矿用救援通信系统多终端蓝牙同频干扰方法_孟庆勇.pdf

第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 矿用救援通信系统多终端蓝牙同频干扰方法 孟庆勇 1， 2， 3 （1.煤炭科学技术研究院有限公司， 北京 100013； 2.煤矿应急避险技术装备工程研究中心， 北京 100013； 3.北京市煤矿安全工程技术研究中心， 北京 100013） 摘要 针对基于蓝牙传输的矿井应急救援无线通信中出现的同频干扰问题， 提出了利用跳频 技术实现抗干扰的方法。矿用体征参数传感器与矿用数据采集终端通过蓝牙连接， 当频道状态 为占用时， 数据采集终端控制体征参数传感器采用跳频方式更改频道， 数据采集终端将根据蓝 牙频道状态表按顺序递增搜索未占用的频道， 在数据采集终端更改频道后将该频道状态改为占 用， 并在煤矿井下进行测试实验。测试结果表明 该方法能够有效地将多终端分配到不同的频 道， 避免同频传输所产生的干扰情况， 可有效地提升井下应急通信系统的稳定性和救援能力。 关键词 应急救援； 蓝牙； 多终端； 跳频技术； 同频干扰 中图分类号 TD655.3文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 08-0112-05 Study on Multi-terminal Bluetooth Simultaneous Frequency Interference in Mine Rescue Communication System MENG Qingyong1,2,3 （1.China Coal Research Institute Co., Ltd., Beijing 100013, China;2.Research Center of Coal Mines Emergency Technology Equipment Engineering, Beijing 100013, China;3.Beijing Coal Mine Safety Engineering Technology Research Center, Beijing 100013, China） Abstract In view of problems of co-channel interference emerged in wireless communication in coal mine emergency rescue based on Bluetooth transmission, the paper proposes a of realizing anti-interference using frequency hopping technology. Mine-used vital sign parameter sensors connect with mine-used data acquisition terminals via Bluetooth signals. When the state of the channel is occupied, a vital sign parameter sensor changes the channels through the way of frequency hopping technology controlled by a data acquisition terminal, which searches in progressive increase for unoccupied channels in order according to the table of Bluetooth channel states and transs the state of these changed channels into the occupied state. The underground test results indicate that this can distribute terminals to different channels effectively and avoid the situation of co-channel interference at the same time, which enhances the stability of underground emergency communication system and the capability of emergency rescue. Key words emergency rescue; Bluetooth; multiple terminals; frequency hopping technology; co-channel interference 煤炭作为国民经济中极为重要的基础能源， 在 工业生产中占有极为重要的地位。