組成示意圖；圖2是本實用新型的控制系統模型示意圖；圖3是本實用新型中節能控制系統控制流程圖；圖4是礦井多媒體無線Mesh網絡拓撲圖。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步詳細說明。如圖1所示一種多RF礦用多功能無線Mesh網關裝置，由主控系統板1和子系統 板2組成，所述主控系統板1上設置有主控制器MCU15，該主控制器MCU 15的第一串口端 UART1連接有ZigBee通信模塊14，該主控制器MCU 15的第二串口端UART2與串口擴展模 塊17的第零串口端C0M0連接，所述串口擴展模塊17的第一串口端C0M1經第一轉換模塊 16轉換為現場總線接口，該串口擴展模塊17的第二串口端COM2經第二轉換模塊18轉換為RS232接口，該串口擴展模塊17的第三串口端COM3經第三轉換模塊19轉化為RJ45網口， 所述主控制器MCU 15上連接有電源輸入選通模塊13以及RJ45接口選通電路19’，所述電 源輸入選通模塊13用于控制所述子系統板2的電源輸入通斷狀態，所述RJ45接口選通電 路19’用于控制所述第三轉換模塊19上的RJ45網口與工業以太網接口的連接狀態；所述子系統板2上設置有子控制器CPU 26，該子控制器CPU 26經過內部總線以及 Mini PCI接口 23與3個WiFi智能接入卡22連接，所述內部總線上還連接有子系統RS232 串口 24、子系統RJ45第一網口 25以及子系統RJ45第二網口 25，，所述子系統RS232串口 24與所達主控系統板1的RS232接口連接，所述子系統RJ45第二網口 25’與所述主控系統 板1的RJ45接口連接，所述子系統RJ45第一網口 25與所述工業以太網接口連接。在具體實施過程中，所述主控制器MCU 15采用16MHz MCU控制器，采用型號為 MSP 430F249的主芯片，串口擴展模塊17采用的主芯片為GM8123，第一轉換模塊16采用 SP3485，主要功能是將TTL232轉化為RS485總線接口，第二轉換模塊18采用MAX3232，主要 功能是將TTL232轉換為RS232串口，第三轉換模塊19采用IP0RT-1，主要功能是將TTL232 轉換為RJ45接口，所述RJ45接口選通電路19，主要采用集成芯片SN74HC4066，所述子控制 器CPU 26采用266MHz高性能CPU控制器，其芯片型號為MPC8321。ZigBee通信模塊14主要用于ZigBee無線Mesh網絡數據路由和業務信息傳輸，該 模塊實現了 IEEE 802. 15. 4和ZigBee標準協議，并集成了高性能RF微處理器、可編程I/O 接口、無線發射功率放大器及其發射功率等級控制器等。既可支持ZigBee無線Mesh自組 織網絡，又可支持傳統的點對點和網絡廣播透明通信方式，以及2. 4GHz頻段工作的ZigBee 無線傳感器終端接入。支持動態多跳無線Mesh網絡路由和長距離、高可靠傳輸，理論最大 數據傳輸速率可達250kbps，最遠路由跳數可達20跳以上，且在礦井平直巷道每跳無線傳 輸距離可達500米以上。RS485現場總線接口主要用于連接各種井下RFID (RaidoFrequency Identification，射頻識別)人員定位設備，RS485現場總線接口采集到的數據經過第一轉 換模塊16以及串口擴展模塊17后上傳到主控制器MCU15內，通過主控制器MCU15進行協 議和數據幀格式轉換，最后使得數據能夠在ZigBee無線Mesh網絡中路由和傳輸。WiFi智能接入卡22支持礦用WiFi手機以及其它WiFi音、視頻終端的接入，WiFi 智能接入卡22配置2. 