WiFi 通讯技术在煤矿井下的应用.pdf

煤 矿 安 全 2 0 0 8 一 o 2 4 9 Wi F i 通讯技术在煤矿井下的应用 杨娟 ， 郭江涛 煤炭科学研究总院 重庆院， 重庆 4 0 0 0 3 4 摘要 Wi F i 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 Wi F i 通讯技术的特点， 以重庆分院研制 的无线通讯 系统为例 ， 介绍 了 Wi F i 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。 关键词 煤矿井下 ； 无线通讯 ； Wi F i 中图分类号 T D 6 5 5 ． 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 4 9 6 X 2 0 0 8 0 20 0 4 9 0 3 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 讯为有线 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、 小灵通技术、 无线对讲技术及 Wi F i 技术相继用 于煤 矿井下 。 术来说比较成熟可靠。由于 Wi F i 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 。 1 Wi F i 技术介绍 2 Wi F i 与同类技术 比较 Wi F i Wi r e l e s s F i d l i t y 又称为 8 0 2 ． 1 l b标准 ， 使 用 2 ． 4 G H z 直接序列扩频， 最大传输速率为 5 4 b i t ／ S ， 并可根据信号强弱把传输速率调整为 5 ． 5 b i t／ s 、 2 b i t／s 及 l b i t／s 。 在 2 ． 4 G H z 及 5 GH z 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、 A P 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 H u b的所有功 能。Wi F i 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 我国以前采用过“ 泄漏” 技术及低频穿透技术 来解决井下无线通 讯 ， 但 因其 通讯距离短 一般 在 3 0 m以内 ， 必须单独组网等缺点 ， 目前仅在矿井机 车调度方面有一定应用； 小灵通及无线对讲机技术 解决了通讯距离及防爆问题 ， 但系统设备构成复杂 ， 也必须单独布线 ， 产 品性价 比较低 ； 由重庆分院研发 基于WiF i 技术的宽带无线通讯系统， 即解决了距离 问题 直巷道可以覆盖 5 0 0 m ， 又可 以做成本 安型 产品 ， 可以复用以太环网， 做成星型 树型结构， 是 从分析结果知欧氏距离和遗传距离分类结果基 本一致 ， 除分类数 目为 3时 ， 分类结果有差异 。结合 实际， 分类数 目定为 4更科学。从图 l 、 图 2中可 以 明显看出， A 6 、 A 5距离最近为同一水源水样， 且与 A 3 煤 系砂 岩水 最 为接 近 ， 与其 归 为 一类 ， 说 明 A 6 、 A 5水样为煤系砂岩水。 3 结论 A 5 、 A 6 两份水样取样地点为 1 4 1 2 3 上工作 面， 该上提工作面回采时， 出水点涌水量渐小， 2 0 0 7 年初 1 4 1 2 3 上工作面成功回采， 后经分析确定为 煤系砂岩裂隙水。 聚类分析是当前在数学 中应用最多的几个方法 之一， 可以将研究的水样进行合理的分类， 另聚类分 析也可用来进行判别分析和预测 ， 将聚类 分析方法 应用到水文地质领域 可以实现定性和定量分析相结 合 ， 为判别水源分析等提供客观的数学依据 。 作者简介 修中标 1 9 8 2一 ， 男。 安徽理工大学地质工 程系毕业， 现在安徽淮南矿业集团张集矿地测科从事矿井水 文地质 工作 。 收稿日期 2 0 0 7 0 2 3 1 ； J r 任编辑 郭瑞年 维普资讯 5 0 煤 矿 安 全 T 0 ta l 3 9 9 解决煤矿井下无线通讯及人员定位问题性价比最高 的技术。 3 将 Wi F i 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。 4 宽带无线通讯系统设计思路及工作原理 整个系统以 Wi F i 无线网络和 T C P ／ I P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 I P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用网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 5 系统主要设备的设计原理 5 ． 1 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 I P 信号调制龟路、 无线射频信号调制电路、 电源部分、 天线等主要组成部分 。 