矿用通信网络维护协议、系统及其设计方法
阅读说明：本技术 矿用通信网络维护协议、系统及其设计方法 (Mining communication network maintenance protocol, system and design method thereof ) 是由 谷志茹 陈顺科 于 2020-06-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种矿用通信网络维护协议、系统及其设计方法,所述矿用通信网络维护协议设计方法包括以下步骤：在矿井中布置通信节点,所述通信节点包括主节点和从节点,建立所述主节点和所述从节点之间的通信网络,所述通信网络的通信协议包括应用层、网络层、链路层、MAC层以及物理层,其中,所述通信协议的网络层具有主节点控制规则和从节点重置规则以实现矿用通信网络的自维护功能。采用本发明的方法使得当从节点接入错误网络,可以自动脱离现网络,并自主加入正确网络；当从节点故障,主节点可以在线监测并定位到相应节点,并把损坏节点踢出网络,并且主节点能够自主维护从节点档案,并更新路由,且以上过程完全不需要人员干预。(The invention discloses a mining communication network maintenance protocol, a mining communication network maintenance system and a design method thereof, wherein the design method of the mining communication network maintenance protocol comprises the following steps: arranging communication nodes in a mine, wherein the communication nodes comprise a master node and slave nodes, establishing a communication network between the master node and the slave nodes, and the communication protocol of the communication network comprises an application layer, a network layer, a link layer, a MAC layer and a physical layer, wherein the network layer of the communication protocol has master node control rules and slave node reset rules to realize the self-maintenance function of the mine communication network. The method of the invention can automatically separate from the current network and automatically join the correct network when the slave node is accessed to the wrong network; when the slave node fails, the master node can monitor and locate the corresponding node on line and kick the damaged node out of the network, and the master node can autonomously maintain the slave node file and update the route without human intervention.)
技术领域
本发明涉及通信领域，具体公开了一种矿用通信网络维护协议、系统及其设计方法。
背景技术
矿井下是一个特殊的工作环境，在矿井下的无线信道不同于一般的地面无线通信信道，具有如下特点：
(1)井下空间窄小，无线电磁波在空间中传播，会遇到多次反射，使得信号经过多条路径到达接收端，从而存在频率选择性衰落。
(2)矿井纵横可达几十到上百公里且空间狭小、巷道倾斜、有拐弯和分支、巷道表面粗糙，所以对多通信节点的网络，维护和保养困难。
(3)井下空间有限、机电设备相对集中、功率大，因此电磁干扰严重，所以矿井无线通信系统工作频率选择上应考虑这些干扰源，应尽量选择高频或甚高频作为系统工作频率。
由于矿井下无线信道的特殊性，制约了矿井无线通信系统的发展。迄今为止，我国矿井下主要以有线通信方式为主。国内外矿井无线通信方式主要有漏泄通信、感应通信、透地通信、PHS通信、3G通信系统等。其中透地通信系统存在着设备体积大、重量重、信道容量小、地面设备功率大、地面天线布置困难、单向通信等问题，因此不宜用作煤矿井下无线通信系统；漏泄通信系统存在着带宽窄、抗灾变能力差、大量的串联中继导致可靠性差、不具备冗余功能等问题，因此不宜作煤矿井下无线通信系统；PHS通信系统与3G通信系统存在着基站控制器和基站非本质安全型防爆、系统不具备冗余功能、抗灾变能力差、带宽窄、井下基站至地面最大通信距离不满足井下通信大于10公里的要求等问题。
所以亟需一种适应矿进信道应用的无线通信协议。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种矿用通信网络维护协议设计方法，至少部分解决现有技术中存在的问题。
为实现上述目的，本发明提出一种矿用通信网络维护协议设计方法，所述矿用通信网络维护协议设计方法包括以下步骤：
在矿井中布置通信节点，所述通信节点包括主节点和从节点，建立所述主节点和所述从节点之间的通信网络，所述通信网络的通信协议包括应用层、网络层、链路层、MAC层，以及物理层；
