1、WiFi 通訊技術(shù)在煤礦井下的應(yīng)用著者姓名：指導(dǎo)教師：日期：WiFi 通訊技術(shù)在煤礦井下的應(yīng)用摘要：WiFi 技術(shù)應(yīng)用到煤礦井下是一種新的解決礦井無(wú)線通訊方案，其主要是發(fā)展一種低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，在煤礦有較好的發(fā)展前景，文章著重介紹 WiFi 通訊技術(shù)的特點(diǎn)和 WiFi 技術(shù)如何應(yīng)用于煤礦井下，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)及有線、無(wú)線結(jié)合的信息傳遞。井下通訊系統(tǒng)是煤礦安全防護(hù)及生產(chǎn)調(diào)度必不可少的設(shè)施，目前我國(guó)井下主要通汛為有線方式。由于井下環(huán)境差，巷道分布多，干擾信號(hào)源多，對(duì)無(wú)線的發(fā)展障礙多，但隨著技術(shù)發(fā)展，近年泄漏技術(shù)、小靈通術(shù)、無(wú)線對(duì)講技術(shù)及 WiFi 技術(shù)相繼用于煤礦井下。關(guān)鍵字：WIFI 通信技術(shù)無(wú)線射

2、頻礦井通訊前言由于煤炭礦井生產(chǎn)環(huán)境的特殊性，井下作業(yè)對(duì)生產(chǎn)管理有非常高的實(shí)時(shí)性要求，作為生產(chǎn)管理人員、電機(jī)車司機(jī)、皮帶維護(hù)工和其它流動(dòng)人員應(yīng)能夠與生產(chǎn)調(diào)度室及時(shí)取得聯(lián)系，將生產(chǎn)一線的各種情況上報(bào)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一指揮統(tǒng)調(diào)度。雖然煤炭企業(yè)對(duì)生產(chǎn)安全都非常重視，但事故的發(fā)生是不確定性的，事故發(fā)生后必須依據(jù)當(dāng)時(shí)情況，采取果斷措施進(jìn)行處理，對(duì)井下人員進(jìn)行緊急搶救。但井上對(duì)井下人員的監(jiān)控由于受各種條件的限制還很不完善，對(duì)于井下人員的情況不能及時(shí)反映，導(dǎo)致事故發(fā)生時(shí)，不能及時(shí)、準(zhǔn)確的得到井下人員的信息，無(wú)法做由正確的決策，以致會(huì)造成搶險(xiǎn)不及時(shí)，有可能貽誤對(duì)生命的搶救。因而對(duì)于現(xiàn)代化的各煤炭企業(yè)，實(shí)現(xiàn)下井作業(yè)人員與

3、調(diào)度管理員的實(shí)時(shí)通訊，使井上人員及時(shí)掌握井下人員的動(dòng)態(tài)分布及作業(yè)情況，開發(fā)建設(shè)煤礦井下無(wú)線調(diào)度通信系統(tǒng)已成為各煤炭企業(yè)實(shí)現(xiàn)煤炭安全生產(chǎn)調(diào)度和保障生產(chǎn)人員安全的迫切需要。由于煤礦井下的特殊性，制約了井下無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展，我國(guó)并下無(wú)線通信系統(tǒng)一直主要靠引進(jìn)吸收國(guó)外的相關(guān)技術(shù)，但隨著近年來地面無(wú)線技術(shù)的快速發(fā)展以及我國(guó)科技研發(fā)的不斷投入，新型的無(wú)線技術(shù)越來越多的服務(wù)于煤礦井下。目前可用于煤礦井下的無(wú)線系統(tǒng)主要有漏泄通信技術(shù)、透地通信技術(shù)、井下小靈通技術(shù)以及 WiFi1WiFi 技術(shù)介紹WiFi(WirelessFidlity)又稱為 802.1lb 標(biāo)準(zhǔn)，使用 2.4GHz 直接序列擴(kuò)頻，最大傳輸

