新型井下應(yīng)急無(wú)線通信系統(tǒng)

涂 科 馬大瑋 張 兵

【摘要】文章提出了一種基于Wi-Fi的礦井應(yīng)急救援無(wú)線通信系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了其原理、硬件組成和軟件實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)井下目標(biāo)位置環(huán)境等參數(shù)的遠(yuǎn)程采集，為救援決策提供科學(xué)依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】Wi-Fi井下應(yīng)急通信背負(fù)式救援通信站GS1010u C／OS-II

隨著社會(huì)對(duì)煤炭需求量的增大。煤礦產(chǎn)能不斷提高，近年我國(guó)煤礦事故又有攀升趨勢(shì)，煤礦安全狀況令人擔(dān)憂。煤礦事故發(fā)生后，為了保證安全、不發(fā)生二次事故，煤礦井下電力供應(yīng)完全切斷。已有的各種通訊系統(tǒng)無(wú)法開(kāi)啟。為了能夠及時(shí)對(duì)井下人員進(jìn)行援救，需要快速建立一條應(yīng)急通信鏈路來(lái)實(shí)現(xiàn)井下目標(biāo)位置環(huán)境參數(shù)和實(shí)時(shí)影像遠(yuǎn)程采集，為救援決策提供科學(xué)參考。

近年來(lái)由于無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展和煤礦信息化的需求。地面無(wú)線通信技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于井下應(yīng)急通信，其中便有以Zigbee為代表的SDR(Short Distance Radio，短距離無(wú)線通信)技術(shù)。但zigbee技術(shù)有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，即隨著傳輸距離的增加其衰減加大，導(dǎo)致其單個(gè)節(jié)點(diǎn)只能在幾十米的范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。從而使得在整個(gè)救援過(guò)程中需要相當(dāng)多的節(jié)點(diǎn)來(lái)保證通信鏈路的建立，為救援人員帶來(lái)了很大的不便。

本文所述系統(tǒng)依托IEEE802 11big技術(shù)，基于GSl010芯片和u C／OS-Il軟件平臺(tái)，通過(guò)搭載環(huán)境參數(shù)傳感器和紅外攝像頭等Wi-Fi前端實(shí)現(xiàn)對(duì)井下目標(biāo)位置環(huán)境參數(shù)和視頻圖像的采集。其不僅具備通話、視頻傳輸、環(huán)境參數(shù)傳輸、發(fā)射功率低、低功耗、續(xù)航能力強(qiáng)、易實(shí)現(xiàn)煤礦本質(zhì)安全電路設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，還能夠保證500米以上的通信距離和6M的傳輸帶寬。從而改善井下應(yīng)急無(wú)線通信中通信距離短、節(jié)點(diǎn)過(guò)多的現(xiàn)狀。

1總體技術(shù)方案

該系統(tǒng)搭載在Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行無(wú)線傳輸，由地面救援指揮車(PC機(jī)、救援指揮系統(tǒng)、指揮電話、無(wú)線寬帶通信-設(shè)備、應(yīng)急電源)、固定救援通信站(Wi－Fi無(wú)線接入器、紅外線防爆攝像機(jī)、云臺(tái)、環(huán)境探測(cè)傳感器、電源)、背負(fù)式救援通信站(Wi-Fi無(wú)線接入器、環(huán)境探測(cè)傳感器、電源)、救援通信終端等部分組成，形成一套以wi Fi網(wǎng)絡(luò)為傳輸主干。利用高速無(wú)線信號(hào)進(jìn)行快速空間覆蓋的寬帶礦井應(yīng)急無(wú)線通訊系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、視頻傳輸，實(shí)時(shí)讀取監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用信號(hào)設(shè)備本安和本安供電的方式，使設(shè)備滿足在回風(fēng)巷道和工作面全天候工作的安全等級(jí)和技術(shù)要求。其組成如圖1所示：

2快速組網(wǎng)策略

當(dāng)?shù)V難發(fā)生時(shí)。地面救援指揮車迅速開(kāi)赴救援現(xiàn)場(chǎng)。救援人員打開(kāi)背負(fù)式救援通信站電源。當(dāng)背負(fù)站上電后，自動(dòng)與地面救援指揮車建立鏈路，指揮車的控制臺(tái)向背負(fù)站發(fā)出網(wǎng)絡(luò)連接自檢信號(hào)，背負(fù)站接收到連接信號(hào)后，返回應(yīng)信；否則，報(bào)告通信失敗，請(qǐng)求重新建立通信。當(dāng)通信鏈路建立后，開(kāi)啟云臺(tái)紅外攝像頭自動(dòng)捕捉現(xiàn)場(chǎng)圖像，并將捕獲的視頻信號(hào)送入感知模塊。感知模塊首先將模擬的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后輸出至Wi—Fi線路接入器，之后以IP包的形式傳送給地面救援指揮車。

地面救援指揮中心根據(jù)實(shí)時(shí)的視頻信息，通過(guò)救援通信站向救援人員發(fā)出相應(yīng)的控制命令。當(dāng)救援人員與指揮車的距離大于背負(fù)站可通距離時(shí)，背負(fù)站自動(dòng)報(bào)警以提醒救援人員安裝固定通信站實(shí)現(xiàn)信號(hào)中繼，固定站除可實(shí)現(xiàn)中繼外還能實(shí)現(xiàn)云臺(tái)攝像頭控制、全程環(huán)境參數(shù)(瓦斯?jié)舛取囟?的采集和人員定位功能；當(dāng)救援人員與固定站的距離大于背負(fù)站可通距離時(shí)，背負(fù)站自動(dòng)報(bào)警以提醒救援人員安裝固定站實(shí)現(xiàn)信號(hào)中繼，通過(guò)多個(gè)固定站的安裝形成無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，救援人員通過(guò)救援通信終端將實(shí)時(shí)的救援情況通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸回地面救援指揮車。這樣，地面救援指揮車就能通過(guò)井下的救援通信站采集和傳輸目標(biāo)區(qū)域的語(yǔ)音、視頻及圖像信息，及時(shí)了解巷道內(nèi)的災(zāi)害信息。