4GHz或5. 8GHz的高增益全向RF天線，RF天線工作頻段與WiFi智 能接入卡22工作頻段保持一致，數據無線傳輸理論帶寬可達54Mbps。系統可采用多RF通 道分別對ZigBee無線Mesh網絡數據和WiFi無線Mesh網絡數據獨立傳輸，增強了系統的 可靠性和通信抗電磁干擾能力。所述RJ45接口選通電路19’上設置有使能控制端口 EN1，該使能控制端口 EW與 所述主控制器MCU 15的節能控制信號輸出端口 P1. 7連接，所述RJ45接口選通電路19’的 一個通信接口與所述第三轉換模塊19的RJ45接口連接，該RJ45接口選通電路19’的另一 通信接口與所述工業以太網接口連接。所述電源輸入選通模塊13上設置有電源使能控制端口 EN，該使能控制端口 EN也 與所述主控制器MCU 15的節能控制信號輸出端口 P1. 7連接，所述電源輸入選通模塊13的 輸出端為所述子系統板2的其他功能模塊供電。子系統RJ45第二網口 25’與主控系統板1中的第三轉換模塊19轉換出的RJ45接口連接，子系統RJ45第二網口 25’與子系統RJ45第一網口 25是通過內部總線實現橋接 的，子系統RJ45第一網口 25還與外部工業以太網絡連接，所述主控系統板1中的第三轉換 模塊19轉換出的RJ45接口還經過RJ45接口選通電路19’與外部工業以太網接口連接，如 果電源輸入選通模塊13使得子系統板2斷電時，主控系統板1的RJ45接口可以直接通過 RJ45選通模塊19’與工業以太網絡進行數據傳輸。在所述主控系統板1上還設置有大容量便攜本安電源處理模塊12和主控系統電 源處理模塊11，在子系統板2上還設置有子系統電源處理模塊21，所述本安電源處理模塊 12的輸入端與外界便攜式直流本安電源DC連接，該本安電源處理模塊12的輸出端連接在 所述主控系統電源處理模塊11和電源輸入選通模塊13的輸入端上。所述主控系統電源處 理模塊11的輸出端為所述主控系統板1供電，所述電源輸入選通模塊13的輸出端與所述 子系統電源處理模塊21的輸入端連接，該子系統電源處理模塊21的輸出端為所述子系統 板2的其它功能模塊供電。大容量便攜本安電源處理模塊12從外界便攜式直流電源DC中獲得電源輸入后， 將來自外界的輸入的電源進行本安處理，使得外接直流電源在12V 18V的變化范圍內都 能保持穩定的輸出，從而保證了各個模塊和系統板的正常工作。所述的主控系統電源處理 模塊11和子系統電源處理模塊21輸出3. 3V直流穩壓電壓，分別為其他的各個功能模塊供
^^ o如圖2所示，所述一種多RF礦用多功能無線Mesh網關裝置的控制系統主要由軟 件控制完成，除了底層硬件設備驅動系統以及嵌入式實時操作系統外，所述控制系統中還 設置有無線Mesh網絡網關控制系統，該無線Mesh網絡網關控制系統包括設置在ZigBee通信模塊14中的ZigBee協議模塊a和802. 15. 4協議模塊c，所 述802. 15. 4協議模塊c用于支持ZigBee無線Mesh網絡的物理層接入，所述ZigBee協議 模塊a用于實現ZigBee無線Mesh網絡業務數據多跳路由和傳輸；設置在主控制器MCU 15中的用戶自定義協議模塊b以及多協議轉換及地址映射 模塊d，所述用戶自定義協議模塊b用于支持現場總線業務數據的物理層接入，所述多協議 轉換及地址映射模塊d用于實現現場總線業務數據和ZigBee無線Mesh網絡業務數據的協 議幀格式相互轉換；設置在子系統CPU 26中的802. 11協議模塊e、802. 3協議模塊f以及IP協議及 地址映射模塊g，所述802. 11協議模塊e用于支持WiFi無線Mesh網絡的物理層接入，所述 802. 