多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置及其控制系统的制作方法

专利名称：多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置及其控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及矿山多媒体无线通信领域，具体地说，是一种多RF矿用多功能无线 Mesh路由器装置及其控制系统。
背景技术：
我国矿山安全生产事故与自然灾害时常发生，为了便于矿方日常排查安全隐患和 防患于未然，避免矿山自然灾害和重特大等安全生产事故发生和灾害事故发生时可快速组 织应急抢险力量和做出搜救等指挥决策，研制矿山多媒体无线通信技术装备具有十分重大 而紧迫的现实意义。传统矿井多媒体应急通信以有线方式为主，而随着井下无线传感器网路和无线局 域网等短距离通信技术的发展和应用需求的增加，无线网路通信正显示出无比灵活的优越 性。目前，矿山应急救护大队配备的应急无线通信系统一般采用防爆对讲机、透地通信或矿 用小灵通等技术，这些技术都面临功能单一且不支持多媒体通信业务实时可靠传输等局限 性。例如防爆对讲机是采用点对点半双工无线通信技术，不支持多媒体信息采集终端接入 和多跳无线传输，且传输距离大大受限于巷道复杂环境。透地通信受环形天线部署的限制， 无法覆盖到不具备环形天线部署条件的灾害和事故发生区域，如采掘作业面。矿用小灵通 由于无线工作频段相对较低，对于有干扰的环境，其信号传输将受到严重影响，并且小灵通 传输速率只有64Kb/s 128Kb/s，还不能满足多媒体业务宽带传输的需求。WiFi (Wireless Fidelity，无线保真)无线 Mesh 网络采用支持 IEEE802. Ils 标准 和无线局域网(IEEE 802. ll(a/b/g/n)的传输技术，其中带宽速率可达llMb/s、54Mb/s和 108Mb/s，甚至更高。WiFi无线Mesh网络具有支持IP互联技术、高带宽、多跳传输、网络自 组织、动态路由及其自学习、无线通信链路自愈以及网络易部署等优点，但是设备工作功耗 通常较大。尽管基于无线Mesh网络的宽带应急通信设备在地面应用较广泛，那是因为在地 面应用不受供电方式、重量、电源电池容量以及电路设计须符合本质安全等条件的限制。当 真正应用到井下通信时，却又很难设计合适的便携本安电源，特别是面临设备重量和电源 电池容量设计难以满足用户需求等实际困难。因此，如何保证这些设备在井下尽可能长的 待机寿命和支持多媒体业务的传输，是当前无线Mesh网络技术能否在矿山通信领域应用 面临的关键技术挑战。现有技术的缺点是现有的各种矿用多媒体通信设备功能单一，无线传输功耗、 传输带宽和传输距离指标均受到相互的制约，不能很好支持多媒体通信业务的实时可靠传 输。现有的地面WiFi无线Mesh网络虽然具有支持IP互联技术、高带宽、多跳传输、网络自 组织、动态路由及其自学习等优点，但是又受到矿用井下供电方式以及电源容量的限制。现 有技术中还缺少一种多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置，要求支持多种通信协议的融 合，能够满足多媒体通信业务实时可靠传输，并且能够适应矿用井下供电方式和电源容量 的限制。

发明内容
本发明的目的是提供一种多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置及其控制系统， 不但适应于矿山无线通信的环境制约，同时还具有多媒体业务宽带传输功能，且无线传输 可靠、通信质量稳定、成本低、待机寿命长、抗干扰性强、使用方便等特点，特别适合我国矿 山灾害应急搜救等无线通信应用，具有极大社会效益和经济效益。为达到上述目的，本发明提供一种多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置，由主控 系统板和子系统板组成，其关键在于所述主控系统板上设置有主控制器MCU，该主控制器MCU的第一串口端连接有 ZigBee通信模块，该主控制器MCU的第二串口端与串口扩展模块的第零串口端连接，所述 串口扩展模块的第一串口端连接有第一转换模块，该第一转换模块的输出端口为现场总线 接口，所述串口扩展模块的第二串口端连接有第二转换模块，该第二转换模块的输出端口 为RS232接口，所述主控制器MCU上还设置有无线发射功率控制电路和节能控制电路；所述子系统板上设置有子控制器CPU，该子控制器CPU经过内部总线与至少一个 WiFi智能接入卡连接，所述内部总线上还连接有子系统RS232串口和子系统RJ45网口，所 述子系统RS232串口与所述主控系统板的RS232接口连接。主控制器MCU通过第一串行通信接口实现与ZigBee通信模块进行网络信息 交互及数据处理、协议转换和ZigBee网络内部地址映射等。主控系统板通过设置串口 扩展模块将主控制器MCU的第二串行通信接口扩展为两个TTL232通信接口。其中一 个TTL232接口经第一转换模块转换为RS485现场总线接口，实现与井下RFID(Raidc) FrequencyIdentification,射频识别技术)人员定位设备的互联和通信，另一个TTL232接 口经第二转换模块转换成RS232接口并与子系统RS232串口相连，实现主控系统板与子系 统板的互联和通信。