基于無線通信的煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
煤炭行業(yè)一直以來是我國(guó)稅收收入的一個(gè)重要來源。然而由于煤礦地理位置普遍偏遠(yuǎn)、交通不便,管理難度較大。同時(shí)稅務(wù)部門征稅手段相對(duì)落后,對(duì)煤礦缺乏有效監(jiān)管,造成了我國(guó)稅收收入的流失。電子遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能夠很好地解決以上問題。針對(duì)煤礦地理位置偏遠(yuǎn)的情況,無線通信方式是比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)解決方案,其中CDMA(Code Division MuIf.pIe Access)通信方式具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、覆蓋范圍廣、抗干擾能力強(qiáng)、發(fā)射功率低、頻譜利用率高等優(yōu)點(diǎn)[1],能夠滿足煤炭產(chǎn)量遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)通信的遠(yuǎn)距離、高可靠性、低功耗以及圖象信息傳輸?shù)忍厥庖蟆?/p>本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/155607.htm
概述
1.基本概念與原理
寧夏很多煤礦地理位置偏僻,地形復(fù)雜,采用有線通訊網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資大,網(wǎng)絡(luò)布線困難,網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本高;采用微波、數(shù)傳電臺(tái)等載波方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率低,傳輸距離有限,用戶須自己建立網(wǎng)絡(luò),投資較大,還需要投入人力物力進(jìn)行維護(hù)。最后由于快速的通信速度、安全可靠的通信質(zhì)量和布網(wǎng)靈活的特性,寧夏煤炭安全監(jiān)察局選擇了聯(lián)通CDMA 1X無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)作為“煤炭安全監(jiān)控系統(tǒng)”的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。
CDMA 1X無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)可滿足寧夏煤炭安全監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸要求。CDMA 1X無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)符合無線網(wǎng)IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn),符合在全球范圍內(nèi)免許可證的有關(guān)規(guī)定,對(duì)于所有傳輸?shù)降臄?shù)據(jù)、協(xié)議能毫不保留地轉(zhuǎn)發(fā)到上一級(jí)網(wǎng)絡(luò);支持TCP/IP傳輸協(xié)議,支持WVPN通訊方式,具體可支持L2TP、IPSec、VR等路由方式的VPDN(虛擬專用撥號(hào)網(wǎng)絡(luò));傳輸丟包率小于1%,時(shí)延率平均為600毫秒,不大于井下安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)掃描周期的秒時(shí)(煤炭安全監(jiān)控系統(tǒng)掃描周期為5秒),網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率大于95%。
煤礦將從井下采集各種安全數(shù)據(jù)匯總到煤礦傳輸終端,通過CDMA 1X 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至寧夏聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)中心PDSN設(shè)備,再通過2M專線傳輸?shù)綄幭拿禾堪踩O(jiān)察局監(jiān)控中心。為確保網(wǎng)絡(luò)安全,在現(xiàn)有物理網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上建立基于L2TP協(xié)議的VPDN邏輯虛擬專網(wǎng),實(shí)現(xiàn)煤礦與寧夏煤炭安全監(jiān)察局的安全通信。煤礦傳輸終端通過分配的專用VPDN賬號(hào)以撥號(hào)方式撥入CDMA 1X網(wǎng)絡(luò),認(rèn)證服務(wù)器(AAA)和煤炭安全監(jiān)察局認(rèn)證服務(wù)器(RADIus)共同完成無線撥入煤礦用戶的認(rèn)證和鑒權(quán)。煤礦用戶通過認(rèn)證和鑒權(quán)后在煤礦和煤炭安全監(jiān)察局之間建立VPDN專用通訊通道。通過VPDN網(wǎng)絡(luò)建立的虛擬專用通信通道,寧夏煤炭安全監(jiān)察局監(jiān)控中心可實(shí)時(shí)監(jiān)控煤礦安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)。
VPDN主要是采用第二層隧道協(xié)議(L2TP),采用L2TP基于以下幾點(diǎn)原因。
其一,對(duì)于GRE(通用路由封裝協(xié)議)及IPSec這些三層隧道協(xié)議,區(qū)分用戶將比較困難;因?yàn)樵谌龑樱↖P層),一般只能通過IP 地址來區(qū)分用戶。對(duì)于VPN來說,用戶的地址是可以重復(fù)的,這樣,三層隧道協(xié)議不適合區(qū)分用戶。
其二,L2TP 是二層(鏈路層)的隧道協(xié)議,是作為PPP 的擴(kuò)展提出來的。PPP適合區(qū)分不同的用戶,比如撥號(hào)用戶、采取專線直連的對(duì)端路由器等等,因?yàn)镻PP 可以得到對(duì)端的用戶名和更多用戶信息。對(duì)于撥號(hào)用戶接入這種情況來說,需要區(qū)分不同的VPN 用戶,使用L2TP進(jìn)行VPDN組建是最理想的。
其三,采用L2TP隧道協(xié)議,只分配企業(yè)網(wǎng)內(nèi)部IP地址,而PPTP等第二層的隧道協(xié)議,要求有正式的IP地址,在撥入撥號(hào)服務(wù)器時(shí),由撥號(hào)服務(wù)器提供,再二次撥入企業(yè)網(wǎng)關(guān)時(shí),由企業(yè)網(wǎng)關(guān)分配內(nèi)部網(wǎng)地址。
其四,采用L2TP隧道協(xié)議的VPDN網(wǎng)絡(luò),通信運(yùn)營(yíng)商主要維護(hù)運(yùn)營(yíng)商和企業(yè)之間的二層隧道。不同企業(yè)之間的二層隧道是區(qū)分開來的,相互獨(dú)立的二層隧道將保證各企業(yè)VPDN網(wǎng)的完全私有性和絕對(duì)安全性。
2.網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成
VPDN服務(wù)主要由CDMA1x路由器、LAC和LNS(防火墻或者cisco接入路由器如C2600 Series)、AAA和內(nèi)部服務(wù)器構(gòu)成。