4、速率為 54bit/s,并可根據(jù)信號(hào)強(qiáng)弱把傳輸速率調(diào)整為 5.5bit/s、 2bit/s 及 1bit/s。 在 2.4GHz及 5GHz 頻段上免許可，具有成本低、終端便攜、寬帶等特點(diǎn)，組網(wǎng)系統(tǒng)主要包括無(wú)線站點(diǎn)、AP 節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，站點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)問可以實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)連接或組建局域網(wǎng)，站點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)幾乎Hub 的所有功能。WiFi 技術(shù)在地面的短距離無(wú)線通訊中已有多年的應(yīng)用，相對(duì)其他無(wú)線寬帶技術(shù)來說比較成熟可靠。由于 WiFi 協(xié)議本身限制其設(shè)備的功率，使這類設(shè)備可以設(shè)計(jì)成符合煤礦安全要求的本質(zhì)安全型設(shè)備，增加在井下的使用范圍，并且可以改變井下無(wú)線通訊長(zhǎng)久以來一直徘徊在窄頻范圍的現(xiàn)狀，使無(wú)線通訊方式

5、在井下得到更多的運(yùn)用。2 將 WiFi 技術(shù)應(yīng)用到煤礦井下主要解決的關(guān)鍵技術(shù)(1)節(jié)點(diǎn)有線信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)。(2)節(jié)點(diǎn)本安供電技術(shù)。(3)節(jié)點(diǎn)無(wú)線信號(hào)天線及覆蓋方式。(4)手持機(jī)本安處理及電池安全保護(hù)技術(shù)。(5)適應(yīng)井下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)男盘?hào)節(jié)點(diǎn)技術(shù)。(6)系統(tǒng)組網(wǎng)方式及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究。3 寬帶無(wú)線通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及工作原理整個(gè)系統(tǒng)以 WiFi 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和 TCP/IP 協(xié)議為基本架構(gòu)，以礦井工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)為整個(gè)系統(tǒng)的主干傳輸平臺(tái)，形成有線主干與無(wú)線終端相結(jié)合的方式，覆蓋礦井部分或全部巷道及地面相關(guān)區(qū)域，最終實(shí)現(xiàn)煤礦寬帶無(wú)線通訊。系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)單來說就是位于地面的管理主機(jī)通過交換機(jī)為進(jìn)入到無(wú)線信

6、號(hào)覆蓋區(qū)域的每一臺(tái)手持機(jī)分配一個(gè)IP 地址，并自動(dòng)為其在管理軟件中注冊(cè)，將數(shù)據(jù)存人數(shù)據(jù)庫(kù)。注冊(cè)后的手持機(jī)即可正常通話。呼叫時(shí)節(jié)點(diǎn)收到手持機(jī)發(fā)生的無(wú)線信號(hào)，并將其調(diào)制打包后通過礦 Jj 嘲絡(luò)交換機(jī)送到地面管理主機(jī)， 經(jīng)軟件處理后又經(jīng)礦用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)送到覆蓋被呼叫手持機(jī)所在區(qū)域的節(jié)點(diǎn)，呼叫目標(biāo)手持機(jī)接收信號(hào)后經(jīng)過振鈴提示并調(diào)制成語(yǔ)音給與持機(jī)者，完成一次通話。期間所有經(jīng)軟件處理的數(shù)據(jù)都會(huì)存人數(shù)據(jù)庫(kù)作為查詢依據(jù)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程示意圖如圖 1 所示。4 系統(tǒng)主要設(shè)備的設(shè)計(jì)原理 4.1 信號(hào)節(jié)點(diǎn)信號(hào)節(jié)點(diǎn)采用有線方式與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接，主要包括 IP 信號(hào)調(diào)制電路、無(wú)線射頻信號(hào)調(diào)制電路、電源部分 j 天線等主要組

7、成部分。IP 信號(hào)調(diào)制電路主要作用是將 IP 信號(hào)經(jīng)調(diào)制后，使用載波進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，或者反之。信號(hào)調(diào)制電路采用模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，分為處理器單元、調(diào)制解調(diào)單元、IP 協(xié)議轉(zhuǎn)換單元、電源電路單元等組成。具體結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。圖 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4.2 無(wú)線射頻電路無(wú)線射頻信號(hào)調(diào)制是系統(tǒng)的重點(diǎn)。采用了 WiFi、IEEE802.3 以及IEEE802.3u 標(biāo)準(zhǔn)，支持 CS.M/YCACSM*CD,TCFYIP、DHCPICMP,NAT 協(xié)議。WiFi 定義了用于無(wú)線局域網(wǎng)(WI。AN)進(jìn)行通信的物理層和媒體訪問控制(MAC)子層。系統(tǒng)采用了其中的 IEEE802.11g,在物理層采用 2.4GHz 的

