wifi通讯技术在煤矿井下的应用

WiFi 通讯技术在煤矿井下的应用 著者姓名：_ 指导教师：_ 日 期：_ WiFi 通讯技术在煤矿井下的应用 摘要：WiFi 技术应用到煤矿井下是一种新的解决矿井无线通讯方案，其主 要是发展一种低成本的无线网络，在煤矿有较好的发展前景，文章着重介 绍 WiFi 通讯技术的特点和 WiFi 技术如何应用于煤矿井下，实现安全生产 及有线、无线结合的信息传递。井下通讯系统是煤矿安全防护及生产调度 必不可少的设施，目前我国井下主要通汛为有线方式。由于井下环境差， 巷道分布多，干扰信号源多，对无线的发展障碍多，但随着技术发展，近 年泄漏技术、小灵通术、无线对讲技术及 WiFi 技术相继用于煤矿井下。 关键字：WIFI 通信技术 无线射频 矿井通讯 前言 由于煤炭矿井生产环境的特殊性，井下作业对生产管理有非常高的实 时性要求，作为生产管理人员、电机车司机、皮带维护工和其它流 动 人 员 应 能够 与生 产 调 度 室 及 时 取得 联 系 ，将 生 产 一 线 的 各 种情况 上 报 ， 实现 统 一 指 挥 统 调 度 。 虽 然 煤 炭企 业 对 生 产 安 全 都 非 常 重视 ， 但事故的发生是不确定性 的，事故发生后 必须依 据 当时情况 ，采 取 果 断 措 施进 行 处理 ， 对 井 下 人 员进 行 紧急 抢 救 。 但 井 上 对井 下 人员 的 监控 由于 受 各 种 条 件 的 限制 还 很 不 完善 ，对于 井下 人 员 的情 况不 能 及 时 反 映 ，导 致 事 故 发 生 时 ，不能及时 、准 确 的得 到 井 下 人 员 的信息 ，无法做出正确的决 策， 以致会造 成抢 险不及时 ， 有 可能贻误对生命 的抢 救。因 而 对于 现 代 化 的各 煤 炭 企 业 ， 实 现 下 井作 业人 员与 调度 管 理 员 的 实 时通 讯 ，使 井 上人 员及 时 掌握 井 下 人 员 的 动态 分布 及作业情况，开 发建设煤矿井下无线调度通信系统 已成 为各煤炭企业实现煤炭安全生产调度和保障生产人 员安全 的迫切需要。由 于 煤矿 井 下 的特 殊 性 ，制 约了井 下 无 线 通 信 系统 的发展 ， 我 国井 下 无 线 通信 系统 一直 主 要 靠 引 进 吸 收 国外的相 关 技 术 ，但 随着 近 年来地面无线技术的快速发展 以及我国科技研 发的不断投入 ，新型的无线 技术越来越 多的服务于煤矿井下。目前可用于煤矿井下的无线 系统 主要 有 漏 泄 通 信 技 术 、 透地 通 信 技 术 、 井 下 小 灵 通 技 术 以 及 W i F i 技 术。 3 / 8 1 WiFi 技术介绍 WiFi(Wireless Fidlity)又称为 8021l b 标准，使用 24GHz 直接序列 扩频，最大传输速率为 54 bits，并可根据信号强弱把传输速率调整为 55 bits、2bits 及 1 bits。在 24 GHz 及 5GHz 频段上免许可， 具有成本低、终端便携、宽带等特点，组网系统主要包括无线站点、AP 节 点及网络服务器，站点和节点问可以实现级联连接或组建局域网，站点可 以实现几乎 Hub 的所有功能。WiFi 技术在地面的短距离无线通讯中已有多 年的应用，相对其他无线宽带技术来说比较成熟可靠。由于 WiFi 协议本身 限制其设备的功率，使这类设备可以设计成符合煤矿安全要求的本质安全 型设备，增加在井下的使用范围，并且可以改变井下无线通讯长久以来一 直徘徊在窄频范围的现状，使无线通讯方式在井下得到更多的运用。 