其中，所述通信协议的网络层具有主节点控制规则和从节点重置规则以实现矿用通信网络的自维护功能。
优选地，所述主节点控制规则包括：
所述主节点查询MAT中所述从节点的状态，若所述从节点状态为“1”，所述主节点将所述从节点踢出所述通信网络。
优选地，所述从节点重置规则包括：
所述主节点查询SIB中所述从节点的状态，若所述从节点状态为“1”，设置NIB属性中的NXPMODULETYPE属性为未定义，所述从节点离开所述通信网络。
优选地，所述主节点控制规则中所述主节点将所述从节点踢出所述通信网络的步骤为：
所述主节点的应用层发送删除命令通知所述主节点的网络层进行所述从节点删除操作；
所述主节点的网络层接收到删除命令后向所述主节点的MAC层发出Kick命令；
所述主节点的MAC层通过无线网络将Kick命令传输给所述从节点的MAC层；
所述从节点的MAC层接收到Kick命令后向所述从节点的网络层发送离网及复位命令；
所述从节点的网络层接收到离网及复位命令后通知所述从节点的应用层进行离网操作并通知所述从节点的MAC层进行复位操作；
所述从节点的应用层进行离网操作；所述从节点的MAC层进行复位操作并向所述从节点的网络层返回复位操作完成信息。
优选地，所述主节点的MAC层发送Kick命令后通知所述主节点的网络层踢出完成；所述主节点的网络层接收到踢出完成信息后通知所述主节点的应用层将MAT中的所述从节点的对应条目删除，从而维护MAT。
优选地，所述从节点重置规则中所述从节点离开所述通信网络的步骤为：
所述从节点的应用层发送重置命令通知所述从节点的网络层进行重置；
所述从节点的网络层接收到重置命令后设置NIB中的NXPMODULETYPE属性为未定义并向所述从节点的MAC层发送离网命令；
所述从节点的MAC层接收到离网命令进行离网操作并向所述从节点的网络层返回离网完成信息；
所述从节点的网络层接收到离网完成信息后向所述从节点的MAC层发送复位命令；
所述从节点的MAC层接收到复位命令进行复位操作后向所述从节点的网络层返回复位完成完成信息；
所述从节点的网络层接收到复位完成信息后通知所述从节点的应用层重置操作完成。
优选地，所述主节点的MAC层通过无线网络获取离网完成信息后通知所述主节点的网络层所述从节点的离网状态，所述主节点的网络层接收到所述从节点的离网状态后通知所述主节点的应用层将MAT中的所述从节点的对应条目删除。
优选地，所述从节点的状态包括：“0”表示无效；“1”表示未激活；“2”表示激活；“3”表示有效；
所述从节点状态变化规则为：
当所述从节点未接入网络但存在于MAT中时，所述从节点的状态为“3”；
当网络层与应用终端正常通信时，所述从节点的状态为“2”；
当网络层与应用终端非正常通信时间超过240MIN，且非正常通信时间按预设步长降低至0MIN时，所述从节点初始状态为“1”；
当所述从节点不存在于MAT中时，所述从节点的状态为“0”
此外，为实现上述目的，本发明还提出一种矿用通信网络维护协议，所述矿用通信网络维护协议的网络层中插入采用如上所述的矿用通信网络维护协议设计方法设计的规则。
此外，为实现上述目的，本发明还提出一种矿用通信系统，所述矿用通信系统采用矿用通信网络进行通信，所述矿用通信网络采用如上所述的矿用通信网络。
本发明包括以下优点：
1、从节点接入错误网络，可以自动脱离现网络，并自主加入正确网络。
2、从节点故障(损坏或掉电)，主节点可以在线监测并定位到相应节点，并把损坏节点踢出网络。
3、主节点自主维护从节点档案，并更新路由。
以上过程完全不需要人员干预。
附图说明
图1为本发明优选实施例一种矿用通信网络维护协议设计方法流程图；
图2为网络协议结构图；
图3为本发明优选实施例主节点控制规则时序图；
图4为本发明优选实施例从节点重置规则时序图。
具体实施方式
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
本公开实施例提供一种一种矿用通信网络维护协议设计方法。
参见图2，图2是一种典型的网络协议结构图，本发明为了提高矿用通信网络可靠性，减轻现场人员对通信网络的维护工作量，在网络层中插入了主节点控制规则和从节点重置规则，集中管理和解决矿用通信节点网络自维护的问题从而能自动定位并上报网络中故障节点，将故障节点从网络中解除，从而极大提高了矿用通信网络的可靠性，减少了人工维护的难度和工作量。物理层主要负责射频部分的工作，将电信号经编码和调制后通过天线转换成适合在无线信道传输的电磁波，或将电磁波经天线接收后转换为电信号，并进行相反的处理。MAC层是媒体接入控制层，主要负责告知物理层在无线信道中发送数据的方法和时间，控制频谱的接入和组装用于传输的数据包。链路层负责控制和管理通信链路，并对上层屏蔽下层的具体实现。网络层是本发明的重点，主要完成网络的组建和路由的发现，负责建立源节点至目的节点的通信路由，快速诊断和修复通信故障的节点，构建免维护的多跳自组网络。
参见图1，本发明的矿用通信网络维护协议设计方法包括以下步骤：
S10：在矿井中布置主节点和从节点，建立主节点和从节点之间的通信网络并获取通信网络的维护协议。
主节点和从节点的位置可以根据实际需求进行布置，主节点和从节点之间的网络通信及节点之间的路由均采用现有的通信网络协议。主节点(Master)：上电组建并维护网络；从节点(Slave)：上电加入网络，并具有中继功能。
S20：在维护协议的网络层插入主节点控制规则和从节点重置规则从而组建矿用通信网络维护协议。
矿用通信网络维护协议的网络层帧格式和字段如下表1和下表2所示。
表1
表2
矿用通信网络维护协议的层次用于指出报文用于矿用通信协议的哪一层Layer字段，如下表3所示。
表3
值
描述
0x01
物理层(PHY layer)
0x02
MAC层(MAC layer)
0x03
链路层(Link layer)
0x04
网络层(Network layer)
0x05
应用层(Application layer)
0x06-0xFF
保留
网络层原语列表如下表4所示。
表4
原语的结构体参数的数据类型定义如下：