8、無(wú)線頻率，最大的速率達(dá) 54bit/s。在數(shù)據(jù)鏈路層的 MAC?層，使用了“載波偵聽多點(diǎn)接 W 沖突避免(CSMCA)”媒體訪問控制(MAC)協(xié)議。與有線連接部分采用了 IEEE802.3,因?yàn)楣?jié)點(diǎn)是無(wú)線和有線兼顧，所以需要支持 802.3。802.3 描述了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的 MAC?層的實(shí)現(xiàn)方法，在多種物理媒體上以多種速率采用 CSM*CD 訪問方式，對(duì)于高速以太網(wǎng)該標(biāo)準(zhǔn)說明的實(shí)現(xiàn)方法有所擴(kuò)展。而 IEEE802.3U 則是 100bit/s 以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。4.3 天線設(shè)計(jì)天線作為無(wú)線設(shè)備的信號(hào)收發(fā)部分，直接決定無(wú)線設(shè)備的通訊能力和使用方式。信號(hào)節(jié)點(diǎn)的天線設(shè)計(jì)借鑒了 GSMCDV-等公共

9、信息網(wǎng)對(duì)隧道、樓宇的覆蓋經(jīng)驗(yàn)，選用了旁瓣電平低、波瓣窄、前后比高、方向性強(qiáng)的背設(shè)天線，并根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)了拋物面和柵狀背板兩種結(jié)構(gòu)，其中拋物面天線直徑較小，增益較高，覆蓋距離遠(yuǎn)。柵狀天線具有較高的抗風(fēng)能力，適用于礦井風(fēng)速較高的位置使用。4.4 手持機(jī)的電池保護(hù)鋰電池保護(hù)電路圖如圖 3 所示，該保護(hù)回路由兩個(gè) MOSFET(VIV2)和一個(gè)控制IC(N1)外加一些阻容元件構(gòu)成。控制 Ic 負(fù)責(zé)監(jiān)控電池電壓與回路電流，并才制兩個(gè)MOSFET 勺柵極，MOSFETS 電路中起開關(guān)作用，分別控制著充電同路與放電回路的導(dǎo)通與關(guān)斷.c3 為延時(shí)電容，該電路具有允電保護(hù)、放電保護(hù)、過流保護(hù)與短路保護(hù)功能。圖

10、 3 鋰電池保護(hù)電路5 系統(tǒng)管理軟件系統(tǒng)管理軟件有號(hào)碼管理、實(shí)時(shí)性通話處理、通話時(shí)間記錄、通話強(qiáng)行拆除、監(jiān)聽、錄音等功能。整套軟件采用 J2EE(JDK5.0)開發(fā)平臺(tái).以Java為主， 實(shí)現(xiàn)SIP協(xié)議， 低層語(yǔ)音傳輸利用UDP使用到的協(xié)議還R11P,RTCPTCfyIP等。數(shù)據(jù)庫(kù)采用 SQL50,服務(wù)器操作系統(tǒng) wINDOwS2()00/20()3o 在軟件開發(fā)中采用多線程并行通訊技術(shù)。異步通訊技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，系統(tǒng)管理軟件主要由服務(wù)管理模塊、號(hào)碼管理模塊、實(shí)時(shí)通話模塊、通話管理模塊、通話日志模塊、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊、系統(tǒng)安全管理模塊等組成。這些模塊又可劃分為更細(xì)的模塊組。6 系統(tǒng)功能特點(diǎn)(1)

