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1、西安科技大学 硕士学位论文 煤矿救援机器人无线通信系统研究 姓名：连超峰 申请学位级别：硕士 专业：测试计量技术及仪器 指导教师：马宏伟 论文题目：煤矿救援机器人无线通信系统研究 专 业：测试计量技术及仪器 硕 士 生：连超峰 （签名） 指导教师：马宏伟 （签名） 摘 要 在煤矿井下事故发生后，救援机器人能够最先进入井下，探测并带回事故现场的环 境和图像信息，帮助救援人员迅速、准确地实施救援工作。本论文针对煤矿救援机器人 系统的无线通信和数据传输，分别设计了基于单片机控制 CC1100 模块的无线通信系统 和基于 WiFi 的无线通信系统。 基于单片机控制 CC1100 模块的无线通信系统，其
2、设计分为硬件和软件两个方面。 在硬件方面，选择了低功耗、高性能的 ATmega16L 单片机为主控芯片，结合 CC1100 无线通信模块，完成两级机器人的双向数据传输，PC 与单片机之间通过 RS232 进行数 据传输， 单片机通过SPI总线控制CC1100进行数据收发。 在软件设计方面， 采用ICCAVR 进行 ATmega16L 单片机的开发， 其中主要包括通过 SPI 总线对 CC1100 的配置和控制以 及单片机端的串口通信程序的开发；在上位机上采用 VC+编写上位机程序，主要是对 串口传输的数据进行分析和分类存储，实现信息的交换等功能。 基于 WiFi 的无线通信系统采用 802.1
3、1n 协议，其硬件主要是由两个工业 PC 和无线 路由器组成。在软件上通过搭建 C/S 模型实现两级机器人的数据交换和存储，此系统的 传输速度快，针对在救援过程中所采集的环境信息和图像数据，平均能达到 2MBit/s 左 右，可以实现数据的实时传输。同时，在此基础上实现了第三方的遥操作功能，通过救 援人员远程遥控救援机器人，提高了救援工作的速度和安全性。 实验结果表明，单片机无线通信系统具有良好的穿透性，但传输速度相对较慢；基 于 WiFi 的无线通信系统具有较快的数据传输速度与较好的稳定性，虽然穿透传输性能 较差，但是在平直隧道传输时有良好的覆盖范围。 关 键 词：煤矿救援机器人；无线通信；
4、WiFi；ATmega16L；CC1100 研究类型：应用研究 本研究得到国家自然科学基金资助（项目编号：50674075） Subject : Research on the Wireless Communication System of Coal Mine Rescue Robots Specialty : Measuring and Testing Technologies and Instruments Name : Lian Chaofeng （Signature） Instructor: Ma Hongwei （Signature） ABSTRACT After accident
5、 occurred in the coal mine, rescue robots can go down the mine and bring back all the environment and image information, which could help rescuers implement rescue work quickly and precisely. This paper focused on the wireless communication and data transmission technologies used in coal mine rescue
6、 robots system, the systems based on CC1100 module controlled by SCM(Single Chip Microcomputer) and based on WIFI are designed. The wireless communication system based on CC1100 module controlled by SCM was designed. In the hardware aspect, the high performance and low power microcontroller ATmega16
7、L is used as the master control chip, and combined with the CC1100 wireless communication module, the robots bidirectional information transmissions is completed. Data transmission between PC and SCM is through the RS232 bus, SCM controls CC1100 through the SPI bus to receive and dispatch data. In t
8、he software aspect, the ATmega16L software is developed in ICCAVR compiler, including configure and control CC1100 through SPI bus, and Serial Port communication program on the SCM. The host computer program is compiled in Visual C+ compiler which mainly analyze and store all kinds of data, exchange