随着煤炭开采规 模的扩大和煤矿生产过程的不断加快，煤矿安全问 题逐渐进入人们的视野。由于开采环境、地质条件 等方面存在差异，我国煤矿灾害事故总数略高于发 达国家水平，煤矿安全生产形式依然严峻，因此开 发高效、实用的煤矿安全应急救援系统对于煤矿安 全生产具有重要的意义[1-3]。 当矿井发生事故时， 救援一线人员将深入井下， 直接面对危险环境，因此可靠的无线救援通信十分 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.08.023 孟庆勇.矿用救援通信系统多终端蓝牙同频干扰方法 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （8 ） 112-116. MENG Qingyong. Study on Multi-terminal Bluetooth Simultaneous Frequency Interference in Mine Rescue Communication System ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （8） 112-116. 移动扫码阅读 基金项目 国家重点研发计划资助项目 （2018YFC0808304 ） ； 煤炭科 学技术研究院技术创新基金资助项目 （2019CX-Ⅱ- 15， 2018CX07 ） 112 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 重要。目前井下无线通信和数据传输主要依赖于 Wi-Fi 技术、 Mesh 多跳通信技术以及蓝牙技术。应 急救援指挥系统主要由矿用本安型摄像仪、矿用本 安型骨传导听说器、矿用体征参数传感器、矿用数 据采集终端、矿用无线基站等组成，救援队员将携 带上述设备下井救援，并通过矿用无线基站搭建通 信链路进行井下救援数据的实时传输。救援队员携 带的数据采集终端需实时采集搜索范围内生命体征 数据，并通过矿用无线基站将所采数据上传至救援 基地。在这一过程中，控制命令将通过 Wi-Fi 链路 中心节点发送到采集终端 RFD[4]。采集终端如果接 收到一定信号强度的命令后，将会与系统建立链 路，实现数据传输、指令分配，也可以控制救援设 备、 运输小车的前进、 后退和停止。当采集终端接收 到的信号强度有限，则系统将断开该链路并对链路 节点重新投放，完成该操作后将重新与采集设备连 接， 继续进行救援操作。由此可见， 基于 Wi-Fi 技术 的无线救援系统对于 Wi-Fi 模块的稳定性具有较高 的要求， 其性能将对救援产生直接影响[5-7]。实时、 有 效、抗干扰能力强的无线传输手段对于救援人员的 安全、救援数据的采集和上传以及救援过程的实时 把控都起着至关重要的作用。 煤矿灾后的事故现场环境往往十分恶劣，由于 巷道会受到不同程度的破坏，使得巷道结构不利于 电磁波的传播，无线信号在多次反射之后强度衰减 较为明显。其次，巷道中悬浮的煤尘和瓦斯容易对 信号造成干扰，信噪比无法保证，通话和传输质量 可能会受到影响。另外，重新建立新链路所花费的 时间较长， 对无线通信的效率产生了限制[8-9]。基于 上述问题，研究人员提出了 Mesh 多跳通信技术来 改进无线应急救援系统。结合矿井特点， Mesh 技术 结合使用骨干路由节点和中继路由节点，并引入多 频率通道提高多跳子系统的容量。地面无线基站和 井下中继基站通过井下以太环网进行有线连接， 该 部分通过有线网络完成应急指挥相关工作。井下配 置监控主机， 通过 RJ45 接口接入地面交换机。数据 采集终端和体征参数传感器在救援过程中移动性较 大， 故采取 Mesh 多跳的无线通信方式[10-12]， 而体征 参数传感器数据上传采用蓝牙的通信方式，该系统 运行较为可靠，但是蓝牙和 Wi-Fi、 Mesh 网络属于 同频段的协议，蓝牙掉线后重连自动扫描可能会造 成同频段的 Wi-Fi 信号质量降低，同频干扰的问题 不可避免。 