基于無線通信的煤礦瓦斯監控系統設計

煤炭行業一直以來是我國稅收收入的一個重要來源。然而由于煤礦地理位置普遍偏遠、交通不便，管理難度較大。同時稅務部門征稅手段相對落后，對煤礦缺乏有效監管，造成了我國稅收收入的流失。電子遠程監控系統能夠很好地解決以上問題。針對煤礦地理位置偏遠的情況，無線通信方式是比較經濟實用的遠程通信系統解決方案，其中CDMA（Code Division MuIf.pIe Access）通信方式具有組網簡單、覆蓋范圍廣、抗干擾能力強、發射功率低、頻譜利用率高等優點[1]，能夠滿足煤炭產量遠程監控系統對通信的遠距離、高可靠性、低功耗以及圖象信息傳輸等特殊要求。

　　概述

　　1.基本概念與原理

　　寧夏很多煤礦地理位置偏僻，地形復雜，采用有線通訊網絡建設投資大，網絡布線困難，網絡維護成本高；采用微波、數傳電臺等載波方式進行數據傳輸，網絡的覆蓋率低，傳輸距離有限，用戶須自己建立網絡，投資較大，還需要投入人力物力進行維護。最后由于快速的通信速度、安全可靠的通信質量和布網靈活的特性，寧夏煤炭安全監察局選擇了聯通CDMA 1X無線數據通信網絡作為“煤炭安全監控系統”的數據傳輸網絡。

　　CDMA 1X無線數據網絡可滿足寧夏煤炭安全監控系統對于無線網絡的傳輸要求。CDMA 1X無線數據網絡符合無線網IEEE 802.11標準，符合在全球范圍內免許可證的有關規定，對于所有傳輸到的數據、協議能毫不保留地轉發到上一級網絡；支持TCP/IP傳輸協議，支持WVPN通訊方式，具體可支持L2TP、IPSec、VR等路由方式的VPDN（虛擬專用撥號網絡）；傳輸丟包率小于1%，時延率平均為600毫秒，不大于井下安全生產監測監控系統的一個掃描周期的秒時（煤炭安全監控系統掃描周期為5秒），網絡的覆蓋率大于95%。

　　煤礦將從井下采集各種安全數據匯總到煤礦傳輸終端，通過CDMA 1X 無線網絡傳輸至寧夏聯通網絡中心PDSN設備，再通過2M專線傳輸到寧夏煤炭安全監察局監控中心。為確保網絡安全，在現有物理網絡的基礎上建立基于L2TP協議的VPDN邏輯虛擬專網，實現煤礦與寧夏煤炭安全監察局的安全通信。煤礦傳輸終端通過分配的專用VPDN賬號以撥號方式撥入CDMA 1X網絡，認證服務器（AAA）和煤炭安全監察局認證服務器（RADIus）共同完成無線撥入煤礦用戶的認證和鑒權。煤礦用戶通過認證和鑒權后在煤礦和煤炭安全監察局之間建立VPDN專用通訊通道。通過VPDN網絡建立的虛擬專用通信通道，寧夏煤炭安全監察局監控中心可實時監控煤礦安全生產數據。

　　VPDN主要是采用第二層隧道協議（L2TP），采用L2TP基于以下幾點原因。

　　其一，對于GRE（通用路由封裝協議）及IPSec這些三層隧道協議，區分用戶將比較困難；因為在三層（IP層），一般只能通過IP 地址來區分用戶。對于VPN來說，用戶的地址是可以重復的，這樣，三層隧道協議不適合區分用戶。

　　其二，L2TP 是二層（鏈路層）的隧道協議，是作為PPP 的擴展提出來的。PPP適合區分不同的用戶，比如撥號用戶、采取專線直連的對端路由器等等，因為PPP 可以得到對端的用戶名和更多用戶信息。對于撥號用戶接入這種情況來說，需要區分不同的VPN 用戶，使用L2TP進行VPDN組建是最理想的。

　　其三，采用L2TP隧道協議，只分配企業網內部IP地址，而PPTP等第二層的隧道協議，要求有正式的IP地址，在撥入撥號服務器時，由撥號服務器提供，再二次撥入企業網關時，由企業網關分配內部網地址。

　　其四，采用L2TP隧道協議的VPDN網絡，通信運營商主要維護運營商和企業之間的二層隧道。不同企業之間的二層隧道是區分開來的，相互獨立的二層隧道將保證各企業VPDN網的完全私有性和絕對安全性。