3協議模塊f用于支持工業以太網絡的物理層接入，所述IP協議及地址映射模塊g用 于實現WiFi無線Mesh網絡、ZigBee無線Mesh網絡以及工業以太網絡業務數據網絡融合。如圖3所示，所述一種多RF礦用多功能無線Mesh網關裝置的控制系統中還設置 有節能控制系統，該節能控制系統設置有用于判斷是否收到地面應急指揮中心服務器WiFi業務請求的裝置；如果收到地面應急指揮中心服務器WiFi業務請求，則用于判斷系統是否處于清醒狀態的裝置；如果系統處于清醒狀態，則用于返回判斷是否收到地面應急指揮中心服務器WiFi 業務請求的裝置；如果系統不處于清醒狀態，則用于廣播休眠結束命令的裝置；[0112]用于判斷是否處于硬休眠狀態的裝置；如果系統處于硬休眠狀態，則用于WiFi Mesh系統板通電的裝置；如果系統不處于硬休眠狀態，則用于WiFi智能接入卡使能的裝置；用于進入清醒狀態并設置清醒狀態標志的裝置；用于返回判斷是否收到地面應急指揮中心服務器WiFi業務請求的裝置；如果沒有收到地面應急指揮中心服務器WiFi業務請求，則進入WiFi業務查詢機 構；所述WiFi業務查詢機構設置有用于判斷WiFi業務查詢周期是否到達的裝置；如果WiFi業務查詢周期沒有到達，則用于返回判斷是否收到地面應急指揮中心 服務器WiFi業務請求的裝置；如果WiFi業務查詢周期到達，則用于設置WiFi業務查詢請求次數Q = 0的裝 置；用于發起查詢WiFi業務請求的裝置；用于判斷是否收到多媒體業務服務器響應的裝置；如果沒有收到多媒體業務服務器響應，則用于判斷請求次數Q是否大于K的裝 置，通常設置K = 3;如果請求次數不大于K，則用于設置WiFi業務查詢請求次數Q = Q+1并返回所 述發起查詢WiFi業務請求的裝置；如果請求次數Q大于K，則進入硬休眠控制機構；如果收到多媒體業務服務器響應，則用于判斷無線Mesh網絡是否存在WiFi業務 的裝置；如果無線Mesh網絡存在WiFi業務，則用于軟、硬休眠次數計數器清零的裝置；用于返回判斷是否收到地面應急指揮中心服務器WiFi業務請求的裝置；如果無線Mesh網絡不存在WiFi業務，則用于判斷軟休眠次數是否大于N的裝 置；如果軟休眠次數不大于N，則進入軟休眠控制機構；如果軟休眠次數大于N，則進入硬休眠控制機構；所述軟休眠控制機構設置有用于進入軟休眠狀態并設置軟休眠狀態標志的裝置；用于廣播軟休眠命令的裝置；用于軟休眠次數加1的裝置；用于禁用WiFi智能接入卡的裝置；用于設置軟休眠定時器初值(Ts)的裝置；用于返回判斷是否收到地面應急指揮中心服務器WiFi業務請求的裝置；所述硬休眠控制機構設置有用于進入硬休眠狀態并設置硬休眠狀態標志的裝置；用于廣播硬休眠命令的裝置；用于硬休眠次數加1的裝置；[0144]用于WiFi Mesh系統板斷電的裝置；用于設置硬休眠定時器初值(Th)的裝置；用于判斷硬休眠次數是否大于M的裝置；如果硬休眠次數不大于M，則用于返回判斷是否收到地面應急指揮中心服務器 WiFi業務請求的裝置；如果硬休眠次數大于M，則用于軟、硬休眠次數計數器清零的裝置；用于返回判斷是否收到地面應急指揮中心服務器WiFi業務請求的裝置。本實用新型的工作原理是如圖4所示，本實用新型所述的多RF礦用多功能無線Mesh網關裝置與多功能無 線Mesh路由裝置及其終端設備等共同組成礦用無線Mesh網絡，由于多RF礦用多功能無 線Mesh網關裝置具有支持多種協議的接口電路和處理系統，所以在多RF礦用多功能無線 Mesh網關裝置上可以連接多種礦用通信設備，包括礦用本安手機、礦用視頻及圖像采集終 端、礦用多功能無線Mesh路由器、2. 4GHz ZigBee傳感器終端以及井下RFID人員定位設備寸。