所述子系统板又称为WiFi Mesh系统板，其中子控制器CPU用于协调和管理WiFi Mesh系统板各个通信组成部分的工作，在子控制器CPU内嵌入了功能强大的并支持多跳无 线Mesh网络路由功能的嵌入式实时操作系统，并支持IEEE 802. lla/b/g无线局域网标准 和802. Ils无线Mesh网络标准草案等功能。WiFi智能接入卡、子系统RS232串口和子系统 RJ45网口都是通过WiFi Mesh系统板上的内部总线实现Mesh桥接互联通信。所述WiFi智 能接入卡完全支持IEEE 802. lla/b/g无线技术标准和数据、语音、图像和视频等多媒体信 息采集终端的无线接入。所述无线发射功率控制电路可以改变所述ZigBee通信模块与WiFi智能接入卡的 发射功率。所述无线发射功率控制电路中设置有功率等级调控开关，该功率等级调控开关输 出的8路开关信号线并行连接在8-3编码器的8路输入端上，该8-3编码器的3路输出端 并行连接在所述主控制器MCU的三路功率控制信号输入端上，所述三路功率控制信号输入 端为主控制器MCU的三路通用I/O接口。采用8路开关信号对应了 8种功率发射状态，通过8-3编码器转换为3路信号送 入到主控制器MCU中，在主控制器MCU内建立起相应的参数映射关系，每一种开关信号对应 一种无线发射功率状态控制参数，主控制器MCU分别通过第一串口和第二串口将对应的无 线发射功率状态控制参数配置到所述ZigBee通信模块与WiFi智能接入卡上，从而实现无
6线发射功率等级调控功能。所述节能控制电路的主控制器MCU —方面可通过控制电源输入选通模块间接控 制子系统板的电源通断，另一方面可通过控制子系统板的WiFi智能接入卡的电源通断，从 而降低系统电源能量的耗费。所述节能控制电路设置有电源输入选通模块，该电源输入选通模块上设置有使能 控制端口，该使能控制端口与所述主控制器MCU的节能控制信号输出端口连接，所述电源 输入选通模块的输出端为所述子系统板供电。通过主控制器MCU改变所述节能控制信号输出端口输出的电平来控制电源输入 选通模块的工作输出状态，从而实现对子系统板的电源通断控制，有效降低系统电源能量 的耗费。在主控系统板上还设置有大容量便携本安电源处理模块和主控系统电源处理模 块，在子系统板上还设置有子系统电源处理模块，所述大容量便携本安电源处理模块的输 入端与外界便携式直流电源连接，该大容量便携本安电源处理模块的输出端连接在所述主 控系统电源处理模块和电源输入选通模块的输入端上，所述主控系统电源处理模块的输出 端为所述主控系统板供电，所述电源输入选通模块的输出端与所述子系统电源处理模块的 输入端连接，该子系统电源处理模块的输出端为所述子系统板供电。大容量便携本安电源处理模块从外界便携式直流电源中获得电源输入后，将来自 外界输入的电源进行本安处理，最后稳压输出，以便保证主控系统板上各个模块的正常工 作。通过设置的大容量便携本安电源处理模块可以实现外界电源的宽范围电压输入。所述子系统板的内部总线上连接有3个Mini-PCI接口，所述Mini-PCI接口插接 所述WiFi智能接入卡。系统支持3个WiFi Mesh无线扩展Mini-PCI接口，WiFi智能接入卡通过WiFi Mesh无线扩展接口与所述内部总线桥接和互联通信，方便了 WiFi智能接入卡的灵活安装 与更换。所述ZigBee通信模块配置有第一高增益全向RF天线，其工作频段为2. 4GHz ；用 于ZigBee网络接入和业务数据收发，为井下RFID人员定位设备和其他ZigBee传感器终端 数据业务提供了一个无线Mesh网络通信平台。所述WiFi智能接入卡配置有第二高增益全 向RF天线，其工作频段为2. 4GHz或5. SGHz0用于负责WiFi音、视频等业务终端的接入和 数据收发。采用多个RF天线独立处理ZigBee无线Mesh网络和WiFi无线Mesh网络的业 务数据，系统通信稳定性和可靠性更高，采用高增益全向RF天线，简化了 RF天线的安装步 骤，增强了系统的灾害环境适应能力。本发明还提供一种多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置的控制系统，其关键特 征在于设置有无线Mesh网络路由控制系统，所述无线Mesh网络路由控制系统包括设置在ZigBee通信模块中的ZigBee协议模块和802. 15. 4协议模块，所述 802. 15. 4协议模块用于支持ZigBee无线Mesh网络的物理层接入，所述ZigBee协议模块用 于实现ZigBee无线Mesh网络业务数据多跳路由和传输；设置在主控制器MCU中的用户自定义协议模块和协议转换及地址映射模块，所述 用户自定义协议模块用于支持现场总线业务数据的物理层接入，所述协议转换及地址映射 模块用于实现现场总线业务数据和ZigBee无线Mesh网络业务数据的协议帧格式相互转
7换；设置在子系统CPU中的802. 11协议模块、802. 3协议模块以及IP协议及地址映射 模块，所述802. 11协议模块用于支持WiFi无线Mesh网络的物理层接入，所述802. 3协议 模块用于支持工业以太网络的物理层接入，所述IP协议及地址映射模块用于实现WiFi无 线Mesh网络和工业以太网络业务数据的IP路由和Mesh多跳传输。多种协议模块和协议转换模块共同组成一个多功能Mesh路由控制系统，实现同 时支持WiFi无线Mesh网络和ZigBee无线Mesh网络独立动态路由和Mesh多跳传输。其 主要处理和路由的业务数据类型有WiFi无线Mesh网络业务数据、工业以太网络业务数 据、ZigBee无线Mesh网络业务数据和现场总线业务数据。