1 引言

在從事礦井開采、油田鉆井等各種大型現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，保障生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的人身安全更多的體現(xiàn)在所穿戴的防護(hù)用品上。由于國家對(duì)安全生產(chǎn)監(jiān)管力度的不斷加強(qiáng)和企業(yè)對(duì)工傷事故預(yù)防意識(shí)的提高和管理的要求，有必要通過防護(hù)用品對(duì)作業(yè)人員的生命體征進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保身心安全，而目前防護(hù)用品的功能單一，需要提升其智能化水平形成智能穿戴設(shè)備以滿足此監(jiān)測(cè)需求。

同時(shí)為提高礦井綜合管理效率，提升礦井應(yīng)急反應(yīng)能力和處置能力，夯實(shí)礦井安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)，提出了位置定位、語音通話、語音視頻通信、適時(shí)視頻監(jiān)控、多媒體集群調(diào)度、第三方數(shù)據(jù)傳輸?shù)仍絹碓蕉嗟耐ㄐ乓?，作業(yè)人員除穿戴安全防護(hù)用品外還須配帶多種不同協(xié)議不同頻段的無線通訊設(shè)備，加重了身體負(fù)擔(dān)和維護(hù)工作量。

軟件無線電是部分或全部軟件配置的無線電，在各種應(yīng)用程序中使用通用平臺(tái)，提供一個(gè)通用的全雙工無線電模組，能實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)配置，以提供靈活性、多功能性、效率和單組電池更長的壽命，具有顯著的尺寸、重量和電源（交換）優(yōu)勢(shì)。

由此基于軟件無線電研究用于礦井的智能穿戴設(shè)備，集人員頭部的安全防護(hù)、照明功能、井下作業(yè)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控、人員通信聯(lián)絡(luò)、人員定位系統(tǒng)、瓦斯氣體檢測(cè)、有害氣體檢測(cè)、溫度濕度檢測(cè)、應(yīng)急信號(hào)發(fā)送等于一體，實(shí)現(xiàn)井下作業(yè)人員隨身佩戴裝備的輕量化、集成化，適應(yīng)煤礦安全生產(chǎn)現(xiàn)代化智能管理的需要，同時(shí)符合煤礦井下設(shè)施設(shè)備的相關(guān)電氣規(guī)范，以及達(dá)到產(chǎn)品自身的相關(guān)安全、健康、環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，有效支撐井下安全生產(chǎn)、智能化管理，保護(hù)作業(yè)的人生安全和身心健康。

2 智能穿戴與礦井通信技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 智能穿戴產(chǎn)品現(xiàn)狀

智能穿戴方面，在當(dāng)前國內(nèi)外同類的研究主要集中在企業(yè)自研產(chǎn)品上，市場(chǎng)上出現(xiàn)的智能穿戴產(chǎn)品包括智能安全帽、智能手環(huán)等：

（1）韓國第三大通訊運(yùn)營商LGU公司的“物聯(lián)網(wǎng)+安全帽”智能安全事故監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，并于2016年9月宣布開始上市。這款產(chǎn)品囊括了LET調(diào)制解調(diào)器、攝像頭、無線通訊以及GPS定位系統(tǒng)；

（2）洛杉磯Daqri初創(chuàng)公司的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)型智能安全帽(Smart Helmet)，基于Android系統(tǒng)，配備了多種感應(yīng)器、攝像頭和一個(gè)透明的護(hù)目鏡，具有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR)功能無需手動(dòng)操作即可顯示出與現(xiàn)實(shí)中的設(shè)備和物體有關(guān)的指示信息和其他數(shù)字內(nèi)容；

（3）Motorola的工程師專用智能型安全帽Kopin Golden-i，搭載Windows CE、OMAP3530處理器，使用者帶上去以后，右眼前有個(gè) SVGA 分辨率的液晶屏幕檢視各項(xiàng)電腦信息，測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，秀出現(xiàn)場(chǎng)工地的圖、鋼筋量和尺寸，通過語音控制的方式操作，也可以通過藍(lán)牙、WiFi和USB的方式和其它裝置連接；