11、系統(tǒng)可與其它設(shè)備利用井下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的信息傳輸平臺(tái)，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性好，無(wú)須鋪設(shè)獨(dú)立的通訊線路。(2)將寬帶無(wú)線通訊技術(shù)引入井下，實(shí)現(xiàn)了礦井寬帶無(wú)線數(shù)據(jù)通汛，通訊帶寬可達(dá)到 54Mo(3)系統(tǒng)通訊設(shè)備采用了標(biāo)準(zhǔn) TCP/IP 協(xié)議，具有很強(qiáng)的網(wǎng)管能力。(4)通過開放的 WiFi 協(xié)議，可方便接人任何符合 WiFi 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)全礦井安全生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。(5)系統(tǒng)憑借寬帶的優(yōu)勢(shì)突破了傳統(tǒng)無(wú)線通訊類設(shè)備頻帶和信令數(shù)量的限制，可同時(shí)容納大量用戶在線通訊。(6)系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程本質(zhì)安全供電和通訊設(shè)備本質(zhì)安全的方式，方便使無(wú)線通訊的覆蓋范圍延伸進(jìn)回風(fēng)區(qū)域和工作面。(7)系統(tǒng)通訊線路采用靈活

12、方便的星型結(jié)合樹型的混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。(8)系統(tǒng)可通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備與調(diào)度系統(tǒng)無(wú)縫連接。(9)系統(tǒng)開關(guān)控制功能：系統(tǒng)管理員可以通過系統(tǒng)開關(guān)控制功能啟動(dòng)和關(guān)閉管理系統(tǒng)。(10)系統(tǒng)狀態(tài)顯示功能：系統(tǒng)能顯示管理主機(jī)的配置和狀態(tài)。(11)號(hào)碼注冊(cè)管理功能：注冊(cè)管理功能能顯示管理主機(jī)的注冊(cè)用戶信息，當(dāng)管理系統(tǒng)收到注冊(cè)請(qǐng)求，管理主機(jī)能同步更新數(shù)據(jù)庫(kù)，管理員能手動(dòng)刪除或添加注冊(cè)信息。(12)通話狀態(tài)顯示：通話狀態(tài)顯示功能應(yīng)包括：參與通話號(hào)碼、通話發(fā)起者、通話相應(yīng)者、通話開始時(shí)間、目前會(huì)話狀態(tài)。(13)撥號(hào)權(quán)限設(shè)置及監(jiān)聽、強(qiáng)拆、錄音功能：撥號(hào)權(quán)限沒置功能應(yīng)能沒置手持機(jī)撥號(hào)通話優(yōu)先級(jí)、 呼叫限制和呼叫權(quán)限等.監(jiān)聽、 強(qiáng)

13、拆、 錄音功能可通過系統(tǒng)軟件設(shè)置，對(duì)特定號(hào)碼進(jìn)行監(jiān)聽、強(qiáng)拆和錄音。(14)通話 13 志功能：通話 13 志功能應(yīng)能記錄一定期限的通話歷史記錄.含通話號(hào)碼、通話時(shí)間和通話時(shí)長(zhǎng)等。(15)參數(shù)沒置功能：參數(shù)設(shè)置功能包括：系統(tǒng)基本參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)配置設(shè)置，管理員登錄權(quán)限修改、密碼修改等。結(jié)束語(yǔ)：由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的方便與高效等顯著的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，近年來，無(wú)線APP的應(yīng)用迅猛的增長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開始著手以無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)來建設(shè)城域網(wǎng)，考慮到其各種優(yōu)勢(shì)。WIFI的無(wú)線地位將會(huì)日益牢固。WIFI技術(shù)具有為可移動(dòng)性、價(jià)格低廉等眾多優(yōu)點(diǎn)，理所當(dāng)然的成為高速有線接入技術(shù)的有效補(bǔ)充，且已經(jīng)廣泛應(yīng)用于有線接入需無(wú)線延伸的領(lǐng)域。由于數(shù)據(jù)速率、覆蓋范圍和可靠性的差異，WIFI技術(shù)在寬帶應(yīng)用上作為高速有線接入技術(shù)的補(bǔ)充。 雖然與蜂窩移動(dòng)通信也存在少量競(jìng)爭(zhēng)，但WIFI也會(huì)成為蜂窩移動(dòng)通信的補(bǔ)充。3G技術(shù)雖是一個(gè)比較完美的系統(tǒng)但不能保證有效的區(qū)域和范圍，