来自WiFi无线Mesh网络业务 数据(如矿用本安手机数据)和工业以太网络业务数据是通过IP协议及地址映射处理后 进行WiFi无线Mesh网络多跳路由和传输。而来自ZigBee无线Mesh网络业务数据(如 2. 4GHz ZigBee传感器终端数据)和现场总线业务(如井下RFID人员定位设备)数据是通 过ZigBee协议模块进行ZigBee无线Mesh网络多跳路由和传输。在数据传输过程中，现场 总线业务数据必须先通过协议转换及地址映射模块转换成为ZigBee无线Mesh网络业务数 据后才能进行ZigBee无线Mesh网络多跳路由和传输。本发明还提供一种多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置的控制系统，其中还设 置有节能控制系统，所述节能控制系统包括软休眠控制机构和硬休眠控制机构；所述软休眠控制机构中设置有用于WiFi智能接入卡使能的装置；用于判断是否收到软休眠命令的装置；当没有收到软休眠命令时，则用于返回WiFi智能接入卡使能的装置；当收到软休眠命令时，则用于禁用WiFi智能接入卡的装置；用于设置软休眠定时的装置；用于判断是否收到休眠结束命令的装置；当收到休眠结束命令时，则用于返回WiFi智能接入卡使能的装置；当没有收到休眠结束命令时，则用于判断休眠定时是否结束的装置；当休眠定时没有结束，则用于返回判断是否收到休眠结束命令的装置；当休眠定时结束时，则用于返回WiFi智能接入卡使能的装置；所述硬休眠控制机构中设置有用于Mesh系统板通电的装置；用于判断是否收到硬休眠命令的装置；如果没有收到硬休眠命令，则用于返回Mesh系统板通电的装置；如果收到硬休眠命令，则用于Mesh系统板断电的装置；用于设置硬休眠定时的装置；用于判断是否收到休眠结束命令的装置；当收到休眠结束命令时，则用于返回Mesh系统板通电的装置；
当没有收到休眠结束命令时，则用于判断休眠定时是否结束的装置；当休眠定时没有结束，则用于返回判断是否收到休眠结束命令的装置；当休眠定时结束时，则用于返回Mesh系统板通电的装置。节能控制系统采用跨层设计，主要由主控制器MCU控制，主控制器MCU根据网络中 的业务状态对系统工作模式进行实时控制，在系统内主要定义有软休眠模式、硬休眠模式 以及清醒模式。所述多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置上层无线关联的多RF矿用多 功能无线Mesh网关装置通过接入IP网络和周期性的查询多媒体业务服务器，以此判断矿 用多媒体应急无线Mesh网络中是否存在WiFi业务传输。如果没有WiFi业务传输，所述多 RF矿用多功能无线Mesh网关装置则通过ZigBee无线Mesh网络通信平台广播软休眠命令。所述多媒体应急无线Mesh网络中的所有多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置 通过自带的ZigBee通信模块接收到软休眠命令时，则主控系统板上的主控制器MCU输出禁 用WiFi智能接入卡接入的信号到子系统板，所述子系统板中的子控制器CPU接收到禁用 WiFi智能接入卡接入的信号时，则停止WiFi智能接入卡工作，使系统进入软休眠模式。此 时主控制器MCU对软休眠的时间进行控制，所有多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置的 定时时间一致，当定时时间结束时，则发送WiFi智能接入卡使能信号到所述子控制器CPU， 通过子控制器CPU控制WiFi智能接入卡使能，所有多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置 同时自动恢复到清醒模式。所述的多RF矿用多功能无线Mesh网关装置继续对网络中的业务数据进行查询和 监测，如果仍然没有WiFi业务，则由多RF矿用多功能无线Mesh网关装置再次广播一条软 休眠命令，网络中的所有多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置再次进入软休眠模式，多 RF矿用多功能无线Mesh网关装置统计软休眠的次数，如果多次软休眠后网络中仍然没有 WiFi业务，则由多RF矿用多功能无线Mesh网关装置通过ZigBee无线Mesh网络广播一条 硬休眠命令；当多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置中的ZigBee通信模块接收到硬休眠命 令时，所述主控制器MCU输出断电控制信号到所述电源输入选通模块上，通过电源输入选 通模块切断子系统板的电源，系统进入硬休眠模式，同时，主控制器MCU对硬休眠的时间进 行控制，所有多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置的硬休眠时间也一致，当定时时间结束 时，所述主控制器MCU则输出通电控制信号，所有多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置同 时自动恢复到清醒模式。如果在软休眠模式或硬休眠模式过程中，地面指挥或调度监控中心发起WiFi通 信业务时，所述多RF矿用多功能无线Mesh网关装置将广播一条休眠结束命令，当所有多RF 矿用多功能无线Mesh路由器装置接收到休眠结束命令时，所有多RF矿用多功能无线Mesh 路由器装置同时自动恢复到清醒模式中。通过这样往返循环，系统有序地在各个模式状态 上切换，最终达到通信节能的效果。本发明的显著效果是提供了一种多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置及其控 制系统，具有以下特征①支持井下数据、语音、视频和图像等多媒体业务同时进行无线Mesh网络多跳传 输。所述多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置实现了 WIFI无线Mesh网络和路由传输硬
