齊維龍

（重慶梅安森科技股份有限公司 重慶九龍坡區(qū) 400000）

基于WiFi的煤礦井下應(yīng)急救援無(wú)線通信系統(tǒng)的研究

齊維龍

（重慶梅安森科技股份有限公司 重慶九龍坡區(qū) 400000）

在煤炭礦井的開(kāi)采與安全生產(chǎn)過(guò)程中，基于WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)建立的無(wú)線通信系統(tǒng)，為煤礦應(yīng)急救援工作提供了重要的技術(shù)支持，非常有利于災(zāi)后開(kāi)展緊急救援，以盡量減少傷亡人員。本文探討了基于WiFi技術(shù)建立的煤礦井下應(yīng)急救援無(wú)線通信系統(tǒng)，以供參考。

WiFi技術(shù)；煤礦；應(yīng)急救援；無(wú)線通信系統(tǒng)

1 引言

井下通信系統(tǒng)是煤礦安全防護(hù)及生產(chǎn)調(diào)度的關(guān)鍵設(shè)施，我國(guó)當(dāng)前主要采用的井下通信仍然是有線方式，如：頻率信號(hào)通信、RS485等。由于井下環(huán)境本身有一定的局限性，巷道分布較多，存在很多干擾信號(hào)源，因而會(huì)阻礙井下的無(wú)線通信，而基于WiFi技術(shù)建立的無(wú)線通信系統(tǒng)則有效改善了此類問(wèn)題，開(kāi)始被大規(guī)模應(yīng)用于井下工程的通信中。

2 WiFi技術(shù)概述

2.1 WiFi技術(shù)

802.11 協(xié)議簇是國(guó)際電工電子工程學(xué)會(huì)（IEEE）為無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)制定的標(biāo)準(zhǔn)。雖然WI-FI使用了802.11的媒體訪問(wèn)控制層（MAC）和物理層（PHY），但是兩者并不完全一致。在以下標(biāo)準(zhǔn)中，使用最多的應(yīng)該是802.11n標(biāo)準(zhǔn)，工作在2.4GHz頻段，可達(dá)600Mbps。

WiFi具有速率高、傳輸距離長(zhǎng)、與已有的各種802.11DSSS設(shè)備兼容等特點(diǎn)。IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)最高帶寬為11Mbps，有干擾或信號(hào)較弱時(shí)，帶寬可調(diào)整為1Mbps，2Mbps，5.5Mbps，很好地保障了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性。其主要優(yōu)點(diǎn)：速率高，可靠性好，開(kāi)放環(huán)境下的，傳輸?shù)木嚯x通?？蛇_(dá)到305m，處于封閉環(huán)境則傳輸距離為76～22m，其組網(wǎng)成本更低。

WiFi技術(shù)相較于其他的無(wú)線寬帶技術(shù)更為成熟可靠，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地面上的短距離無(wú)線通信。因?yàn)閃iFi協(xié)議限制了設(shè)備功率，使設(shè)計(jì)的本質(zhì)安全型設(shè)備得以滿足煤礦的安全要求，從而擴(kuò)展了井下使用范圍，改善了井下無(wú)線通信長(zhǎng)久以來(lái)使用窄頻范圍的現(xiàn)狀，得以運(yùn)用更多的無(wú)線通信方式。

2.2 WiFi網(wǎng)絡(luò)基本工作原理

WiFi的典型配置一般包括一個(gè)或多個(gè)接入點(diǎn)Access Poin（tAP）及一個(gè)或多個(gè)客戶端。每個(gè)接入點(diǎn)（AP）每隔一定時(shí)間：尋服務(wù)單元標(biāo)識(shí)（SSID Service SetIdentifier）經(jīng)由beacons（信號(hào)臺(tái)）封包廣播一次?；谌鏢SID這樣的設(shè)置，客戶端可以決定是否聯(lián)結(jié)到某個(gè)接入點(diǎn)（AP）。若同一個(gè)SSID的兩個(gè)接入點(diǎn)（AP）都在客戶端的接收范圍內(nèi)，客戶端可以更具信號(hào)的強(qiáng)度選擇與那個(gè)接入點(diǎn)的SSID聯(lián)結(jié)。