（4）深圳市特冠電子科技有限公司的智能安全帽。其主要具有圖像采集功能、語音通訊功能、強(qiáng)光照明功能、激光定位功能；

（5）深圳市勁宇智能科技有限公司研發(fā)的LED頭戴式智能攝像頭安全帽/無線WiFi智能頭盔。該產(chǎn)品由電池、WiFi攝像頭、防爆頭盔和LED組成一款安全、防爆型LED頭戴式智能攝像頭安全帽，大功率WiFi傳輸，本地存儲(chǔ)的自主研發(fā)設(shè)備，自帶系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸實(shí)時(shí)觀看，支持手機(jī)電腦遠(yuǎn)程觀看；

（6）北京網(wǎng)格科技有限公司研制的HLS-TL14A智能頭盔用于鐵路工人日常檢修工作。該頭盔集頭部防護(hù)、圖像采集、語音采集、激光定位、照明功能于一體。但其是分體式的，不具備空間定位功能，需要外攜帶傳輸設(shè)備，增加負(fù)重；

（7）江蘇省無錫市華信安全設(shè)備有限公司成功推出AirWindow天窗智能安全帽。該智能安全帽內(nèi)置定制的AIR智能芯片，采用128位DES加密算法，云數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理個(gè)人安全信息，在發(fā)生事故時(shí)可以及時(shí)調(diào)取個(gè)人應(yīng)急信息，方便及時(shí)救援。同時(shí)利用天窗設(shè)計(jì)解決信息管理和散熱的問題。

2.2 礦井通信技術(shù)現(xiàn)狀

礦井通信技術(shù)方面，不同于傳統(tǒng)通訊系統(tǒng)，煤礦井下環(huán)境、地質(zhì)復(fù)雜，工作人員設(shè)備眾多，工作地點(diǎn)較為分散，主要有以下幾款井下無線通訊系統(tǒng)：

（1）泄露通訊系統(tǒng)。早期煤礦行業(yè)常用的通訊系統(tǒng)，該系統(tǒng)是通過在巷道中的同軸電纜來實(shí)現(xiàn)，該電纜通過與設(shè)備連接的輸出裝置在其周圍形成連續(xù)均勻的電磁場(chǎng)，達(dá)到傳輸信息的作用。該系統(tǒng)雖然應(yīng)用較為靈活，線路鋪設(shè)較為方便，但仍存在信號(hào)覆蓋不均勻、容量小、通話質(zhì)量差等劣勢(shì)，現(xiàn)在已經(jīng)被其他技術(shù)逐漸取代；

（2）PHS（小靈通）無線通訊系統(tǒng)。當(dāng)小靈通在生活中得到廣泛應(yīng)用時(shí)，也被應(yīng)用在煤礦行業(yè)，該系統(tǒng)通過微蜂窩基站實(shí)現(xiàn)無線覆蓋，將手機(jī)以無線方式接入電話網(wǎng)，以此來實(shí)現(xiàn)通信。但隨著小靈通的退網(wǎng)，很多設(shè)備及配件不再生產(chǎn)，該系統(tǒng)很難再繼續(xù)應(yīng)用；

（3）WIFI無線通訊系統(tǒng)。該系統(tǒng)是目前常用的無線通訊系統(tǒng)之一，WIFI是一種短程無線傳輸技術(shù)，主要的優(yōu)勢(shì)是不受煤礦事故影響，對(duì)事故救援提供及時(shí)的通訊支持。但是該系統(tǒng)容易受到外界的干擾，通話質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)安全難以保證；

（4）集群通信系統(tǒng)，包括PDT、TETRA、GOTO、DMR、短波電臺(tái)等多種制式的無線集群方式，實(shí)現(xiàn)與電話系統(tǒng)、指揮調(diào)度系統(tǒng)、軟交換系統(tǒng)的互聯(lián)互通；

（5）新型無線通訊系統(tǒng)，該類系統(tǒng)多采用3G/4G通信技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)度電話、視頻通信功能[1]。