9件平台，支持音、视频等WIFI无线终端接入和业务传输，且无线传输带宽理论可达54Mbps。②实现了基于ZigBee无线Mesh网络对井下RFID人员定位设备或现场总线传感 器终端数据进行动态无线Mesh路由和传输的硬件平台，并通过串口控制的WIFI无线Mesh 网络通信节能电路设计，可有效延长系统装置待机寿命时间达23% 32%，此外还实现了 同时支持WIFI无线Mesh网络和ZigBee无线Mesh网络、工业以太网和现场总线等多种技 术标准的接口电路。③通过ZigBee通信模块和WiFi智能接入卡实现了通信系统快速应急部署和自组 织无线Mesh组网、网络通信链路自愈和多跳无线Mesh网络动态路由传输，且最大可支持3 个WIFI Mesh无线扩展接口(Mini-PCI)和多RF通道高可靠无线Mesh网络路由和传输；④系统装置采用多RF通道网络传输，通信抗干扰能力强，支持在2. 4GHz和5. 8GHz 两种微波频段工作，支持选配全向或定向高增益外置天线。⑤系统装置实现了大容量本安便携电源双路自动切换和本质安全电路控制技术， 并且采用高效能节能控制系统，待机寿命可达60 72小时，防护等级可达IP65以上，可适 应在矿山井下高温、高湿和高煤尘等恶劣灾害环境下使用。


图1是本发明的电路结构组成示意图；图2是本发明的多功能Mesh路由和节能控制系统模型示意图；图3是本发明中节能控制系统控制流程图；图4是矿井多媒体无线Mesh网络路由及其终端设备接入示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。如图1所示一种多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置，由主控系统板1和子系 统板2组成，所述主控系统板1上设置有主控制器MCU 15，该主控制器MCU 15的第一串口 端UARTl连接有ZigBee通信模块14，该主控制器MCU 15的第二串口端UART2与串口扩展 模块17的第零串口端COMO连接，所述串口扩展模块17的第一串口端COMl经第一转换模 块16转换为现场总线接口，该串口扩展模块17的第二串口端COM2经第二转换模块18转 换为RS232接口，所述主控制器MCU15上还设置有无线发射功率控制电路和节能控制电路， 在主控系统板1上还设置有主控系统电源处理模块11 ；所述子系统板2上设置有子控制器CPU 26，该子控制器CPU 26的内部总线与三 个Mini PCI接口 23连接，在所述的Mini PCI接口 23上插接有WiFi智能接入卡22，所述 内部总线上还连接有子系统RS232串口 24和子系统RJ45网口 25，所述子系统RS232串口 24与主控系统板1的RS232接口相连，在子系统板2上还设置有子系统电源处理模块21。在具体实施过程中，所述主控制器MCU15采用16MHz MCU控制器，其主芯片为MSP 430F249，串口扩展模块17采用的主芯片为GM8123，第一转换模块16采用SP3485，主要功 能是将TTL232转化为RS485总线接口，第二转换模块采用SP3232，主要功能是将TTL232 转换为RS232串口。所述子控制器CPU 26采用266MHz高性能CPU控制器，其芯片型号为 MPC8321。
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ZigBee通信模块14主要用于ZigBee无线Mesh网络数据路由和业务信息传输，该 模块实现了 IEEE 802. 15. 4和ZigBee标准协议，并集成了高性能RF微处理器、可编程I/O 接口、无线发射功率放大器及其发射功率等级控制器等。既可支持ZigBee无线Mesh自组 织网络，又可支持传统的点对点和网络广播透明通信方式，以及2. 4GHz频段工作的ZigBee 无线传感器终端接入。支持动态多跳无线Mesh网络路由和长距离、高可靠传输，理论最大 数据传输速率可达250kbps，最远路由跳数可达20跳以上，且在矿井平直巷道每跳无线传 输距离可达500米以上。RS485现场总线接口主要用于连接各种井下RFID (RaidoFrequency Identification，射频识别)人员定位设备，RS485现场总线接口采集到的数据经过第一转 换模块16以及串口扩展模块17后上传到主控制器MCU15内，通过主控制器MCU 15进行协 议和数据帧格式转换，最后使得数据能够在ZigBee无线Mesh网络中路由和传输。WiFi智能接入卡22支持矿用WiFi手机以及其它WiFi音、视频终端的接入，WiFi 智能接入卡22配置2. 4GHz或5. 8GHz的高增益全向RF天线，RF天线工作频段与WiFi智 能接入卡22工作频段保持一致，数据无线传输理论带宽可达54Mbps。系统可采用多RF通 道分别对ZigBee无线Mesh网络数据和WiFi无线Mesh网络数据独立传输，增强了系统的 可靠性和通信抗电磁干扰能力。子系统RJ45网口 25用于连接外部工业以太网络，主要用于接收和发送外部工业 以太网终端设备的数据信息。