基于ZigBee与CAN总线技术的井下无线通信系统设计

　　0 引言

　　该系统是基于CAN和ZigBee技术的井下无线通信系统。主要作用是使矿山井下作业人员能较方便的进行双向无线通信，并辅助实时人员跟踪，便于企业合理的调度和管理，特别是矿难发生时，在原有线通信系统损害的情况下，对救援受困人员起很大的作用。

　　ZigBee是一种新兴的基于IEEE 802.15.4短距离，低功耗的无线通信技术，主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入到各种设备中，ZigBee技术可以用很少的能量在数千个微小的节点之间相互协调实现通信，以接力的方式通过无线电波数据从一个网络节点传到另一个节点，通信效率非常高。

　　CAN(Controller Area Network，CAN)是ISO国际标准化的串行通信协议，由1986年德国Bosch公司开发的，CAN总线已成为嵌入式工业控制局域网的标准总线，广泛的应用于工业自动化、医疗设备、汽车等方面。

　　1 系统基本组成与工作原理

　　1.1 系统组成

　　结合煤矿应用的特殊情况，煤矿井下无线通信系统系统结构如图1所示，由井上的上位机、通信接口及井下的CAN总线、ZigBee通信基站和ZigBee通信终端5部分组成，如图1所示。

　　1.1.1 Can总线硬件组成

　　CAN总线使用两端连接120 Ω终端电阻双绞线通过通信接口连接到上位机，并与井下的各个ZigBee通信基站连接。当距离大于10 km时，在合适位置增加CANbridge网桥，改变网络的拓扑结构，增加连接设备的能力。

　　1.1.2 ZigBee通信基站组成

　　通信基站分CAN节点、微控制器、ZigBee节点3个部分，如图2所示。

　　其中CAN节点由CAN控制器、CAN驱动器、光电隔离模块3部分组成，CAN控制器模块选用TM320F2812，其中集成了CAN控制器，提供了完整的CAN协议。收发控制器采用PHZLZPS公司生产的PCA62C250。使用6N137光电耦合器使PCA62C250与TMS320F2812隔离，实现各CAN节点接的电气隔离。

　　ZigBee可在868 MHz，915 MHz和2.4 GHz 3个频段上进行。由于煤矿巷道的特殊结构和材料组成，不同频率无线波在巷道中的衰减、受干扰程度不同，总体上频段越高，衰减、受干扰的越小，所以选择使用2.4GHz的频段，采用Chipcon公司的CC2420，CC2420是IEEE802.15.4标准的低功耗单片集成度高的芯片。工作在2.4 GHz免费频带上。

　　1.1.3 移动通信终端组成

　　如图3所示，ZigBee通信模块选择CC2420，语音处理模块负责上下行语音的数模转换，液晶屏与键盘负责人机交互，麦克负责语音的收集，喇叭负责语音的播放，电源可用充电电池。

　　1.2 工作原理

　　系统共有4个关键步骤，如图4所示。