针对基于蓝牙传输的矿井应急救援无线通信中 出现的同频干扰问题，介绍当前主流的井下无线传 输方案的原理， 并且分析其在实际应用中的局限性， 随后提出一种解决多终端蓝牙同频干扰的方法， 用 于消除蓝牙传输数据的过程中容易产生的干扰行 为，通过阐述原理和工作过程，以及对比分析实验 结果， 说明该方法的可行性。 1蓝牙技术在矿用无线通信中的应用及问题 1.1蓝牙技术在矿用无线通信中的应用 目前大部分煤矿现有的应急救援指挥系统中用 来监测救护人员身体状态的矿用体征参数传感器与 矿用数据采集终端之间通过蓝牙传输信息。蓝牙技 术成本低、 功耗小， 用于短距离传输极为合适[13]， 基 于 Mesh 多跳和 FHSS 技术的无线通信系统结构如 图 1。 但是当某一地点聚集多名救护人员时， 不同救 护人员携带的矿用体征参数传感器与矿用数据采集 终端之间的就会产生传输干扰问题，影响身体状态 信息的高效、 实时监测。 蓝牙技术基于无需授权并全球通用的 2.45 GHz 开放频段。在传播特性方面，蓝牙信号相比于 传统红外无线传输受障碍物阻挡的影响更小，因此 在井下较为复杂的环境下具有更大的传播优势[14-15]。 2.4 GHz 频段专用工作扩频电话通信试验表明， 功 率 100 dBm 的蓝牙信号有效传输距离为 100 m。通 过在现场布置若干个蓝牙接入点 （AP Access Point） 并将有线和无线相结合，可以有效克服蓝牙传输距 图 1基于 Mesh 多跳和 FHSS 技术的无线通信系统结构 Fig.1Wireless communication system structure based on Mesh multi-hop and FHSS Technology 113 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 3跳频传输工作流程 Fig.3Work flow of FH transmission 离较短的弱点。另外蓝牙标准定义 12.5、 100 mW 3 种功率级别的无线发射器， 同时， 蓝牙支持 Hold 模 式、 Park 模式、 Sniff 模式等节能工作模式， 可以显著 地降低矿井电耗， 降低经济成本。 1.2问题分析 一般而言， 对于蓝牙信号的干扰存在 2 种情况 弱信号接收干扰和同频干扰。 在通信系统中干扰和噪声不可避免，对于功率 较小的蓝牙信号而言这种效应更为明显。通信中常 用信号的超越干扰值 H 简称超扰值来表征信号所 必须的相对强度 H＝log2（Ps/Pn）（1） 式中 Ps为信号功率应； Pn为噪声功率，信噪比 定义为 Ps/Pn。 另外 1 个指标为信道超扰值 Hk Hk＝log2（Ps/Pn） k （2） 通过信噪比的定义可以看出，通信的可靠与否 和信噪比的值成正比。在井下若希望解决弱信号接 收干扰的问题， 其基本途径可从以下 3 方面考虑 1） 提高发射功率 Ps以提高信噪比， 用功率换取 可靠性。但鉴于井下特殊的环境以及防爆要求， 功 率提高有一定的上限值。 2 ） 增大发射信号的带宽， 用带宽换取可靠性。 但是增大带宽的一个结果是频率干扰的产生。 3） 延长发送信号的持续时间， 用时间换取可靠 性。通过减小信号的有效带宽和接收机的通频带减 少噪声干扰的效果。 2基于跳频解决多终端蓝牙同频干扰的方法 基于蓝牙同频传输中的干扰问题，提出了一种 用于解决多终端蓝牙同频干扰的方法，实现了矿用 体征参数传感器与矿用数据采集终端之间的高效、 实时传输。 在该方法中，系统硬件包括矿用体征参数传感 器、矿用数据采集终端与矿用无线基站，其中矿用 体征参数传感器与矿用数据采集终端相连，其连接 方式为蓝牙；矿用数据采集终端与矿用无线基站相 连， 其连接方式为 Wi-Fi， 根据蓝牙建立的连接结构 图如图 2。 当数据采集终端监测到与体征参数传感器开始 连接或者开始数据传输时，获取所述体征参数传感 器当前的频道信息，并将所述频道信息发送给矿用 无线基站，矿用无线基站根据所述频道信息从蓝牙 频道列表中查询体征参数传感器当前的频道状态， 并将频道状态反馈给数据采集终端。当频道状态为 占用时，数据采集终端控制体征参数传感器更改频 道。更改频道可采用跳频方式，即当前频道已被占 用时，数据采集终端将经过无线基站查询当前的蓝 牙频道状态表，根据蓝牙频道状态表按顺序递增搜 索未占用的频道。 跳频传输工作流程如图 3。 