CDMA1x路由器: 連接在遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)上的訪問終端,是VPDN呼叫的發(fā)起者。
LAC: 是“第二層隧道協(xié)議(L2TP)訪問集中器”,在CDMA1x分組網(wǎng)中是PDSN節(jié)點(diǎn)。它是L2TP隧道的其中一個(gè)端點(diǎn),也是LNS的對(duì)端。LAC處于LNS和Client的中間,負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)雙方的數(shù)據(jù)包。從LAC發(fā)往LNS的數(shù)據(jù)包需要封裝到L2TP隧道中,而從LAC到Client的連接則使用CDMA1x無線分組傳輸技術(shù)。
LNS: 是“第二層隧道協(xié)議網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器”。它是L2TP隧道的另一個(gè)端點(diǎn),也是LAC的對(duì)端。它是PPP會(huì)話的邏輯終點(diǎn),而PPP會(huì)話被LAC封裝成隧道形式,是從Client端開始的。
AAA server:AAA是認(rèn)證、授權(quán)和記帳的縮寫。AAA服務(wù)器負(fù)責(zé)對(duì)Client的身份進(jìn)行驗(yàn)證。
3.實(shí)現(xiàn)過程
遠(yuǎn)程無線CDMA1x路由器通過CDMA1x網(wǎng)絡(luò)連入拜訪地LAC。LAC服務(wù)器通過用戶名或接入號(hào)碼識(shí)別出該用戶為VPDN用戶后,就和用戶的目的VPDN服務(wù)器(企業(yè)內(nèi)部服務(wù)器)建立一條連接,這條連接稱為隧道,然后將用戶數(shù)據(jù)包封裝成IP報(bào)文后從該隧道傳送給VPDN服務(wù)器,VPDN服務(wù)器收到數(shù)據(jù)包并拆封后就可以讀到真正有意義的報(bào)文了。具體流程如圖1。
瓦斯數(shù)據(jù)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)
1.網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的主要內(nèi)容
瓦斯無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)解決各礦井瓦斯數(shù)據(jù)傳輸集中的難題,實(shí)現(xiàn)由分布在各市、縣級(jí)的礦井節(jié)點(diǎn)匯聚到區(qū)級(jí)集中節(jié)點(diǎn)構(gòu)成無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。
煤礦瓦斯采集數(shù)據(jù)無線傳輸過程包括:煤礦瓦斯數(shù)據(jù)通過專用設(shè)備(采集終端)進(jìn)行采集,采集的數(shù)據(jù)包括礦井瓦斯?jié)舛?、溫度、通風(fēng)情況、風(fēng)扇工作情況等。采集到的數(shù)據(jù)通過礦井監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄舷到y(tǒng)計(jì)算機(jī),安裝在計(jì)算機(jī)上的協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)格式和協(xié)議轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過接口(如RS232接口模塊等)接到無線數(shù)據(jù)通訊終端,并完成數(shù)據(jù)在無線通信網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)傳輸。
2、無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)
煤炭瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)在CDMA網(wǎng)絡(luò)服務(wù)承載上主要有兩個(gè)部分:CDMA無線數(shù)傳部分和短信告警服務(wù)部分。
數(shù)字專線部分:租用2M光纖線路,與煤礦安全監(jiān)察網(wǎng)絡(luò)組建的VPDN網(wǎng)絡(luò)相連,通過CDMA無線網(wǎng)絡(luò)完成自治區(qū)煤礦安全監(jiān)察局與各煤礦之間的信息上傳下達(dá)。
礦井?dāng)?shù)據(jù)采集線路及傳輸部分:煤礦將從井下采集各種安全數(shù)據(jù)匯總到煤礦傳輸終端,通過CDMA無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至電信公司網(wǎng)絡(luò)中心PDSN設(shè)備,再通過2M專線傳輸?shù)綄幭拿旱V安全監(jiān)察局監(jiān)控中心。
3.礦井層面的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)施
?。?)網(wǎng)絡(luò)規(guī)范
煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)地面主機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸,采用串行口接口方式;從現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集機(jī)到上行各節(jié)點(diǎn)采用TCP/IP方式傳輸。
其體系結(jié)構(gòu)為:實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)接口層節(jié)點(diǎn)之間監(jiān)測(cè),構(gòu)成分布式體系結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用總線形及星形。
訪問方式采用主從方式。主從方式就是一個(gè)高級(jí)別的節(jié)點(diǎn)控制所有的信號(hào)傳輸,順序和時(shí)間。除非主節(jié)點(diǎn)要求,其他節(jié)點(diǎn)不能通信。
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集通信規(guī)范包括:采用RS-232串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn);接口支持MODEM通訊方式,支持主動(dòng)撥號(hào)和被動(dòng)撥號(hào)方式;支持CDMA方式數(shù)據(jù)傳輸,自動(dòng)適應(yīng)廠家數(shù)據(jù)通過CDMA方式透明數(shù)據(jù)傳輸。
(2)瓦斯監(jiān)控采集設(shè)備連接
在煤礦礦井現(xiàn)場(chǎng),井上、下數(shù)據(jù)采集通過Super KJ系列井下數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行采集,其中采集設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)通過協(xié)議轉(zhuǎn)換器進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過串口(RS232)接到RW2000-DTU(CDMA無線路由器),RW2000-DTU完成數(shù)據(jù)在CDMA無線數(shù)據(jù)分組網(wǎng)絡(luò)中透明的數(shù)據(jù)傳輸,如圖3所示。
評(píng)論