　　2.網絡系統構成

　　VPDN服務主要由CDMA1x路由器、LAC和LNS（防火墻或者cisco接入路由器如C2600 Series）、AAA和內部服務器構成。

　　CDMA1x路由器： 連接在遠程網絡上的訪問終端，是VPDN呼叫的發起者。

　　LAC: 是“第二層隧道協議（L2TP）訪問集中器”，在CDMA1x分組網中是PDSN節點。它是L2TP隧道的其中一個端點，也是LNS的對端。LAC處于LNS和Client的中間，負責轉發雙方的數據包。從LAC發往LNS的數據包需要封裝到L2TP隧道中，而從LAC到Client的連接則使用CDMA1x無線分組傳輸技術。

　　LNS: 是“第二層隧道協議網絡服務器”。它是L2TP隧道的另一個端點，也是LAC的對端。它是PPP會話的邏輯終點，而PPP會話被LAC封裝成隧道形式，是從Client端開始的。

　　AAA server：AAA是認證、授權和記帳的縮寫。AAA服務器負責對Client的身份進行驗證。

　　3.實現過程

　　遠程無線CDMA1x路由器通過CDMA1x網絡連入拜訪地LAC。LAC服務器通過用戶名或接入號碼識別出該用戶為VPDN用戶后，就和用戶的目的VPDN服務器（企業內部服務器）建立一條連接，這條連接稱為隧道，然后將用戶數據包封裝成IP報文后從該隧道傳送給VPDN服務器，VPDN服務器收到數據包并拆封后就可以讀到真正有意義的報文了。具體流程如圖1。

　　瓦斯數據無線傳輸網絡的實現

　　1.網絡建設的主要內容

　　瓦斯無線數據傳輸網絡重點解決各礦井瓦斯數據傳輸集中的難題，實現由分布在各市、縣級的礦井節點匯聚到區級集中節點構成無線數據傳輸網絡。

　　煤礦瓦斯采集數據無線傳輸過程包括：煤礦瓦斯數據通過專用設備（采集終端）進行采集，采集的數據包括礦井瓦斯濃度、溫度、通風情況、風扇工作情況等。采集到的數據通過礦井監控網絡傳輸到井上系統計算機，安裝在計算機上的協議轉換軟件進行數據格式和協議轉換，轉換后的數據通過接口（如RS232接口模塊等）接到無線數據通訊終端，并完成數據在無線通信網絡上的數據傳輸。

　　2、無線數據傳輸網絡

　　煤炭瓦斯監控系統在CDMA網絡服務承載上主要有兩個部分：CDMA無線數傳部分和短信告警服務部分。

　　數字專線部分：租用2M光纖線路，與煤礦安全監察網絡組建的VPDN網絡相連，通過CDMA無線網絡完成自治區煤礦安全監察局與各煤礦之間的信息上傳下達。

　　礦井數據采集線路及傳輸部分：煤礦將從井下采集各種安全數據匯總到煤礦傳輸終端，通過CDMA無線網絡傳輸至電信公司網絡中心PDSN設備，再通過2M專線傳輸到寧夏煤礦安全監察局監控中心。

　　3.礦井層面的無線傳輸網絡實施

　　（1）網絡規范

　　煤礦監測監控系統地面主機與現場實時數據采集機之間的數據傳輸，采用串行口接口方式；從現場數據采集機到上行各節點采用TCP/IP方式傳輸。

　　其體系結構為：實時數據采集節點與現場接口層節點之間監測，構成分布式體系結構，網絡拓撲結構采用總線形及星形。

　　訪問方式采用主從方式。主從方式就是一個高級別的節點控制所有的信號傳輸，順序和時間。除非主節點要求，其他節點不能通信。

　　實時數據采集通信規范包括：采用RS-232串行數據接口標準；接口支持MODEM通訊方式，支持主動撥號和被動撥號方式；支持CDMA方式數據傳輸，自動適應廠家數據通過CDMA方式透明數據傳輸。

（2）瓦斯監控采集設備連接

　　在煤礦礦井現場，井上、下數據采集通過Super KJ系列井下數據采集設備進行采集，其中采集設備采集到的數據通過協議轉換器進行協議轉換，轉換后的數據通過串口（RS232）接到RW2000-DTU（CDMA無線路由器），RW2000-DTU完成數據在CDMA無線數據分組網絡中透明的數據傳輸，如圖3所示。