unsigned char(8bits)；unsigned short(16bits)；unsigned int(32bits)。
NXP-GET.request
structure(size(2))；
{
AttributeId unsigned char(8bits),
AttributeIndex unsigned short(16bits)
}
NXP-GET.confirm
structure(size(4))
{
Status unsigned char(8bits),
AttributeId unsigned char(8bits),
AttributeIndex unsigned short(16bits),
AttributeValue octet-string
}
NXP-SET.request
structure(size(3))
{
AttributeId unsigned char(8bits),
AttributeIndex unsigned short(16bits),
AttributeValue octet-string
}
NXP-SET.confirm
structure(size(3))
{
Status unsigned char(8bits),
AttributeId unsigned char(8bits),
AttributeIndex unsigned short(16bits)
}
NXP-STATUS.indication
structure(size(2))
{
Status unsigned char(8bits),
AdditionalInfo octet-string
}
下表5列出可能的状态
表5
状态
SLAVE_JOINED
SLAVE_left
MODEM_IS_READY
MODEM_ERROR
NIB(Network layer information base，网络层信息表)展示了网络层的IB属性，使用NXP-GET及NXP-SET原语进行访问(接口帧中的Layer字段要设置为0x04)。NXP网络层属性如下表6所示
表6
MAT(Master-Archive-Table，主节点档案表)由主节点在上电组网时创建，并通过NXP-GET原语获得SIB(Slave-IB，从节点信息表)中从节点状态，并通过NXP-SET原语更新MAT表中从节点状态，MAT如下表7所示。
表7
SIB(Slave-IB，从节点信息表)如下表8所示
表8
由从节点网络层在加入网络的过程中创建。
其中从节点状态定义如下。
状态为“0”，表示从节点“无效”；其地址已经从主节点档案表中删除，这一对应的从节点信息认为是空。
状态为“1”，表示从节点“未激活”；该节点已经接入网络，但在限定时间内无通信，认为该节点出现下面三种情况
1)接入错误网络，
2)该表故障
3)该节点移除
并将其从网络中脱离。
状态为“2”，表示从节点“激活”；且该节点已经接入网络，并且正常通信。
状态为“3”，表示从节点“有效”；待接入的节点的地址在SIB中，但是还未接入网络。
利用从节点地址索引作为与从节点地址对应的节点设备ID。
主节点控制规则的原理是：主节点调用NXP-GET原语查询MAT中从节点的状态，若从节点状态为“1”，主节点将从节点踢出通信网络。参见图3，主节点控制规则的步骤是：主节点的应用层调用NXP-SET.request原语通知主节点的网络层进行从节点重置操作；
主节点的网络层接收到重置操作信息后后调用ADPM-LBP.request原语向主节点的MAC层发出Kick命令；
主节点的MAC层通过无线网络将Kick命令传输给从节点的MAC层；
从节点的MAC层接收Kick命令调用ADPM-NETWORK_LEAVE.Indication原语通知从节点的网络层进行重置；
从节点的网络层接收到重置请求信息后调用NXP-STATUS.indication原语通知从节点的应用层进行离网操作并调用ADPM-reset.request原语通知从节点的MAC层进行复位操作；
从节点的应用层进行离网操作；从节点的MAC层进行复位操作并调用ADPM-reset.confirm原语和ADPM-buffer.Indication原语通知从节点的网络层复位操作完成。
主节点的MAC层发送Kick命令后通知主节点的网络层重置完成；主节点的网络层接收到重置完成信息后调用NXP-SET.confirm原语和NXP-STATUS.indication原语通知主节点的应用层将MAT中的从节点的对应条目删除。
从节点重置规则的原理是：设置NIB属性中的NXPMODULETYPE属性未触发时从节点离开通信网络。参见图4，主节点控制规则的步骤是：从节点的应用层调用NXP-SET.request原语通知从节点的网络层进行重置；
从节点的网络层接收到重置请求后设置NIB中的NXPMODULETYPE属性为未触发并调用ADPM-NETWORK-LEAVE.request原语通知从节点的MAC层进行离网操作；
从节点的MAC层进行离网操作后调用ADPM-NETWORK-LEAVE.confirm原语通知从节点的网络层离网完成；
从节点的网络层接收到离网完成后调用ADPM-RESET.request原语通知从节点的MAC层进行复位操作；
从节点的MAC层进行复位操作后调用ADPM-RESET.confirm原语和ADPM-RESET.Indication原语通知从节点的网络层复位操作完成；
从节点的网络层调用NXP-SET.confirm原语通知从节点的应用层重置操作完成。
主节点的MAC层通过无线网络得知从节点离网后调用ADPM-LBP.Indication原语通知主节点的网络层从节点的离网状态，主节点的网络层接收到从节点的离网状态后调用NXP-STATUS.Indication原语通知主节点的应用层将MAT中的从节点的对应条目删除。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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