多RF礦用多功能無線Mesh網關裝置通過TCP/IP網絡與礦用網絡交換機或分站 連接，礦用網絡交換機或分站經過井下光纖骨干網與地面局域網交換機連接，在地面局域 網交換機上設置有多媒體業務服務器以及無線接入點AP，所述無線接入點AP還能通過無 線鏈路與所述多RF礦用多功能無線Mesh網關裝置進行互通。在實際應用中，所述多RF礦用多功能無線Mesh網關裝置及其控制系統主要處理 的業務數據類型有WiFi無線Mesh網絡業務數據、工業以太網絡業務數據、ZigBee無線 Mesh網絡業務數據和現場總線業務數據。按照802. 15. 4協議模塊c規定的各種參數要求對ZigBee通信模塊進行配置，使 得ZigBee傳感器終端經過第一高增益全向RF天線無線接入多RF礦用多功能無線Mesh 網關裝置中，所述ZigBee傳感器終端發送的數據為ZigBee無線Mesh網絡業務數據，經過 ZigBee協議模塊a進行處理后可以實現多跳路由，ZigBee協議模塊a處理后的數據也可以 經過多協議及地址映射模塊d處理后轉換為IP協議數據包，IP協議數據包經過第三轉換 模塊19后可以通過RJ45接口選通電路與工業以太網絡連接，也可以通過子系統RJ第二網 口 25’傳輸到子系統2中，通過子控制器CPU 26中的IP協議及地址映射模塊g的處理，最 后通過子系統RJ45第一網口 25與工業以太網絡連接，或者是通過WiFi智能接入卡22與 外部無線局域網絡連接，實現了網絡的數據傳輸。同理，井下RFID人員定位設備傳送的數據經過用戶自定義協議模塊b—多協議轉 換及地址映射模塊d — IP協議及地址映射模塊g — 802. 3協議模塊f的處理后，按照TCP/ IP協議標準傳送到礦用網絡交換機中。經過IP協議及地址映射模塊g處理后的數據也可 以通過802. 11協議模塊e的處理，最后以無線局域網WLAN的組網模式傳送到地面無線接 入點AP上，最終與地面局域網交換機以及多媒體服務器連接。WiFi Mesh網絡業務數據的處理主要通過子系統板2即可完成。所述礦用本安手 機、礦用視頻及圖像采集終端以及礦用多功能無線Mesh路由器經過802. 11協議模塊e實 現與所述礦用多功能無線Mesh網關裝置的物理層接入，各種終端設備或路由設備傳送的 數據經過IP協議及地址映射模塊g的處理后，通過802. 3協議模塊f即可接入到現場工業以太網絡中，各種數據的處理方式以及數據傳輸的幀結構等技術在本領域內已經相當成 熟，作為本領域內的普通技術人員應該算是公知常識，這里就不在累述。所述節能控制系統則是根據網絡中業務狀態對系統的工作狀態進行實時的控制， 在系統內主要定義有軟休眠狀態、硬休眠狀態以及清醒狀態。所述多RF礦用多功能無線 Mesh網關裝置通過接入在IP網絡中的多媒體業務服務器實時查詢無線Mesh網絡中是否存 在WiFi業務請求。首先是判斷是否存在地面應急指揮中心服務器WiFi業務請求，如果網關裝置收 到地面應急指揮中心服務器WiFi業務請求，則檢查判斷是否處于清醒工作狀態，如果處于 清醒狀態，則整個網絡對相應的業務數據處理，節能控制系統不必進行節能操作。如果網 絡中的網關裝置和下層路由裝置不處于清醒狀態，則網關裝置將通過ZigBee Mesh網絡廣 播休眠結束命令，路由裝置收到休眠結束命令時，則自動從軟休眠狀態或硬休眠狀態恢復 到清醒狀態，如果是處于硬休眠狀態，則使WiFi Mesh系統板通電，如果是軟休眠狀態，則使 WiFi智能接入卡使能，最后恢復到清醒狀態并設置相應的狀態標志。