所述的主控系统电源处理模块11和子系统电源处理模块21输出3. 3V直流稳压 电压，分别为其他的各个功能模块供电。所述无线发射功率控制电路中设置的功率等级调控开关EMR-08为8个拨码开关， 每一个拨码开关输出一路开关信号，分别对应与一种无线发射功率等级，输出的8路拨码 开关信号线并行连接在8-3编码器的8路输入端上，8-3编码器的型号采用74LS148，经过 8-3编码器将8路开关信号转换为3路编码信号并行连接在主控制器MCU15的Pl. 4、Pl. 5 和Pl. 6三个I/O端口上，由主控制器MCU15综合判断后转化为对应的无线发射功率等级 调控命令，从而实现无线模块相应发射功率的等级控制。8个等级的编码输入信号，对应 ZigBee 通信模块无线发射功率为 20dBm、19dBm、17dBm、15dBm、13dBm、10dBm、5dBm 和 _5dBm， 对应 WiFi 智能接入卡则为 19dBm、17dBm、15dBm、13dBm、10dBm、8dBm、5dBm 和 OdBm。所述节能控制电路中设置有电源输入选通模块13，该电源输入选通模块13上设 置有使能控制端口 En，该使能控制端口 En与所述主控制器MCU 15的I/O接口 Pl. 7连接， 所述电源输入选通模块13的输出端为所述子系统板2供电，通过装置中的节能控制电路以 及系统中具体的节能控制算法，由主控制器MCU15控制Pl. 7端口的输出电平来控制电源输 入选通模块13的通断，从而控制子系统版2的电源通断。节能控制算法中通过检查网络中 是否存在WiFi业务来控制子系统板2是否工作，通过在休眠模式和工作模式的循环切换， 降低了系统的能耗，延长设备待机寿命时间。所述主控系统板1上还设置有大容量便携本安电源处理模块12，该大容量便携本 安电源处理模块12的输入端与外界便携式直流电源(DC)连接，该大容量便携本安电源处 理模块12的输出端连接在所述主控系统电源处理模块11和电源输入选通模块13的输入 端上。
大容量便携本安电源处理模块12从外界便携式直流电源DC中获得电源输入后， 将来自外界的输入的电源进行本安处理，使得外接直流电源在12V 18V的变化范围内都 能保持输出的稳定，从而保证了各个模块和系统板的正常工作。如图2所示，所述一种多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置的控制系统由软件 部分完成，除了底层硬件设备驱动系统以及嵌入式实时操作系统外，所述控制系统中还设 置有无线Mesh网络路由控制系统，该无线Mesh网络路由控制系统包括设置在ZigBee通信模块14中的ZigBee协议模块a和802. 15. 4协议模块c，所 述802. 15. 4协议模块c用于支持ZigBee无线Mesh网络的物理层接入，所述ZigBee协议 模块a用于实现ZigBee无线Mesh网络业务数据多跳路由和传输；设置在主控制器MCU15中的用户自定义协议模块b和协议转换及地址映射模块d， 所述用户自定义协议模块b用于支持现场总线业务数据的物理层接入，所述协议转换及地 址映射模块d用于实现现场总线业务数据和ZigBee无线Mesh网络业务数据的协议帧格式 相互转换；设置在子系统CPU 26中的802. 11协议模块e、802. 3协议模块f以及IP协议及 地址映射模块g，所述802. 11协议模块e用于支持WiFi无线Mesh网络的物理层接入，所述 802. 3协议模块f用于支持工业以太网络的物理层接入，所述IP协议及地址映射模块g用 于实现WiFi无线Mesh网络和工业以太网络业务数据的IP路由和Mesh多跳传输。如图3所示，所述控制系统中还设置有节能控制系统，该节能控制系统包括软休 眠控制机构和硬休眠控制机构；
0088]所述软休眠控制机构中设置有0089]用于WiFi智能接入卡使能的装置；0090]用于判断是否收到软休眠命令的装置；0091]当没有收到软休眠命令时，则用于返回WiFi智能接入卡使能的装置；0092]当收到软休眠命令时，则0093]用于禁用WiFi智能接入卡的装置；0094]用于设置软休眠定时Ts的装置；0095]用于判断是否收到休眠结束命令的装置；0096]当收到休眠结束命令时，则用于返回WiFi智能接入卡使能的装置；0097]当没有收到休眠结束命令时，则0098]用于判断休眠定时是否结束的装置；0099]当休眠定时没有结束，则用于返回判断是否收到休眠结束命令的装置0100]当休眠定时结束时，则用于返回WiFi智能接入卡使能的装置；0101]所述硬休眠控制机构中设置有0102]用于Mesh系统板通电的装置；0103]用于判断是否收到硬休眠命令的装置；0104]如果没有收到硬休眠命令，则用于返回Mesh系统板通电的装置；0105]如果收到硬休眠命令，则0106]用于Mesh系统板断电的装置；0107]用于设置硬休眠定时Th的装置；