由此，現(xiàn)有智能穿戴設(shè)備，并未實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)人員的體征監(jiān)測(cè)，現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)方案包括集群通信網(wǎng)，無線WiFi網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等，都受限于固定的頻段，無法在地下塌方、礦井封閉等緊急情況發(fā)送信號(hào)，無法適應(yīng)復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，需要外攜帶傳輸設(shè)備，增加負(fù)重。

軟件無線電方面，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有硬件平臺(tái)和寬帶天線已能支持大帶寬的通用軟件無線電實(shí)現(xiàn)，具備多協(xié)議多頻段應(yīng)用能力。

3 基于軟件無線電的智能穿戴設(shè)備

通過智能穿戴設(shè)備構(gòu)建礦井監(jiān)控通信系統(tǒng)，目標(biāo)是對(duì)礦井所有作業(yè)人員的體征監(jiān)測(cè)，群組語音通話，監(jiān)控中心對(duì)作業(yè)人員的指揮控制。作業(yè)人員的體征監(jiān)測(cè)在礦井作業(yè)時(shí)可以讓監(jiān)控中心實(shí)時(shí)掌握每個(gè)作業(yè)人員的生理狀態(tài)，發(fā)生異常時(shí)（如體溫過高、心率過快、血壓異常等）及時(shí)告警，并進(jìn)行救護(hù)處理，與此同時(shí)監(jiān)測(cè)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)可配備氣體、PM2.5等傳感器，監(jiān)測(cè)所處環(huán)境，在發(fā)現(xiàn)對(duì)作業(yè)人員有害物質(zhì)時(shí)發(fā)出警示，與監(jiān)控系統(tǒng)失去連接時(shí)向外部發(fā)送低頻應(yīng)急信號(hào)。群組語音通話在礦井作業(yè)時(shí)群組作業(yè)人員之間可以進(jìn)行通話協(xié)作，共同完成作業(yè)任務(wù)。作業(yè)人員的位置定位讓監(jiān)控中心可以清楚的了解作業(yè)人員的位置情況，實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員信息的便捷管理，進(jìn)而具備區(qū)域越界告警功能，在發(fā)生事故時(shí)亦可以及時(shí)調(diào)取作業(yè)人員應(yīng)急信息，方便及時(shí)救援，提高作業(yè)安全性。監(jiān)控中心對(duì)作業(yè)人員的指揮控制便于作業(yè)人員與管理人員隨時(shí)進(jìn)行交流，使指揮人員了解現(xiàn)場(chǎng)情況，以對(duì)作業(yè)進(jìn)度和狀況進(jìn)行遠(yuǎn)程把控，做出正確判斷，及時(shí)發(fā)出指令，提高工作效率，增加安全保障。

在智能穿戴設(shè)備中使用軟件無線電實(shí)現(xiàn)多頻段通信，多核處理器實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線藍(lán)牙、自組織網(wǎng)絡(luò)、信標(biāo)定位及低頻應(yīng)急信號(hào)等多協(xié)議功能。作業(yè)人員配帶的智能穿戴設(shè)備具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線藍(lán)牙、自組織網(wǎng)絡(luò)、信標(biāo)定位及應(yīng)急信號(hào)等協(xié)議物理層所需的各種功能，如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等，用軟件來完成，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線藍(lán)牙、自組織網(wǎng)絡(luò)、信標(biāo)定位及低頻應(yīng)急信號(hào)等協(xié)議棧軟件（包括物理層）運(yùn)行在多核處理器上。

根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境，通過軟件無線電可選擇不同的頻段進(jìn)行自組織網(wǎng)絡(luò)通信，以適應(yīng)對(duì)通信距離與帶寬的要求。礦井監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主網(wǎng)絡(luò)為無線自組織網(wǎng)絡(luò)，其通信距離與帶寬決定礦井監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能，在不同的應(yīng)用環(huán)境，對(duì)不同頻段的無線信號(hào)衰減程度不一樣，智能穿戴設(shè)備進(jìn)行自組織網(wǎng)絡(luò)時(shí)可通過軟件無線電選擇最佳的通信頻段，以滿足通信距離與帶寬要求。