所述多RF礦用多功能無線Mesh網關裝置中設置有WiFi業務的查詢周期，如果沒 有收到地面應急指揮中心服務器WiFi業務請求，網關裝置則對Mesh路由或底層WiFi終端 進行周期性業務查詢，在查詢過程中，網關裝置首先向多媒體服務器發送查詢WiFi業務請 求，多媒體服務器收到WiFi業務查詢請求后將作出響應，如果網關裝置收到WiFi業務查詢 請求的響應則可判斷無線Mesh網絡中是否存在WiFi業務，如果沒有收到WiFi業務查詢請 求響應，網關裝置則繼續發送查詢WiFi業務請求，多次查詢仍未響應，網關裝置則直接進 入硬休眠狀態，一般設置查詢請求最大次數K為3。如果收到多媒體業務服務器響應，并且無線Mesh網內存在WiFi業務，則網關裝置 將軟、硬休眠次數的計數器清零，節能控制系統不進行節能操作，回到清醒狀態正常處理網 絡中的業務數據。如果收到多媒體業務服務器響應，但是無線Mesh網內不存在WiFi業務，則判斷軟 休眠的次數是否大于N，設置N等于3，如果連續查詢到3次無線Mesh網內不存在WiFi業 務，則進入硬休眠狀態，如果沒有3次，則進入軟休眠狀態，廣播軟休眠命令，并將軟休眠次 數加1，在軟休眠狀態下，網關禁用WiFi智能卡的接入，并設置了軟休眠的定時時間！；，一 般設為10秒。根據上述各種判斷情況，如果系統進入硬休眠狀態，則網關裝置廣播硬休眠命令， 并將硬休眠次數加1，所述網關裝置中的主控制器MCU15使得WiFi Mesh系統板2斷電，同 時也設置有硬休眠定時時間Th，一般為60秒。硬休眠定時過程中，主控制器MCU 15判斷硬休眠次數是否大于M次，一般設M = 3，如果大于了 3次，則將軟、硬休眠次數計數器清零。讓節能控制再從新開始。上述的所有流程走到最后均是返回到是否收到地面應急指揮中心服務器WiFi業 務請求的判斷流程中，從而實現節能控制系統的主循環過程。在軟休眠或硬休眠的過程中，主控制MCU 15能夠實時監測到地面指揮中心下傳 的WiFi業務請求，并能夠將休眠狀態中的網關裝置和路由裝置喚醒到清醒狀態來，但是在 休眠的狀態下，各種WiFi終端設備請求接入應急通信系統無線Mesh網絡，則須等待至系統 核心裝置休眠結束和進入正常(清醒)工作狀態時才可接入。[0166] 因為系統是周期性地對無線Mesh網絡中的WiFi業務進行查詢，所以根據網絡在 的業務狀態，系統可以不停的在各個狀態下自由切換，通過這樣往返循環，最終達到通信節 能效果。通過實驗證明，采用本實用新型所述的節能控制系統能使得所述多RF多功能無線 Mesh網關裝置待機壽命時間延長可達32%。
權利要求一種多RF礦用多功能無線Mesh網關裝置，由主控系統板(1)和子系統板(2)組成，其特征在于所述主控系統板(1)上設置有主控制器MCU(15)，該主控制器MCU(15)的第一串口端(UART1)連接有ZigBee通信模塊(14)，該主控制器MCU(15)的第二串口端(UART2)與串口擴展模塊(17)的第零串口端(COM0)連接，所述串口擴展模塊(17)的第一串口端(COM1)連接有第一轉換模塊(16)，該第一轉換模塊(16)的輸出端口為現場總線接口，所述串口擴展模塊(17)的第二串口端(COM2)連接有第二轉換模塊(18)，該第二轉換模塊(18)的輸出端口為RS232接口，所述串口擴展模塊(17)的第三串口端(COM3)連接有第三轉換模塊(19)，該第三轉換模塊(19)的輸出端口為RJ45網口，所述主控制器MCU(15)上連接有電源輸入選通模塊(13)以及RJ45接口選通電路(19’)，所述電源輸入選通模塊(13)的輸出端為所述子系統板(2)供電，所述RJ45接口選通電路(19’)用于控制所述第三轉換模塊(19)的輸出端口與工業以太網接口的連接狀態；所述子系統板(2)上設置有子控制器CPU(26)，該子控制器CPU(26)經過內部總線與至少一個WiFi智能接入卡(22)連接，所述內部總線上還連接有子系統RS232串口(24)、子系統RJ45第一網口(25)以及子系統RJ45第二網口(25’)，所述子系統RS232串口(24)與所述主控系統板(1)的RS232接口連接，所述子系統RJ45第二網口(25’)與所述主控系統板(1)的RJ45接口連接，所述子系統RJ45第一網口(25)與所述工業以太網接口連接。