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用于判断是否收到休眠结束命令的装置；当收到休眠结束命令时，则用于返回Mesh系统板通电的装置；当没有收到休眠结束命令时，则用于判断休眠定时是否结束的装置；当休眠定时没有结束，则用于返回判断是否收到休眠结束命令的装置；当休眠定时结束时，则用于返回Mesh系统板通电的装置。本发明的工作原理是如图4所示，本发明所述的多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置与Mesh多RF 矿用多功能无线Mesh网关装置等通信设备共同组成矿用无线Mesh网络，由于多RF矿用 多功能无线Mesh路由器装置具有支持多种协议的接口电路和处理系统，所以在多RF矿用 多功能无线Mesh路由器装置和多RF矿用多功能无线Mesh网关装置上可以连接多种矿用 通信端设备，包括矿用本安手机、矿用视频及图像采集终端、井下RFID人员定位设备以及 2. 4GHz ZigBee传感器等。多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置之间以及多RF矿用多功 能无线Mesh路由器装置与多RF矿用多功能无线Mesh网关装置之间通过多RF通道独立处 理着WiFi无线Mesh网络业务数据和ZigBee无线Mesh网络业务数据。在实际应用中，所述多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置及其控制系统主要 处理和路由的业务数据类型有WiFi无线Mesh网络业务数据、工业以太网络业务数据、 ZigBee无线Mesh网络业务数据和现场总线业务数据。按照802. 15. 4协议模块c规定的各种参数要求对ZigBee通信模块进行配置，使 得ZigBee传感器终端经过第一高增益全向RF天线无线接入多RF矿用多功能无线Mesh路 由器装置中，所述ZigBee传感器终端发送的数据为ZigBee无线Mesh网络业务数据，经过 ZigBee协议模块a进行路由路径的选择，接收的数据再由第一高增益全向RF天线转发到下 一跳多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置或多RF矿用多功能无线Mesh网关装置中，最 后由多RF矿用多功能无线Mesh网关装置经过WLAN或TCP/IP网络上传到地面指挥或调度 监控中心，使得地面指挥或调度监控中心能够实时感知井下各种监测参数。技术人员在所述主控制器MCU15中对现场总线数据的业务类型做了自定义处理， 形成用户自定义协议模块b，使得井下RFID人员定位设备和部分监测传感器终端能够经过 RS485现场总线接入所述多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置中。现场总线业务数据再 经过所述协议转换及地址映射模块d的处理转换为ZigBee无线Mesh网络业务数据，经过 ZigBee协议模块a进行路由路径的选择，接收的数据再由第一高增益全向RF天线转发到下 一跳多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置或多RF矿用多功能无线Mesh网关装置中，最 后由多RF矿用多功能无线Mesh网关装置经过WLAN或TCP/IP网络上传到地面指挥或调度 监控中心。使得地面指挥或调度监控中心能够实时掌握井下工作人员的位置情况，既可用 于救援抢险，又可用于工作考勤。所述子控控制器CPU 26中的802. 11协议模块e对WiFi智能接入卡22进行了配 置，使得满足802. 11协议的WiFi终端设备(如WiFi矿用手机或矿用视频、图像采集终端 等)经过第二全向高增益RF天线接入到WiFi智能接入卡22中，所述WiFi智能接入卡22 接收到的WiFi无线Mesh网络业务数据经过IP协议及地址映射模块g实现路由路径的选 择和判断，确定路由路径后，所接收的数据再由第二全向高增益RF天线转发到下一跳多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置或多RF矿用多功能无线Mesh网关装置中，也可以转发到 其它WiFi终端，即可实现井下工作人员的相互通信，又可实现井下与地面的信息交互。所述子控控制器CPU26中设置的802. 3协议模块f，使得工业以太网络经过所述子 系统RJ45网口 25接入到所述的多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置中，所述工业以太 网络业务数据经过所述IP协议及地址映射模块g的处理，使得工业以太网络业务数据能够 在WiFi无线Mesh网络中实现多跳路由和传输，所述工业以太网络主要支持工业级设备的 网络互联和通信。所述节能控制系统则是根据网络中业务状态对系统的工作模式进行实时的控制， 在系统内主要定义有软休眠模式、硬休眠模式以及清醒模式。所述多RF矿用多功能无线 Mesh路由器装置上层的多RF矿用多功能无线Mesh网关装置通过接入IP网络和周期性的 查询多媒体服务器，以此判断矿用多媒体应急无线Mesh网络中是否存在WiFi业务。如果没 有WiFi业务，所述多RF矿用多功能无线Mesh网关装置则通过基于ZigBee的无线Mesh网 络通信平台广播软休眠命令，所述多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置中的ZigBee通信 模块14接收到软休眠命令时，则通过主控制器MCU15输出禁用WiFi智能接卡22接入的信 号到子控制器CPU26中，子控制器CPU26则停止WiFi智能接入卡22工作，使系统进入软休 眠模式，此时主控制器MCU15对软休眠的时间进行控制(如设置软休眠时间Ts为10秒)。 当定时时间结束时，则发送WiFi智能接入卡22使能信号到所述子控制器CPU26，通过子控 制器CPU26控制WiFi智能接入卡22使能，系统自动恢复到清醒模式。