3 基于WiFi技術(shù)的煤礦井下應(yīng)急救援系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成與原理

在煤礦發(fā)生井下事故時(shí)，井下的電力供應(yīng)會(huì)被完全切斷，在極為復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)情況下，應(yīng)急救援通信系統(tǒng)必須發(fā)揮作用。就從結(jié)構(gòu)而言，通常包括3個(gè)部分：地面指揮調(diào)度中心、井下無(wú)線鏈路以及災(zāi)變現(xiàn)場(chǎng)救護(hù)隊(duì)。通信技術(shù)應(yīng)該包含有線通信技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)相結(jié)合的救援通信系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 井下應(yīng)急救援無(wú)線通信

①由地面救援指揮調(diào)度中心結(jié)合實(shí)際情況與救援經(jīng)驗(yàn)，及時(shí)制定救援方案；②由救護(hù)隊(duì)員攜帶有線設(shè)備、電纜等，到達(dá)井下受災(zāi)情況相對(duì)明確的位置，迅速鋪設(shè)有線電纜，并架設(shè)相關(guān)設(shè)備，搭建井下救援基地平臺(tái)，同時(shí)建立井下救援基地和地面救援指揮調(diào)度中心之間的通信；③由于臨近災(zāi)變現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域可能出現(xiàn)二次災(zāi)難，因此可采用WiFi無(wú)線技術(shù)，以無(wú)線接力的方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)布放裝置，快速建立無(wú)線通信信道，可直達(dá)救援災(zāi)變現(xiàn)場(chǎng)；④救援隊(duì)員在向相對(duì)安全的區(qū)域推進(jìn)時(shí)，可以依靠已經(jīng)搭建完成的WiFi網(wǎng)絡(luò)，配備隨身攜帶的數(shù)據(jù)設(shè)備，以完成救援人員之間，或者與井下救援基地、地面指揮調(diào)度中心之間的語(yǔ)音聯(lián)系、人員定位等功能；⑤井下傳來(lái)的各種災(zāi)后數(shù)據(jù)信息，可通過(guò)井下救援基地傳輸至地面救援指揮調(diào)度中心，從而為救援工作的開(kāi)展提供參考，及時(shí)做出科學(xué)決策。

3.2 煤礦應(yīng)急救援通信系統(tǒng)需求分析

煤礦應(yīng)急救援通信系統(tǒng)是應(yīng)急救援指揮中心給救援人員下達(dá)命令和部署任務(wù)的平臺(tái)，是地下煤礦救援人員與地上指揮人員交換信息的橋梁，不僅可以大大提升救援的工作效率，而且能夠有效地保障救援人員的生命安全。具體來(lái)說(shuō)，應(yīng)當(dāng)滿足的要求如下：

3.2.1 應(yīng)當(dāng)靈活便捷

在發(fā)生嚴(yán)重煤礦事故之后，礦井中很多原有通信設(shè)施可能遭到損壞，所以，應(yīng)急救援通信系統(tǒng)的建設(shè)與部署，應(yīng)當(dāng)以可靠、靈活為基礎(chǔ)，才能夠適應(yīng)不同的礦井通道結(jié)構(gòu)。若是有線形式的救援通信系統(tǒng)，則需要面臨復(fù)雜的布線等工作，而運(yùn)用無(wú)線通信系統(tǒng)則簡(jiǎn)便易行，是井下災(zāi)害應(yīng)急通信系統(tǒng)的最佳選擇。

3.2.2 實(shí)時(shí)傳輸語(yǔ)音、環(huán)境監(jiān)測(cè)與視頻數(shù)據(jù)

在發(fā)生礦難時(shí)，事故現(xiàn)場(chǎng)的情況非常危險(xiǎn)，可能會(huì)因?yàn)檩p微的疏忽而導(dǎo)致二次災(zāi)害。所以，應(yīng)急救援通信系統(tǒng)的建立，必須具備集成語(yǔ)音通信、環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的功能，不僅能夠與地面指揮員保持密切的通信聯(lián)絡(luò)，同時(shí)還可以從事故現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，極大提高救援工作效率與安全性。