2.根據權利要求1所述的一種多RF礦用多功能無線Mesh網關裝置，其特征在于所 述RJ45接口選通電路(19，)上設置有使能控制端口(Em)，該使能控制端口(Em)與所述 主控制器MCU(15)的節能控制信號輸出端口(P1.7)連接，所述RJ45接口選通電路(19’ ) 的一個通信接口與所述第三轉換模塊(19)的RJ45接口連接，該RJ45接口選通電路(19’) 的另一通信接口與所述工業以太網接口連接。
3.根據權利要求1所述的一種多RF礦用多功能無線Mesh網關裝置，其特征在于所 述電源輸入選通模塊(13)上設置有電源使能控制端口(EN)，該使能控制端口(EN)與所述 主控制器MCU(15)的節能控制信號輸出端口(P1.7)連接，所述電源輸入選通模塊(13)的 輸出端為所述子系統板(2)供電。
4.根據權利要求1或3所述的一種多RF礦用多功能無線Mesh網關裝置，其特征在于 在所述主控系統板(1)上還設置有大容量便攜本安電源處理模塊(12)和主控系統電源處 理模塊(11)，在子系統板(2)上還設置有子系統電源處理模塊(21)，所述本安電源處理模 塊(12)的輸入端與外界便攜式直流本安電源(DC)連接，該本安電源處理模塊(12)的輸 出端連接在所述主控系統電源處理模塊(11)和電源輸入選通模塊(13)的輸入端上，所述 主控系統電源處理模塊(11)的輸出端為所述主控系統板(1)供電，所述電源輸入選通模 塊(13)的輸出端與所述子系統電源處理模塊(21)的輸入端連接，該子系統電源處理模塊 (21)的輸出端為所述子系統板(2)的其它功能模塊供電。
5.根據權利要求1所述的一種多RF礦用多功能無線Mesh網關裝置，其特征在于所述 子系統板(2)的內部總線上連接有3個Mini-PCI接口(23)，每個所述Mini-PCI接口(23) 插接一個所述WiFi智能接入卡(22)。
6.根據權利要求1所述的一種多RF礦用多功能無線Mesh網關裝置，其特征在于所 述ZigBee通信模塊(14)外接有第一高增益全向RF天線，其工作頻段為2. 4GHz ；所述WiFi智能接入卡(22)外接有第二高增益全向RF天線，其工作頻段為2. 4GHz或5. 8GHz。
專利摘要本實用新型提供一種多RF礦用多功能無線Mesh網關裝置及其控制系統，其裝置由主控系統板和子系統板等組成。主控系統板包括主控制器、主控系統電源處理模塊、ZigBee通信模塊和節能控制電路；子系統板包括子控制器、子系統電源處理模塊和WiFi智能接入卡等；其控制系統包括硬件設備底層驅動系統、嵌入式操作系統、節能控制系統和多功能Mesh網關控制系統。其顯著效果是能支持多媒體業務在多RF通道WiFi無線Mesh網絡和ZigBee無線Mesh網絡中同時傳輸，實現工業以太網、現場總線以及WiFi無線局域網的網絡融合，不但支持高可靠通信和自組織組網，而且支持通信節能控制，可有效延長待機壽命。
文檔編號H04W88/16GK201690618SQ20102018475
公開日2010年12月29日 申請日期2010年5月10日 優先權日2010年5月10日
發明者宋文, 戴劍波, 樊榮, 游青山, 王飛 申請人:煤炭科學研究總院重慶研究院