2 将 WiFi 技术应用到煤矿井下主要解决的关键技术 (1)节点有线信号远距离传输技术。 (2)节点本安供电技术。 (3)节点无线信号天线及覆盖方式。 (4)手持机本安处理及电池安全保护技术。 (5)适应井下工业以太环网传输的信号节点技术。 (6)系统组网方式及拓扑结构研究。 3 宽带无线通讯系统设计思路及工作原理 整个系统以 WiFi 无线网络和 TCPIP 协议为基本架构，以矿井工业 以太环网为整个系统的主干传输平台，形成有线主干与无线终端相结合的 方式，覆盖矿井部分或全部巷道及地面相关区域，最终实现煤矿宽带无线 通讯。系统工作原理简单来说就是位于地面的管理主机通过交换机为进入 到无线信号覆盖区域的每一台手持机分配一个 IP 地址，并自动为其在管理 软件中注册，将数据存人数据库。注册后的手持机即可正常通话。呼叫时 节点收到手持机发出的无线信号，并将其调制打包后通过矿 Jj 嘲络交换 机送到地面管理主机，经软件处理后又经矿用网络交换机送到覆盖被呼叫 手持机所在区域的节点，呼叫目标手持机接收信号后经过振铃提示并调制 成语音给与持机者，完成一次通话。期间所有经软件处理的数据都会存人 数据库作为查询依据。 系统数据流程示意图如图 1 所示。 图 1 系统数据流程示意图 4 系统主要设备的设计原理 41 信号节点 信号节点采用有线方式与网络交换机连接，主要包括 IP 信号调制电 路、无线射频信号调制电路、电源部分 j 天线等主要组成部分。IP 信号调 制电路主要作用是将 IP 信号经调制后，使用载波进行远距离传输，或者反 之。信号调制电路采用模块化设计技术，分为处理器单元、调制解调单元、 IP 协议转换单元、电源电路单元等组成。具体结构如图 2 所示。 图 2 系统结构 42 无线射频电路 无线射频信号调制是系统的重点。采用了 WiFi、IEEE 8023 以及 IEEE 8023u 标准，支持 CSMACA，CSMACD，TCPIP、DHCP，ICMP，NAT 协议。 WiFi 定义了用于无线局域网(WI。AN)进行通信的物理层和媒体访问控 制(MAC)子层。系统采用了其中的 IEEE 80211g，在物理层采用 24GHz 的无线频率，最大的速率达 54 bits。在数据链路层的 MAC 子层，使用 5 / 8 了“载波侦听多点接冲突避免(CSMACA)”媒体访问控制(MAC)协议。与 有线连接部分采用了 IEEE 8023，因为节点是无线和有线兼顾，所以需 要支持 8023。8023 描述了物理层和数据链路层的 MAC 子层的实现方法， 在多种物理媒体上以多种速率采用 CSMACD 访问方式，对于高速以太网该 标准说明的实现方法有所扩展。而 IEEE 8023U 则是 100 bits 以太网 的标准。 43 天线设计 天线作为无线设备的信号收发部分，直接决定无线设备的通讯能力和 使用方式。信号节点的天线设计借鉴了 GSM、CDV等公共信息网对隧道、 楼宇的覆盖经验，选用了旁瓣电平低、波瓣窄、前后比高、方向性强的背 设天线，并根据实际情况设计了抛物面和栅状背板两种结构，其中抛物面 天线直径较小，增益较高，覆盖距离远。栅状天线具有较高的抗风能力， 适用于矿井风速较高的位置使用。 44 手持机的电池保护 锂电池保护电路图如图 3 所示，该保护回路由两个 MOSFET(VI、V2)和 一个控制 IC(N1)外加一些阻容元件构成。