下面從網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、中心平臺(tái)架構(gòu)、智能穿戴設(shè)備硬件組成和軟件框架、數(shù)據(jù)流路徑幾個(gè)方面進(jìn)行論述。

3.1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

如圖1所示，礦井監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是由作業(yè)人員配帶智能穿戴設(shè)備和礦井網(wǎng)關(guān)設(shè)備組成的無線自組織網(wǎng)絡(luò)，自組織網(wǎng)絡(luò)時(shí)通過軟件無線電可根據(jù)應(yīng)用環(huán)境選擇不同的頻段，智能穿戴設(shè)備收集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)的作業(yè)人員體征監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，攝像頭視頻流，信標(biāo)定位信息，通過無線自組織網(wǎng)絡(luò)傳送到網(wǎng)關(guān)設(shè)備，網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過移動(dòng)網(wǎng)或固網(wǎng)傳送至監(jiān)控中心平臺(tái)，監(jiān)控中心通過多媒體集群解碼視頻流，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)集群；監(jiān)控中心可以實(shí)時(shí)查看智能穿戴設(shè)備的視頻和位置信息，并通過語音通話與配帶者進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)指揮操作功能，在作業(yè)人員超出區(qū)域時(shí)向其報(bào)警及在作業(yè)人員失去聯(lián)系向管理者發(fā)出告警信息。

3.2 監(jiān)控中心平臺(tái)架構(gòu)

如圖2所示，監(jiān)控中心平臺(tái)由多媒體數(shù)據(jù)集群、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)集群和應(yīng)用服務(wù)集群組成。多個(gè)礦井監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)（移動(dòng)通信網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)等）傳輸?shù)蕉嗝襟w數(shù)據(jù)集群，多媒體數(shù)據(jù)集群負(fù)責(zé)音視頻數(shù)據(jù)的分片接收并進(jìn)行編解碼處理，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)集群，更新業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)索引。數(shù)據(jù)服務(wù)器存儲(chǔ)所有的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳送過來的大量傳感和音視頻數(shù)據(jù)，使用專用數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。用戶、維護(hù)和管理人員訪問應(yīng)用服務(wù)集群，從業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫獲取設(shè)備和數(shù)據(jù)索引信息，由應(yīng)用服務(wù)集群請(qǐng)求數(shù)據(jù)存儲(chǔ)集群，結(jié)果由應(yīng)用服務(wù)集群返回給客戶端。在數(shù)據(jù)傳輸和客戶端訪問的前端，都通過防火墻和負(fù)載均衡來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全防御和高并發(fā)訪問的分流控制。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

圖2 平臺(tái)架構(gòu)圖

3.3 智能穿戴設(shè)備硬件組成

如圖3所示，作業(yè)人員配帶智能穿戴設(shè)備和礦井網(wǎng)關(guān)設(shè)備的統(tǒng)一組成框圖，設(shè)備具備兩組軟件無線電射頻發(fā)送和接收處理路徑，其中寬帶數(shù)模轉(zhuǎn)換器、軟件可調(diào)上變頻器、功率放大器、射頻濾波器、RF構(gòu)成數(shù)字波形數(shù)據(jù)到模擬射頻信號(hào)的發(fā)送處理路徑，射頻信號(hào)最后經(jīng)寬帶多頻段天線發(fā)送出去；射頻濾波器、低噪聲功率放大器、軟件可調(diào)下變頻器、寬帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成模擬射頻信號(hào)到數(shù)字波形數(shù)據(jù)的接收處理路徑，處理從寬帶多頻段天線接收過來的射頻信號(hào)；高性能FPGA處理器完成多種協(xié)議數(shù)據(jù)幀發(fā)送和接收過程與多頻段數(shù)字波形數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理，多協(xié)議不同頻段的數(shù)字波形可以共用同一寬帶多頻段天線；多核處理器處理通過設(shè)備與中心平臺(tái)的通信，分配不同核心線程對(duì)不同頻段的協(xié)議棧進(jìn)行處理，以滿足無傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線自組織網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)、信標(biāo)定位及低頻應(yīng)急信號(hào)等多協(xié)議的同時(shí)通信；FLASH存儲(chǔ)為設(shè)備提供大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力；傳感采集模塊可直接采集體溫、血壓、心率等體征，同時(shí)負(fù)責(zé)音視頻采集；網(wǎng)絡(luò)接口管理模塊為設(shè)備提供有線網(wǎng)絡(luò)連接接口，提供到無傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線自組織網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的透明傳輸通道；高精度時(shí)鐘模塊為設(shè)備各硬件模塊和軟件協(xié)議棧提供高精度的時(shí)間同步功能；電源模塊為設(shè)備所有其它模塊供電。