3硬件設(shè)計(jì)

3.1救援通信站

救援通信站分為固定通信站和背負(fù)式救援通信站，都是由Wi-Fi無(wú)線接入模塊、感知模塊、圖像處理模塊和電源組成，固定通信站增加了云臺(tái)和視頻采集模塊。其組成框圖如圖2所示：

(1)Wi-Fi通信模塊

wi—Fi通信模塊在GS1010芯片平臺(tái)上，采用IEEE802.11b／g技術(shù)，提供至少2Mb／s的通信帶寬，在滿足語(yǔ)音通話的同時(shí)，也能夠滿足視頻的傳輸要求。它能夠提供4路圖像和8路語(yǔ)音傳輸，每個(gè)無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)的傳輸距離可以做到不小于500米。通過(guò)RSSI技術(shù)，它能夠?qū)崿F(xiàn)人員定位功能，其準(zhǔn)確度可以達(dá)到10m以內(nèi)。

Wi-Fi芯片GSl010是以兩個(gè)經(jīng)典ARM7微控制器為內(nèi)核的32位“ARM射頻SoC(ARM無(wú)線片上系統(tǒng))”。將兩個(gè)ARM7 32位微處理器、384k閃存、224k SRAM多種外圍電路、A／D、RTC和802.11無(wú)線芯片等集成到一只非常小的QFN封裝微型單芯片中，實(shí)現(xiàn)Wi-Fi系統(tǒng)的單片機(jī)化、無(wú)線化、微型化。該芯片功耗非常低。GS1010能夠確保在一節(jié)AA電池供電下有長(zhǎng)達(dá)5～10年的使用時(shí)間。GS1010芯片內(nèi)部框圖如圖3所示：

(2)視頻采集模塊

視頻采集模塊采用紅外線防爆攝像機(jī)，其采用Sony機(jī)芯，水平清晰度為420電視線，紅外照射距離為25m，最低照度為0，能夠提供彩色圖片，同時(shí)增加機(jī)殼、鏡頭防護(hù)和本安電路。

(3)感知模塊

感知模塊主要由瓦斯、濕度、溫度等環(huán)境傳感器和基于達(dá)芬奇技術(shù)的新型數(shù)字媒體處理器組成。環(huán)境傳感器是在常規(guī)傳感器的基礎(chǔ)上增加一個(gè)基于IEEE802.15.4(Zigbee)技術(shù)的無(wú)線適配器。新型數(shù)字媒體處理器能夠?qū)φZ(yǔ)音和圖像進(jìn)行處理，對(duì)于語(yǔ)音主要采取將模擬話轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字話的形式，通過(guò)IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行語(yǔ)音傳輸；對(duì)于圖像主要采取將模擬圖像快速轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像的形式，并在不影響圖像質(zhì)量的狀況下對(duì)其進(jìn)行至少5：1的壓縮，從而大大提高傳輸效能。

3.2救援通信終端

救援通信終端包括通信模塊、感知模塊、耳麥和紅外防爆攝像頭，耳麥和紅外防爆攝像頭通過(guò)Zigbee技術(shù)進(jìn)行信息傳輸。救援人員將耳麥和紅外防爆攝像頭安裝在安全頭盔上，以便在完成救援工作的同時(shí)，能夠?qū)⒕仍畔鬟f給指揮中心。其組成框圖如圖4所示：

4軟件設(shè)計(jì)

應(yīng)急通信系統(tǒng)的軟件主要包括2部分：救援指揮中心軟件、救援通信站的軟件。

救援指揮中心站可以由一臺(tái)便攜式筆記本電腦擔(dān)當(dāng)，中心站軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)使用Windows下的Visual C++6.0。該軟件包括3大功能：其一，對(duì)從串口接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和處理，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理，還有圖像的顯示；其二，通過(guò)串口給前端Wi-Fi設(shè)備發(fā)送控制命令，控制其工作方式；其三，鏈路信號(hào)質(zhì)量報(bào)警、環(huán)境參數(shù)報(bào)警等。

救援通信站的軟件采用u C／OS-112.76v作為底層平臺(tái)支持應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)。u C／OS-II是源碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)內(nèi)核，專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)，可用于各類8位、16位和32位單片機(jī)或DSP，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到廣泛使用。該軟件包括以下幾個(gè)功能：圖像和各種環(huán)境參數(shù)的采集、數(shù)據(jù)的發(fā)送和命令的接收、信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)、人員定位和節(jié)電。軟件流程如圖5所不。

5結(jié)語(yǔ)

基于Wi-Fi的井下應(yīng)急通信系統(tǒng)采用即鋪即用的無(wú)線措建網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用傳輸網(wǎng)絡(luò)通信站進(jìn)行雙向數(shù)字信號(hào)傳輸，提供了一種可實(shí)時(shí)監(jiān)視和直接聯(lián)絡(luò)事故現(xiàn)場(chǎng)的先進(jìn)技術(shù)手段。該系統(tǒng)能夠?yàn)槭鹿示仍峁└呖尚诺摹⒅匾臄?shù)據(jù)資料，減少事故發(fā)生的可能性，降低人員的傷亡，將更有利于救援工作的實(shí)施。