9、 all the information and so on. The communication system based on WiFi adopts 802.11n protocol, this system is built by two PCs and a wireless router. Through building a Client/Severs model, data is exchanged and stored between two rescue robots. This system has higher transmit speed, it reached 2Mb
10、it per second for the environment date and images obtained in the coal, and the real-time data transmission is ensured. In the mean time, a third party remote operate function is carried out, and the rescuer can control the robots in a distance so that they could finish the rescue job quickly and sa
11、fely. The experiments show that the system based on SCM has a better penetrability, however, its transfer speed is slower. The system based on WiFi has a better data transmit speed and stability, and larger signal transmit scale in the straight tunnel, but its penetrability is worse. Keywords: Coal
12、mine rescue robots Wireless Communication WiFi ATmega16L CC1100 Thesis : Application Research this research is supported by National Natural Science Foundation of China, and the project number is 50674075 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题的背景及意义 近年来，随着各方面技术的成熟以及煤炭事业迅速发展，大大增加井下信道和矿井 通信系统传送各种数据信息的要求，地下通信的研究日益受到重视。许多正
13、在开发的项 目都需要地下工作人员相互之间及他们和地面进行实时通信， 所以目前大多数的井下通 信的焦点是要致力于建立地下局域网，实现井下与井上的网络通信1。而在点对点的井 下通信领域，还存在着一定的欠缺，还没有一个统一的完善的标准或者技术来满足和使 用于井下的点对点通信。 针对煤矿井下事故多发等原因，我们设计了井下两级救援机器人系统，通过两个机 器人的协作，先代替工作人员深入井下，对事故现场进行勘察。既然需要两级机器人的 协作，那么两级机器人之间的通信问题，也就成为了技术上的一个焦点。由上位机机器 人全局观，对事件的判断来控制下位机机器人，进入事故发生现场去完成事故的勘察， 下位机机器人在完成了
14、任务后， 要将所到之处的重要信息迅速传送给上位机储存起来以 备用。因此两级机器人之间的通信也就是完成整个任务的关键之一。 如果能设计出关于井下的点对点的无线通信，通过机器人的协作，带回我们所关注 的井下信息，探明事故发生地点、涉及范围、环境状况等信息，一方面可以避免意外情 况对救援人员造成的伤害，另一方面可以让救援人员及时准确的了解井下情况，以便确 定有效的救援方案，因此对于两级机器人之间的通信的研究具有十分重要的意义。 1.2 煤矿井下无线通信的发展现状 随着无线通信技术的发展和市场的需要，很多短距离无线通信芯片随之出现，也出 现了许多无线通信协议。 井下灵活可靠的通信是提高生产效率和确保矿
15、工生命安全的重要措施之一。 现有井 下通信系统的研究、设计中，首先要研究电磁波在巷道中的传播特性，为实现移动通信 建立理论基础。其次，通信系统本身不仅需要达到满意的通信效果，而且要适应井下的 具体环境、要适应动态生产的矿井，且自身对生产及安全不造成任何影响。第三，通信 系统必须简单、灵活，随着采掘工作面等服务区的延伸，通信系统的建立必须及时2。 目前，无线系统已经成功地应用在矿井、地铁和铁路隧道等地下环境中，经过几十年的 发展，有三种成熟的适用于矿井通信的无线通信方式，它们分别是：低频导引通信方 式，它使用足够低的频率，令电波可以通过岩层传播；泄露馈线通信方式，它通过安 装特殊的导体或泄露馈线来实现的通信；UHF 频段通信方式，它使用足够高的频率， 西安科技大学硕士学位论文 2 利用通道的波导效应传播的通信方式。 (1)低频导引通信方式 低频导引通信工作在几百KHz的低频段,它是利用同轴电缆引导信号传输的。 为了使 电波向电缆外的巷道内辐射,每隔几百米就需要在电缆上装一个辐射器， 以实现井下的无 线移动通信3。 但是随着井下无线通信技术的不断发展， 这种技术的缺点也越来越突出： 由于波长很长，导致了收发信号的天线效率低下，在这种情况下可以通过增加天线的 长度来补偿，但是在矿井中，天线不可能做的很长；由于是模拟通信方式，而且频率 不高，所以不适合高速数字和数据通信；抗干扰能