建立连接的具体工作流程如下 1） 当救护队员的矿用体征参数传感器与矿用数 据采集终端开始连接时，矿用数据采集终端将该连 接所采用的频道传递给矿用无线基站。 图 2根据蓝牙建立的连接结构图 Fig.2Establish connection structure chart according to Bluetooth 114 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 2 ） 矿用无线基站查询的蓝牙频道状态表， 蓝牙 频道状态表见表 1。 查看该频道是否已经被占用， 并 将结果返回至数据采集终端。 3） 若返回结果为被占用， 则数据采集终端则控 制蓝牙通信模块跳频； 更换频道后， 重复步骤 1 ） 、 步 骤 2） 。 4） 若返回结果为未占用， 则矿用生命体征传感 器与矿用数据采集终端建立连接，并将蓝牙频道状 态表中的对应频道状态更改为占用。 5） 当救护队员的矿用体征参数传感器与矿用本 安型数据采集仪断开连接后，将蓝牙频道状态表中 的对应频道状态更改为未占用。 3验证测试 3.1 实验场景搭建 应急救援通信系统在井下进行现场测试时， 更 多情况下需要跳频来步进地寻找未占用的频道。跟 踪了 5 位救援人员在同一地点附近进行救援的场 景， 矿山应急救援系统示意图如图 4。 在井上布设监控主机， 通过 RJ45 接口接入地面 交换机， 在井下巷道处依次布设 10 个无线基站至灾 变现场， 基站与基站之间的距离≥1 000 m， 遇到巷 道拐弯处，为提高通信的质量，需增设 1 个无线基 站， 快速建立 1 条应急传输通道； 5 名救护队员下井 时将体征参数传感器绑在各自胸部中央，每人携带 1 个数据采集终端，使用数据采集终端内置蓝牙设 备读取救护队员心率、 体温、 姿态等生命体征信息， 体征参数传感器同时通过无线蓝牙连接数据采集终 端， 并与井下和地面调度中心进行数据传输。 当需要跳频传输时， 实验处理流程为 1） 当 5 名救护队员的矿用体征参数传感器与矿 用数据采集终端建立连接后，矿用无线基站接收到 蓝牙占用的频道信息。 2） 矿用无线基站通过比对蓝牙频道状态表， 查 看占用状态。 3） 若频道占用， 数据采集终端对蓝牙进行跳频 处理， 并根据步骤 1 ） 、 步骤 2 ） 进行状态的再次确认。 4） 若频道未占用， 蓝牙连接正常， 并将蓝牙频道 状态表进行更新为占用。 5） 连接断开后， 将蓝牙频道状态表进行更新为 未占用。 3.2测试数据 通过上述的跳频传输测试，得到 5 名救护队员 的蓝牙频道的对应数据， 测试数据如图 5。 测试过程中，分别进行了 5 次体征参数传感器 与数据采集终端连接的测试。 由图 5 可以看出， 5 名 救护队员所携带的体征参数传感器在 2 402～2 414 MHz 蓝牙频率范围内随机 “占用” 某一频率来进行 数据传输，并且 5 名救援人员所携带的设备经由不 同的蓝牙频道跳频建立连接， 互不干扰。 基于跳频解决多终端蓝牙同频干扰方法，能够 准确、 稳定地将救护队员体温、 心率、 姿态、 呼吸频 率等生命体征数据传送给数据采集终端，能够实时 准确掌握救护队员身体健康状况，保障救护队员自 身安全。 4结语 针对基于蓝牙传输的矿井应急救援无线通信中 表 1蓝牙频道状态表 Table 1Bluetooth channel status 设备12345无无 频率/MHz 状态 2 402 占用 2 404 占用 2 406 占用 2 408 占用 2 410 占用 2 412 未占用 2 480 未占用 图 4矿山应急救援系统示意图 Fig.4Schematic diagram of mine emergency rescue system 图 5测试数据 Fig.5Test data 115 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 出现的同频干扰问题，提出了一种利用跳频技术控 制体征采集终端更改频道，实现生命体征传感器与 数据采集终端之间的高效、实时、无干扰传输的方 法，可有效地解决由于传输干扰所导致的救援效率 受限的实际情况，在保障救援队员安全的同时， 提 升了应急救援能力。 参考文献 ［1］ 刘伟.基于无线 MESH 网络的煤矿应急救援通信系统 研究与设计 ［J］ .数字通信世界， 2018 （11） 48-121. ［2］ 宫成.煤矿可移动式救生过渡站的配置及其供氧系统 设计 ［J］ .