浅谈蓝牙技术在煤矿井下嵌入式中的应用

朱剑飞 兰梦澈 李长辉

摘 要：随着无线通信技术的快速发展，无线MESH网络技术在煤矿井下监测监控等方面的应用越来越广泛。蓝牙技术作为无线传输方式的一种，以其高传输速率、高稳定性的优势成为短距离无线信号传输的极佳选择，将蓝牙技术应用于井下实时测控网络具有现实意义。针对蓝牙通信方式的技术原理和传输特性，依据井下的实际情况，分析蓝牙技术在煤矿现场监测监控装置开发中的应用前景。

关键词：煤矿井下;蓝牙技术;嵌入式

煤炭是我国一种基本能源，在能源生产和消费中有着举足轻重的地位。近几年，无线通信技术的不断发展，为我国“2025智慧煤矿”奠定了扎实的技术基础[1]。蓝牙技术作为21世纪新兴技术中最为重要的技术之一，深受国内外关注。蓝牙技术作为短距离传输的最佳选择方式，具有传输速率高、稳定性强等技术优势。同时，蓝牙技术在工程应用中消耗能源少、投资成本低，具有良好的安全性能。嵌入式技术以开发能力强、性价比高、占用物理空间小和开发灵活的优点，逐渐成为煤矿自动化装置发展的主要技术方向，将蓝牙通信技术与嵌入式技术相结合，对煤矿自动化的发展具有现实意义。

1 蓝牙技术原理

1.1  蓝牙协议栈

蓝牙技术的规范主要是为了使符合该规范的各类应用能够相互通信和交流，主要在数据链路层和物理层实现，蓝牙协议栈结构如图1所示[2]，展示了数据无线传输时各协议之间的相互关系。

1.2  核心协议

核心协议主要包含基带、连接管理、逻辑链路控制与适配协议以及业务搜寻协议4个部分。基带和链路控制层用于无线网络内各蓝牙装置间由射频构成的物理连接;连接管理系统主要负责各蓝牙装置间的连接建立;逻辑链路控制与适配协议作为基带的上层协议，与连接管理协议并行工作;业务搜寻的作用至关重要，可以查询并发现附近设备的信息和服务类型，然后用于指导设备间的匹配连接。

2 蓝牙在井下巷道中的传输特性

2.1  井下无线传输的制约因素

煤矿井下的环境与地面不同，地面使用良好的无线通信技术，在环境复杂的井下并不能完全使用，地面上能够完成的无线通信，在井下却有一定的难度。其主要制约无线技术在井下使用的因素有两点[3]：（1）井下无线电磁波的传输介质是岩层;（2）复杂的环境会导致电磁波出现多次衰减。

2.2  蓝牙在井下环境中的传输特性

对于煤矿井下无线通信系统的建设，频率的选择至关重要。根据相关人员先前的研究，巷道中电磁波的频率与衰减特性如图2所示。

从图2可以看出，煤矿巷道中800 MHz传播频率以下的电磁波衰减较大，不适合井下现场使用[4-5]。但随着传输频率的持续增加，煤壁造成的损耗反而减小，到1 000 MHz以上，总损耗增加频率变缓，适合巷道无线数据传输的实施。蓝牙技术工作在2.402～2.480 GHz频段[6]，该频段属于开放式的ISM频段，同频段的还有802.11b、HomeRF、微波炉等电子设备，是蓝牙在井下无线通信系统发展的重要理论支撑。

3 蓝牙在嵌入式测控装置的典型应用

甲烷传感器、压力传感器、离层传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等监测装置一直是煤矿监控系统的“耳目”，为煤矿调度中心提供现场数据，从而进一步对现场灾害进行实时预警。蓝牙在智能传感器上的典型应用模型如图3所示。

基于蓝牙技术的典型嵌入式应用模型主要包括信号检测单元、A/D转换电路、按键、微处理器或可编程逻辑控制器、HMI（人机交互界面）、报警模块以及蓝牙模块，外置天线在一些井下特殊环境中可增强无线发射信号。以单片机为主的微处理器为硬件设计提供了多种方案，利用微处理器的多种接口，可以轻松实现各种井下所需的功能。

4 蓝牙技术在井下的应用难点

4.1  应用难点

煤矿井下多处场合已经使用蓝牙技术实现了短距离的数据传输。目前，蓝牙技术在井下的应用主要是对现场采集的信号进行传输，但蓝牙技术的工作模式制约着其在井下的应用。在蓝牙的主从匹配工作中，一个主机装置虽可以与多个从机模块进行匹配，但在同一时刻，一个主机装置只能连接一个从机装置进行匹配通信，无法满足井下多点分布式信号采集的发展要求。要想实现蓝牙技术在井下的快速发展，首先需要解决主从匹配中有序匹配的问题。

4.2  解决方案

为了解决上述应用难点，根据煤矿的应用特点，提供一种蓝牙在煤矿井下的实际应用技术，解决上述有序主从匹配的问题。主从匹配借鉴井下综采工作面液压支架控制器的多机通信原理，通过轮询的方式解决蓝牙匹配的问题，让主机一次连接一个从机。当通信交流完后，立即断开当前从机，同下一个从机进行匹配连接，具体流程如图4所示。

5 应用前景

蓝牙的工作频段非常适合应用于井下传输，是井下短距离通信的最佳选择。随着蓝牙技术和模块的快速发展，蓝牙技术的应用更加简单便捷，煤矿设备开发人员仅需要简单应用即可实现所需功能，为蓝牙技术在煤矿井下的应用提供了广阔的前景。超低功耗的蓝牙模块为井下无线嵌入式装置开发提供了更多的方案，必将在“2025智慧矿山”建设中发挥至关重要的作用。

[参考文献]

[1]张琪琪.探究蓝牙技术的原理及应用[J].中国新通信，2018，2（23）：98-99.

[2]熊明全，李蒙. Blue Tooth（蓝牙）协议体系结构[J].通信世界，2000（增刊1）：43-45.

[3]趙展.井下无线通信系统设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2012.

[4]WANG J，WANG Y H，WANG A H，et al.Simulation research of the underground coal mine wireless signal transmission characteristics[J].Applied Mechanics and Materials，2014（568/569/570）：1321-1325.

[5]孙继平，李继生，雷淑英.煤矿井下无线通信传输信号最佳频率选择[J].辽宁工程技术大学学报，2005（3）：75-77.

[6]杨学滨，张文波.蓝牙技术在矿井中的应用研究[C].兰州：第20届全国煤矿自动化与信息化学术会议暨第2届中国煤矿信息化与自动化高层论坛论文集，2010.