3.2.3 網(wǎng)絡(luò)和電源冗余

礦井中災(zāi)害的發(fā)生，非常容易給通信系統(tǒng)的線纜、通信基站等造成損毀問(wèn)題，因此，應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)需要具備多路由的網(wǎng)絡(luò)冗余功能，才能夠確保網(wǎng)絡(luò)中的單點(diǎn)線纜、設(shè)備損毀等，不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。同樣，如果發(fā)生的是火災(zāi)或瓦斯災(zāi)害，應(yīng)當(dāng)依據(jù)煤礦的安全操作規(guī)程，采取相應(yīng)的供電閉鎖，直至井下整體停電，應(yīng)急救援通信系統(tǒng)則必須具備電源冗余功能。

3.2.4 具有高可靠性和可擴(kuò)展性

在事故發(fā)生之后，由于形勢(shì)的急迫，往往無(wú)暇精心規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的部署不盡合理，甚至在救援過(guò)程中發(fā)生缺電、地面隆起等問(wèn)題。為保證通信系統(tǒng)的可靠性與救援安全，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)即可有效保證自身的可靠性。另外，礦井往往大小不一，其救援范圍通常難以準(zhǔn)確預(yù)知，為確保有效的覆蓋，應(yīng)急救援通信系統(tǒng)要求可按需擴(kuò)展，這樣才具有廣泛的適用性。

4 WiFi技術(shù)下的煤礦井下應(yīng)急救援無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 井下個(gè)人終端設(shè)計(jì)

處于煤礦井下時(shí)，個(gè)人終端的硬件主要包括以下模塊：語(yǔ)音模塊、環(huán)境參數(shù)采集模塊、圖像采集模塊、液晶顯示模塊、WiFi模塊、鍵盤輸入模塊、MCU處理模塊以及無(wú)線功放模塊等。在國(guó)際國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)中，圖像采集模塊、語(yǔ)音模塊、液晶顯示模塊和鍵盤輸入模塊等，其部件等相關(guān)技術(shù)均較為成熟，無(wú)需獨(dú)立性研究開(kāi)發(fā)；在設(shè)計(jì)過(guò)程中，也不需要對(duì)MCU進(jìn)行單獨(dú)的設(shè)計(jì)。

WiFi模塊通常是以SPI的方式，讀取煤礦井下的環(huán)境參數(shù)信息的，采用G-SPI，即SPI方式實(shí)現(xiàn)與圖像采集、語(yǔ)音模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸采用GPIO總線擴(kuò)展器IO接口，即可與液晶顯示模塊、鍵盤輸入模塊連接起來(lái)；而采用RX，TX管腳則能夠與無(wú)線功放模塊連接。

4.2 建立無(wú)線通信信道

在整個(gè)應(yīng)急救援無(wú)線通信系統(tǒng)的建立過(guò)程中，無(wú)線通信信道的建立至關(guān)重要[1]。救援人員需要將控制命令，通過(guò)連接于計(jì)算機(jī)上的WiFi AP中繼，發(fā)送到小車上的采集終端，實(shí)現(xiàn)通信傳輸。由于WiFi技術(shù)具有自組網(wǎng)功能，如果2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信距離超過(guò)了通信范圍，則新投放的節(jié)點(diǎn)將會(huì)自動(dòng)加入WiFi網(wǎng)絡(luò)，從而成為中間路由節(jié)點(diǎn)，使通信鏈路能夠繼續(xù)延伸，以確保通信正常進(jìn)行，然后再依次投放其余的節(jié)點(diǎn)。在鏈路建立完成之后，采集終端即可傳送來(lái)自救援前端的各種環(huán)境相關(guān)參數(shù)，由救援人員、救援指揮調(diào)度中心對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行分析處理，進(jìn)而下達(dá)救援命令，作出救援安排。

4.3 地面與井下指揮中心

當(dāng)井下發(fā)生事故時(shí)．具體救援系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖l，個(gè)人終端、井下指揮中心與中繼臺(tái)共同組成井下無(wú)線救援通信系統(tǒng)。因?yàn)榫掠兄浅Ｌ厥獾南锏澜Y(jié)構(gòu)．在具有局限性空間中進(jìn)行無(wú)線信號(hào)的傳輸。所傳輸?shù)木嚯x接近地面。