控制 Ic 负责监控电池电压与回 路电流，并控制两个 MOSFET 的栅极，MOSFET 在电路中起开关作用，分别 控制着充电同路与放电回路的导通与关断c3 为延时电容，该电路具有允 电保护、放电保护、过流保护与短路保护功能。 图 3 锂电池保护电路 5 系统管理软件 系统管理软件有号码管理、实时性通活处理、通话时间记录、通话强 行拆除、监听、录音等功能。整套软件采用 J2EE(JDK50)开发平台以 Java 为主，实现 SIP 协议，低层语音传输利用 UDP，使用到的协议还 R11P，RTCP，TCPIP 等。数据库采用 SQL50，服务器操作系统 wINDOwS2()0020()3。在软件开发中采用多线程并行通讯技术。异步通讯 技术 等先进技术，系统管理软件主要由服务管理模块、号码管理模块、实时通 话模块、通话管理模块、通话日志模块、系统参数设置模块、系统安全管 理模块等组成。这些模块又可划分为更细的模块组。 6 系统功能特点 (1)系统可与其它设备利用井下工业以太环网的信息传输平台，运行 稳定、可靠性好，无须铺设独立的通讯线路。 (2)将宽带无线通讯技术引入井下，实现了矿井宽带无线数据通汛， 通讯带宽可达到 54 M。 (3)系统通讯设备采用了标准 TCPIP 协议，具有很强的网管能力。 (4)通过开放的 WiFi 协议，可方便接人任何符合 WiFi 协议标准的设 备，实现全矿井安全生产各环节的无线数据传输。 (5)系统凭借宽带的优势突破了传统无线通讯类设备频带和信令数量 的限制，可同时容纳大量用户在线通讯。 (6)系统采用远程本质安全供电和通讯设备本质安全的方式，方便使 无线通讯的覆盖范围延伸进回风区域和工作面。 (7)系统通讯线路采用灵活方便的星型结合树型的混合拓扑结构。 (8)系统可通过网关设备与调度系统无缝连接。 (9)系统开关控制功能：系统管理员可以通过系统开关控制功能启动 和关闭管理系统。 (10)系统状态显示功能：系统能显示管理主机的配置和状态。 (11)号码注册管理功能：注册管理功能能显示管理主机的注册用户信 息，当管理系统收到注册请求，管理主机能同步更新数据库，管理员能手 动删除或添加注册信息。 (12)通话状态显示：通话状态显示功能应包括：参与通话号码、通话 发起者、通活相应者、通活开始时间、目前会话状态。 (13)拨号权限设置及监听、强拆、录音功能：拨号权限没置功能应能 没置手持机拨号通话优先级、呼叫限制和呼叫权限等监听、强拆、录音 功能可通过系统软件设置，对特定号码进行监听、强拆和录音。 (14)通话 13 志功能：通话 13 志功能应能记录一定期限的通活历史记 7 / 8 录含通活号码、通活时间和通话时长等。 (15)参数没置功能：参数设置功能包括：系统基本参数设置、系统配 置设置，管理员登录权限修改、密码修改等。 结束语: 由于无线网络的方便 与高效等显著的优势特点 ，近年来 ，无线 APP 的 应 用 迅 猛 的增 长 。 国内外已经开始着手以无线标准来建设城域网，考虑到其各 种优势 。W IFI 的无线地位将会 日益牢固。W IFI 技术具 有为可移动性 、 价格 低廉等 众多优 点 ， 理 所 当然 的成 为 高 速 有 线 接入 技 术 的 有 效 补 充 ，且 已经广 泛 应 用 于 有 线接 入 需无线延伸的领 域。 由 于数据速率、 覆盖范围和可靠性 的差异 ，WIFI 技术在宽带应用上作 为高速 有线接入技术的补充。虽然与蜂窝移动通信也存在少量竞争 ，但 WIFI 也会成 为蜂 窝移动通信的补充。3 G 技术虽 是 一 个比较完美的系统 但不能保证有 效 的区域和