工矿自动化， 2013， 39 （2） 90-92. ［3］ 王岩.煤矿应急救援中融合型应急广播系统的应用 ［J］ .现代矿业， 2018， 34 （2） 118-122. ［4］ 魏翠英.基于 WiFi 技术的煤矿井下应急救援无线通 信系统设计 ［J］ .机电工程技术， 2019， 48 （8） 208. ［5］ 王国强.Wi-Fi 视角下矿井应急救援无线通信系统浅 析 ［J］ .煤炭科技， 2017 （3） 204-206. ［6］ 李晓靖.基于 WiFi 技术的井下无线通信系统设计 ［J］ . 通讯世界， 2015 （1） 19. ［7］ 李培煊， 强蕊.基于 WiFi 的煤矿井下应急救援无线通 信系统的研究 ［J］ .中国安全生产科学技术， 2011， 7 （4） 139-143. ［8］ 徐亚民.煤矿应急救援系统数字化预警通信研究 ［J］ . 山东煤炭科技， 2012 （3） 223-224. ［9］ 冯珍， 郝晶星.煤矿企业应急救援能力评估 ［J］ .电子科 技大学学报 （社科版） ， 2010， 12 （3） 53-56. ［10］ 张立亚， 孟庆勇， 温良.煤矿应急救援中无线 Mesh 网 络多信道分配算法 ［J］ .工矿自动化， 2015， 41 （6） 83-86. ［11］ 武先利， 王鹏， 温良， 等.一种新型煤矿井下无线通信 系统研究 ［J］ .工矿自动化， 2013， 39 （8） 22-25. ［12］ 赵庆川.基于无线 Mesh 网络的瓦斯监测节点设计 ［J］ .煤矿安全， 2016， 47 （10） 101-104. ［13］ 张立亚.矿山救护保障系统设计 ［J］ .工矿自动化， 2018， 44 （12） 19-23. ［14］ 张鹏飞， 杨永生.蓝牙技术在煤矿井下移动通信中的 应用 ［J］ .现代电子技术， 2007 （10） 66-68. ［15］ 侯圣卓.无线通信技术发展趋势研究 ［J］ .中国新通 信， 2019， 21 （1） 10-11. 作者简介 孟庆勇 （1982） ， 山东梁山人， 副研究员， 硕 士， 2008 年毕业于中国矿业大学，从事煤矿安全监控与通 信技术的研究。 （收稿日期 2020-05-09； 责任编辑 陈洋） 质安全认证，在中煤科工集团太原研究院生产的部 分支架搬运车、 防爆运料车、 防爆无轨胶轮车、 防爆 运人车上安装，并在内蒙古补连塔煤矿进行工业性 试验， 借助矿方已建 4G 无线通信传输网络， 整个平 台功能能够完全展示。平台通过对车辆辅助倒车及 预警、车辆状态参数显示及预警、井下车辆位置显 示及车间距测量预警、车辆超速运行及预警、车辆 行驶多角度辅助视频显示等有机结合，具有直观 性、 有效性、 实用性。 参考文献 ［1］ 袁晓明.煤矿无轨辅助运输工艺和发展方向研究 ［J］ . 煤炭工程， 2019， 51 （5） 1-5. ［2］ 李振星， 刘致秀.浅谈煤矿井下辅助运输现状及发展 趋势 ［J］ .能源与节能， 2017， 9 （9） 24-25. ［3］ 王磊.浅谈 4G 无线通信技术在煤矿生产中的应用 ［J］ .煤， 2019， 28 （8） 106-108. ［4］ 郑克新.斜巷轨道运输视频监控装置的研究与应用 ［J］ .煤矿现代化， 2019 （2） 139-141. ［5］ MT/T 9892006 矿用防爆柴油机无轨胶轮车通用技 术条件 ［S］ . ［6］ 赵欢欢.防爆柴油机自动保护装置应用及发展方向 ［J］ .煤炭与化工， 2018， 41 （11） 93-95. ［7］ 周斌.融合无线定位技术的井下车辆管理系统设计 ［J］ .煤矿机械， 2018， 39 （9） 1-4. ［8］ 丁守坤.煤矿井下车辆定位与信号控制技术研究 ［J］ . 机电产品开发与创新， 2019， 32 （2） 76-78. ［9］ 郭东瑜.矿用防爆胶轮车调度管理系统的设计与实现 ［J］ .煤矿机械， 2016， 37 （11） 13-15. ［10］ 刘宏杰， 张慧， 张喜麟， 等.煤矿无轨胶轮车智能调度 管理技术研究与应用 ［J］ .煤炭科学技术， 2019， 47 （3） 81-86. 作者简介 戴剑波 （1982） ， 湖南常德人， 副研究员， 硕 士， 2009 年毕业于重庆邮电大学，主要研究方向为煤矿无 线通信技术、 煤矿安全监测监控技术， 发表论文 12 篇。 （收稿日期 2019-09-27； 责任编辑 李力欣） （上接第 111 页） 116 ChaoXing