4.3.1 地面應(yīng)急救援指揮中心設(shè)計(jì)

地面應(yīng)急救援指揮中心軟件是煤礦生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，可以方便地和主系統(tǒng)集成在一起，與其他信息系統(tǒng)一起實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的可視化管理功能，并與其他系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和互操作。地面應(yīng)急救援指揮中心軟件要完成三大功能：①對(duì)串口接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和分析處理，并對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理；②對(duì)串口前端WiFi設(shè)備發(fā)送控制命令，控制其工作方式；③鏈路質(zhì)量報(bào)警、環(huán)境參數(shù)報(bào)警和定位等。

4.3.2 井下應(yīng)急通信系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用分級(jí)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，系統(tǒng)由便攜式無(wú)線WiFi通信設(shè)備終端組成。當(dāng)?shù)V難發(fā)生時(shí)，搜救人員攜帶一定數(shù)量的個(gè)人終端進(jìn)入巷道進(jìn)行搜救工作，根據(jù)巷道實(shí)際情況部署終端設(shè)施，注意保持彼此之間的互相連接，從而形成無(wú)線骨干網(wǎng)絡(luò)。而救援人員隨身攜帶的個(gè)人終端，則只需要能夠和其中任意一個(gè)實(shí)現(xiàn)通信，即可與地面進(jìn)行通信。而終端設(shè)備之間的通信可以通過(guò)WiFi無(wú)線實(shí)現(xiàn)傳輸與轉(zhuǎn)發(fā)，這樣，一套完整的井下應(yīng)急通信系統(tǒng)就建立起來(lái)了。

4.4 中繼臺(tái)設(shè)計(jì)

救援系統(tǒng)的井下部分中，由于通訊距離問(wèn)題一般都需要設(shè)計(jì)中繼臺(tái)．中繼臺(tái)主要起到構(gòu)建井下指揮中心與個(gè)人終端之間中繼通道的作用，從而增大無(wú)線信號(hào)的覆蓋范圍，延長(zhǎng)整個(gè)救援系統(tǒng)的通信距離。

構(gòu)建于井下指揮中心與個(gè)人終端之間的中繼通道，旨在延長(zhǎng)實(shí)際的通信距離，該中繼臺(tái)能夠通過(guò)雙WiFi芯片，落實(shí)定向天線與雙向功放方案，以保證個(gè)人終端與指揮中心的雙向通訊穩(wěn)定清晰，從而通過(guò)定向天線延長(zhǎng)通信距離，中繼臺(tái)的具體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 中繼臺(tái)設(shè)計(jì)圖

4.5 移動(dòng)數(shù)字視頻設(shè)計(jì)

目前大多數(shù)煤礦井下的監(jiān)控，都是在特定位置安裝攝像儀來(lái)實(shí)現(xiàn)的，若采用WiFi方式，則可以切實(shí)提高監(jiān)控的有效性。其中，WiFi寬帶最高能夠達(dá)到300Mbit/s，其在高碼流、高寬帶以及高畫(huà)質(zhì)的音視頻中非常適用，同時(shí)還具有超強(qiáng)的抗干擾和抗衰落能力，如果能夠應(yīng)用于礦井應(yīng)急救援中，即可實(shí)現(xiàn)災(zāi)害前的監(jiān)控預(yù)防，救援過(guò)程中對(duì)于井下實(shí)際情況的掌控，滿足井下救援的可視要求。

5 結(jié)語(yǔ)

WiFi在煤礦災(zāi)害事故應(yīng)急救援中的應(yīng)用，取得了良好的實(shí)際效果。如果能夠充分運(yùn)用WiFi技術(shù)，建立礦井的應(yīng)急救援通道，實(shí)現(xiàn)即時(shí)迅速的信息傳輸與應(yīng)急救援方案，即可在最大限度上減少煤礦災(zāi)害造成的損失，從而減少礦井事故，為礦產(chǎn)的開(kāi)采安全做出重大貢獻(xiàn)。

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TN925

A

1004-7344（2016）24-0184-02

2016-8-12

齊維龍（1984-），男，助理工程師，碩士。