所述的多RF矿用多功能无线Mesh网关装置继续对网络中的业务数据进行查询 和监测，如果仍然没有WiFi通信业务，则由多RF矿用多功能无线Mesh网关装置再次广 播一条软休眠命令，所述多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置再次进入软休眠模式，多 RF矿用多功能无线Mesh网关装置统计软休眠的次数，如果多次软休眠后网络中仍然没有 WiFi通信业务(比如软休眠次数达到3次)，则由多RF矿用多功能无线Mesh网关装置通 过ZigBee无线Mesh网络广播一条硬休眠命令，当多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置 中的ZigBee通信模块14接收到硬休眠命令时，所述主控制器MCU15输出断电控制信号到 所述电源输入选通模块13上，通过电源输入选通模块13切断子系统板2的电源，系统进入 硬休眠模式。同时，主控制器MCU15对硬休眠的时间进行控制(比如硬休眠时间Th设置为 60秒)，当定时时间结束时，所述主控制器MCU15则输出通电控制信号，系统自动恢复到清 醒模式。如果地面指挥或调度监控中心在软休眠模式或硬休眠模式下发起WiFi通信业务 时，所述多RF矿用多功能无线Mesh网关装置将广播一条休眠结束命令，当多RF矿用多功 能无线Mesh路由器装置接收到休眠结束命令时，则自动恢复到清醒模式中。通过这样往返 循环，系统不停的在各个模式状态下自由切换，最终达到通信节能效果。通过实验证明，采 用本发明所述的节能控制系统能使得所述多RF多功能无线Mesh路由器装置待机寿命时间 延长可达32%。
1权利要求
一种多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置，由主控系统板(1)和子系统板(2)组成，其特征在于所述主控系统板(1)上设置有主控制器MCU(15)，该主控制器MCU(15)的第一串口端(UART1)连接有ZigBee通信模块(14)，该主控制器MCU(15)的第二串口端(UART2)与串口扩展模块(17)的第零串口端(COM0)连接，所述串口扩展模块(17)的第一串口端(COM1)连接有第一转换模块(16)，该第一转换模块(16)的输出端口为现场总线接口，所述串口扩展模块(17)的第二串口端(COM2)连接有第二转换模块(18)，该第二转换模块(18)的输出端口为RS232接口，所述主控制器MCU(15)上还设置有无线发射功率控制电路和节能控制电路；所述子系统板(2)上设置有子控制器CPU(26)，该子控制器CPU(26)经过内部总线与至少一个WiFi智能接入卡(22)连接，所述内部总线上还连接有子系统RS232串口(24)和子系统RJ45网口(25)，所述子系统RS232串口(24)与所述主控系统板(1)的RS232接口连接。
2.根据权利要求1所述的一种多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置，其特征在于 所述无线发射功率控制电路中设置有功率等级调控开关(EMR-08)，该功率等级调控开关 (EMR-08)输出的8路开关信号线并行连接在8-3编码器的8路输入端上，该8_3编码器的 3路输出端并行连接在所述主控制器MCU(15)的三路功率控制信号输入端(PI. 4-P1. 6)上。
3.根据权利要求1所述的一种多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置，其特征在于 所述节能控制电路为电源输入选通模块(13)，该电源输入选通模块(13)上设置有使能控 制端口(En)，该使能控制端口(En)与所述主控制器MCU(15)的节能控制信号输出端口 (P1. 7)连接，所述电源输入选通模块(13)的输出端为所述子系统板(2)供电。
4.根据权利要求1、3所述的一种多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置，其特征在于 在所述主控系统板(1)上还设置有大容量便携本安电源处理模块(12)和主控系统电源处 理模块(11)，在子系统板(2)上还设置有子系统电源处理模块(21)，所述本安电源处理模 块(12)的输入端与外界便携式直流本安电源(DC)连接，该本安电源处理模块(12)的输出 端连接在所述主控系统电源处理模块(11)和电源输入选通模块(13)的输入端上。所述 主控系统电源处理模块(11)的输出端为所述主控系统板(1)供电，所述电源输入选通模 块(13)的输出端与所述子系统电源处理模块(21)的输入端连接，该子系统电源处理模块 (21)的输出端为所述子系统板(2)的其它功能模块供电。
5.根据权利要求1所述的一种多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置，其特征在于 所述子系统板(2)的内部总线上连接有3个Mini-PCI接口(23)，所述Mini-PCI接口(23) 插接所述WiFi智能接入卡(22)。
6.根据权利要求1所述的一种多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置，其特征在于所 述ZigBee通信模块(14)外接有第一高增益全向RF天线，其工作频段为2. 4GHz ；所述WiFi 智能接入卡(22)外接有第二高增益全向RF天线，其工作频段可为2. 4GHz或5. SGHz0