圖3 硬件組成圖

3.4 智能穿戴設(shè)備軟件框架

如圖4所示，作業(yè)人員配帶智能穿戴設(shè)備和礦井網(wǎng)關(guān)設(shè)備的統(tǒng)一軟件框圖，無傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線自組織網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)和信標(biāo)定位的MAC層和PHY波形處理部署在FGPA中完成，RF0寬帶數(shù)字信號(hào)包含無線自組織網(wǎng)絡(luò)、信標(biāo)定位、低頻應(yīng)急信號(hào)的波形數(shù)據(jù)，RF1寬帶數(shù)字信號(hào)包括無傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的波形數(shù)據(jù)，兩組寬帶數(shù)字信號(hào)復(fù)制分發(fā)給對(duì)應(yīng)的協(xié)議組件處理。低頻協(xié)議棧、WiFi/Mesh協(xié)議棧、信標(biāo)定位協(xié)議棧、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、Bluetooth協(xié)議棧、ZigBee/ZigWave協(xié)議棧部署在多核處理器中由獨(dú)立的核心線程完成，處理相應(yīng)協(xié)議的組網(wǎng)和數(shù)據(jù)通信；操作系統(tǒng)完成任務(wù)和應(yīng)用的調(diào)度；傳感器數(shù)據(jù)采集應(yīng)用完成體征數(shù)據(jù)和音視頻流的采集，位置定位完成設(shè)備自身位置的計(jì)算，時(shí)間同步完成各設(shè)備的時(shí)間同步，話音通話實(shí)現(xiàn)話音的輸入輸出，協(xié)議管理完成多種協(xié)議的協(xié)同管理，參數(shù)配置完成對(duì)設(shè)備的工作參數(shù)進(jìn)行配置。

圖4 軟件框架圖

3.5 關(guān)鍵數(shù)據(jù)流路徑

如圖5所示，整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)流路徑包括多段數(shù)據(jù)流：

（1）體征監(jiān)測(cè)組網(wǎng)：作業(yè)人員配帶智能穿戴設(shè)備作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，發(fā)起網(wǎng)絡(luò)組建，作業(yè)人員開啟體征監(jiān)測(cè)設(shè)備，體征監(jiān)測(cè)設(shè)備加入作業(yè)人員配帶智能穿戴設(shè)備組建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并開始把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)阶鳂I(yè)人員配帶智能穿戴設(shè)備。

（2）信標(biāo)定位：作業(yè)人員配帶智能穿戴設(shè)備作為定位信標(biāo)的終端，接收信標(biāo)定位信號(hào)，實(shí)時(shí)計(jì)算自身位置信息，并傳送到礦井網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

（3）低頻應(yīng)急信號(hào)：智能穿戴設(shè)備監(jiān)測(cè)到配帶人員體征異?；蚺c監(jiān)控中心斷開時(shí)，切換到低頻率發(fā)送模式，向外部發(fā)送低頻應(yīng)急信號(hào)，可穿透?jìng)鬏斴^遠(yuǎn)距離，便于外界接收到信號(hào)進(jìn)行救援定位。