I P 信号调制电路主要作用是将 I P 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、 I P协议转 换单元 、 电源电路单元 等组成。 具体结构如图 2所示 。 I 皇塑皇 堕望 l 百 图2 系统结构 5 ． 2无 线射频 电路 无线射频信号调 制是系统 的重点， 采用 了 Wi F i 、 I E E E 8 0 2 ． 3以及 I E E E 8 0 2 ． 3 u标准 ， 支持 C S - M A ／ C A、 C S M A ／ C D、 T C P ／ I P 、 D H C P 、 I C MP 、 N A T协 议 。 Wi F i 定义 了用 于无 线局域 网 WL A N 进行通 信的物理层 和媒体访问控制 M AC 子层。系统采 用了其 中的 I E E E 8 0 2 ． 1 1 g ， 在物理层采用 2 ． 4 G H z 的无线频率， 最大的速率达5 4 b i t ／ s 。在数据链路层 的 M A C子层， 使用了“ 载波侦听多点接人／ 冲突避 免 C S M A ／ C A ” 媒体访问控制 M A C 协议。与有 线连接部分采用了 I E E E 8 0 2 ． 3 ， 因为节点是无线和 有线兼顾 ， 所以需要支持 8 0 2 ． 3 。8 0 2 ． 3描述了物理 层和数据链路层的 M AC子层的实现方法， 在多种物 理媒体上 以多种速率采用 C S MA ／ C D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 I E E E 8 0 2 ． 3 U则是 1 0 0 b i t ／ s 以太网的标准。 5 ． 3 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 G S M、 C D M A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。 5 ． 4 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 MO S F E T V I 、 V 2 和一个控制 I C N 1 外加一 维普资讯 煤 矿 安 全 2 o o 8 0 2 5 1 些阻容元件构成。控制 I C负责监控 电池 电压 与 回 路电流， 并控制两个 M O S F E T的栅极， M O S F E T在电 路中起开关作用， 分别控制着充电回路与放电回路 的导通与关断， c 3 为延时电容， 该电路具有充电保 护、 放电保护、 过流保护与短路保护功能。 F A 图3 锂电池保护电路 6 系统管理软件 P P _ 系统管理软件有号码管理 、 实时性通话处理、 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 J 2 E E J D K 5 ． 0 开发平 台， 以 J a v a为主， 实现 S I P协议， 低层语音传输利用 U D P ， 使用到的协 议还有 R T P ， R T C P ， T C P ／ I P等。数据库采用 S Q L 5 ． 0 ， 服务器操作系统为 WI N D O WS 2 0 0 0 ／ 2 0 0 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。 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。 1 0 系统状态显示功能 系统能显示管理 主机 的配置和状态。 1 1 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。 1 2 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、 通话相应者、 通话开 始时间、 目前会话状态。 1 3 拨号权限设置及监听 、 强拆、 录音功能 拨 号权 限设置功能应能设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 立 目 0 1 4 通话 口志功能 通话 日志功能应能记录一 定期限的通话历史记录， 含通话号码 、 通话时间和通 话时长等。 1 5 参数设置功 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。 7 系统功能特点 参考文献 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 井宽带无线数据通讯， 通讯带宽可达到5 4 M。 3 系统通讯设备采用了标准T C P ／ I P 协议， 具 有很强 的网管能力。 4通过开放的 Wi F i 协议 ， 可方便接入任何符 合 Wi F i 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。 [ 1 ] 孙继平．矿井无线传输的特点 [ J ] ．煤矿设计， 1 9 9 9 4 ． 2 ] 唐智灵， 李思敏． 嵌入式终端 WI F I 网卡驱动程序的开 发 J ] ． 桂林电子工业学院学报 ， 2 0 0 5 3 ． ’ 作者简介 杨娟 1 9 7 9一 ， 女， 工程师， 主要从事煤矿 安全 方面研 究。 收稿日期 2 0 0 7- 0 8 3 1 ； 责任编辑 金丽华 维普资讯