7.根据权利要求1所述的一种多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置，特征在于所 述主控制器MCU(15)中设置有节能控制系统，所述节能控制系统由软休眠控制机构和硬休 眠控制机构组成；所述软休眠控制机构中设置有用于WiFi智能接入卡使能的装置； 用于判断是否收到软休眠命令的装置；当没有收到软休眠命令时，则用于返回WiFi智能接入卡使能的装置； 当收到软休眠命令时，则 用于禁用WiFi智能接入卡的装置； 用于设置软休眠定时(Ts)的装置； 用于判断是否收到休眠结束命令的装置；当收到休眠结束命令时，则用于返回WiFi智能接入卡使能的装置； 当没有收到休眠结束命令时，则 用于判断休眠定时是否结束的装置；当休眠定时没有结束，则用于返回判断是否收到休眠结束命令的装置； 当休眠时间结束时，则用于返回WiFi智能接入卡使能的装置； 所述硬休眠控制机构中设置有 用于Mesh系统板通电的装置； 用于判断是否收到硬休眠命令的装置；如果没有收到硬休眠命令，则用于返回Mesh系统板通电的装置；如果收到硬休眠命令，则 用于Mesh系统板断电的装置；用于设置硬休眠定时(Th)的装置；用于判断是否收到休眠结束命令的装置；当收到休眠结束命令时，则用于返回Mesh系统板通电的装置；当没有收到休眠结束命令时，则用于判断休眠定时是否结束的装置；当休眠定时没有结束，则用于返回判断是否收到休眠结束命令的装置； 当休眠时间结束时，则用于返回Mesh系统板通电的装置。
8.权1所述的一种多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置的控制系统，其特征在于设 置有多功能Mesh路由控制系统，所述多功能Mesh路由控制系统由支持无线Mesh网络路由 的ZigBee协议模块(a)、用户自定义协议模块(b) ,802. 15. 4协议模块(c)、协议转换及地 址映射模块(d) ,802. 11协议模块(e) ,802. 3协议模块(f)和IP协议及地址映射模块(g) 组成；其中ZigBee协议模块(a)和802. 15. 4协议模块(c)设置在ZigBee通信模块(14)中， 所述802. 15. 4协议模块(c)用于支持ZigBee无线传感器网络的物理层接入，所述ZigBee 协议模块(a)用于实现ZigBee无线Mesh网络业务数据的M esh网络路由和多跳无线传 输；用户自定义协议模块(b)和协议转换及地址映射模块(d)设置在主控制器MCU(15) 中，所述用户自定义协议模块(b)用于支持现场总线业务数据的物理层接入，所述协议转 换及地址映射模块(d)用于实现现场总线业务数据转换为ZigBee无线Mesh网络业务数 据；,802. 11协议模块(e) ,802. 3协议模块(f)以及IP协议及地址映射模块(g)设置在子系统CPU(26)中，所述802. 11协议模块(e)用于支持WiFi无线Mesh网络的物理层接入，所 述802. 3协议模块(f)用于支持工业以太网络的物理层接入，所述IP协议及地址映射模块 (g)用于实现WiFi无线Mesh网络和工业以太网络业务数据的IP路由和Mesh多跳传输。
9.根据权利要求8所述的一种多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置的控制系统，其 特征在于还设置有节能控制系统，所述节能控制系统由软休眠控制机构和硬休眠控制机 构组成；所述软休眠控制机构中设置有 用于WiFi智能接入卡使能的装置； 用于判断是否收到软休眠命令的装置；当没有收到软休眠命令时，则用于返回WiFi智能接入卡使能的装置； 当收到软休眠命令时，则 用于禁用WiFi智能接入卡的装置； 用于设置软休眠定时(Ts)的装置； 用于判断是否收到休眠结束命令的装置；当收到休眠结束命令时，则用于返回WiFi智能接入卡使能的装置； 当没有收到休眠结束命令时，则 用于判断休眠定时是否结束的装置；当休眠定时没有结束，则用于返回判断是否收到休眠结束命令的装置； 当休眠定时结束时，则用于返回WiFi智能接入卡使能的装置； 所述硬休眠控制机构中设置有 用于Mesh系统板通电的装置； 用于判断是否收到硬休眠命令的装置；如果没有收到硬休眠命令，则用于返回Mesh系统板通电的装置；如果收到硬休眠命令，则用于Mesh系统板断电的装置；用于设置硬休眠定时(Th)的装置；用于判断是否收到休眠结束命令的装置；当收到休眠结束命令时，则用于返回Mesh系统板通电的装置；当没有收到休眠结束命令时，则用于判断休眠定时是否结束的装置；当休眠定时没有结束，则用于返回判断是否收到休眠结束命令的装置； 当休眠定时结束时，则用于返回Mesh系统板通电的装置。
全文摘要
本发明提供一种多RF矿用多功能无线Mesh路由器装置及其控制系统，所述装置由主控系统板和子系统板等组成。主控系统板包含主控制器MCU、主控系统电源处理模块、ZigBee通信模块、无线发射功率控制电路和节能控制电路等；子系统板包括子控制器CPU、子系统电源处理模块和WiFi智能接入卡等；其控制系统包括硬件设备底层驱动系统、嵌入式操作系统、节能控制系统和多功能Mesh路由控制系统等。本发明支持多媒体业务在多RF通道WiFi和ZigBee无线Mesh网络中同时传输，不但支持高可靠通信和自组织组网，而且支持业务多种方式灵活接入，且通信抗干扰性强，成本低、待机寿命长、非常适合矿山无线通信领域。
文档编号H04W84/12GK101902805SQ20101016799
公开日2010年12月1日 申请日期2010年5月10日 优先权日2010年5月10日
发明者宋文, 戴剑波, 李莹莹, 樊荣, 王飞 申请人:煤炭科学研究总院重庆研究院