（4）藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)連接：作業(yè)人員配帶智能穿戴設(shè)備作為藍(lán)牙主機(jī)，發(fā)起網(wǎng)絡(luò)組建，作業(yè)人員開啟藍(lán)牙耳機(jī)，藍(lán)牙耳機(jī)加入作業(yè)人員配帶智能穿戴設(shè)備組建的藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)，采集語音數(shù)據(jù)發(fā)送到作業(yè)人員配帶智能穿戴設(shè)備，并從作業(yè)人員配帶智能穿戴設(shè)備接收語音數(shù)據(jù)進(jìn)行播放。

（5）無線自組織網(wǎng)絡(luò)：作業(yè)人員配帶智能穿戴設(shè)備之間與礦井網(wǎng)關(guān)設(shè)備組建無線自組織網(wǎng)絡(luò)，作業(yè)人員配帶智能穿戴設(shè)備通過無線自組織網(wǎng)絡(luò)與礦井網(wǎng)關(guān)設(shè)備通信，把位置信息、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和音視頻數(shù)據(jù)傳送到礦井網(wǎng)關(guān)設(shè)備，接收礦井網(wǎng)關(guān)設(shè)備傳送的音頻數(shù)據(jù)和控制指令。作業(yè)人員配帶智能穿戴設(shè)備之間通過無線自組織網(wǎng)絡(luò)通信，交互音頻數(shù)據(jù)，相互通話。

（6）移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)：礦井網(wǎng)關(guān)設(shè)備作為終端加入移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，把無線自組織網(wǎng)絡(luò)中的位置信息、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和音視頻數(shù)據(jù)通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控中心平臺(tái)，接收監(jiān)控中心的音頻數(shù)據(jù)和控制指令，轉(zhuǎn)發(fā)到無線自組織網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心平臺(tái)對(duì)作業(yè)人員位置跟蹤、指揮控制。

（7）監(jiān)控中心平臺(tái)：監(jiān)控中心平臺(tái)接收到移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中傳送的作業(yè)人員位置信息、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和音視頻數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析處理和存儲(chǔ)，展現(xiàn)給管理者，接收管理者的語音通話、指令控制、配置參數(shù)，下發(fā)到作業(yè)人員配帶智能穿戴設(shè)備，與配帶者進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)指揮操作功能。

圖5 系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)流圖

4 驗(yàn)證與結(jié)論

LimeSDR支持頻率范圍為100 kHz～3.8 GHz，可滿足 LTE、GSM、LoRa、Bluetooth、Zigbee、RFID、WiFi等無線支持，在項(xiàng)目中通過在LimeSDR平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)多個(gè)軟件協(xié)議棧，對(duì)上述基于軟件無線電的智能穿戴設(shè)備軟件框架和硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)完成了包括ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、Bluetooth無線藍(lán)牙、Mesh自組織網(wǎng)絡(luò)、WiFi網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)協(xié)議多個(gè)頻段的通信，并測(cè)試了LF低頻信號(hào)發(fā)送，達(dá)到了預(yù)期的效果。驗(yàn)證所用協(xié)議和通信頻率如表1所示。

表1 測(cè)試所用協(xié)議和通信頻率表

5 結(jié)束語

文中分析了當(dāng)前礦井監(jiān)控對(duì)穿戴設(shè)備和無線通信的需求，提出基于軟件無線電的智能穿戴設(shè)備軟件框架和硬件結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)合管理平臺(tái)共同構(gòu)成了監(jiān)控系統(tǒng)，為智能穿戴設(shè)備和軟件無線電在礦井中應(yīng)用提供了基礎(chǔ)，同時(shí)所提方案減少硬件模塊數(shù)量，降低成本，提升集成度，使用軟件無線電更加靈活配置通信頻段，適應(yīng)礦井隧道多變環(huán)境，在應(yīng)急通信時(shí)能切換到低頻率信號(hào)發(fā)送，保障應(yīng)急情況下向外發(fā)送信號(hào)，更好提升礦井監(jiān)控系統(tǒng)的日常管理和應(yīng)急信息化水平。