試論WiFi技術(shù)在煤礦井下通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的有效運(yùn)用

黃璐

（百色百礦集團(tuán)有限公司 廣西百色 533000）

試論WiFi技術(shù)在煤礦井下通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的有效運(yùn)用

黃璐

（百色百礦集團(tuán)有限公司 廣西百色 533000）

眾所周知，煤礦礦井作業(yè)具有很大的危險(xiǎn)性，因此為了滿足我國(guó)煤礦生產(chǎn)開采的技術(shù)安全性要求，在煤礦礦井之下進(jìn)行工作，需要具有良好的通信設(shè)備。由于礦井下作業(yè)通訊環(huán)境條件差，因此基于WiFi技術(shù)進(jìn)行煤礦井下通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)成為很多礦井工作管理人員安全管理的重要內(nèi)容。本文正是在此背景下，重點(diǎn)針對(duì)現(xiàn)階段我國(guó)煤礦礦井安全生產(chǎn)的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一種基于WiFi技術(shù)下的煤礦井下無線通訊系統(tǒng)。

WiFi技術(shù)；煤礦井下通訊；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；應(yīng)用

前言

當(dāng)前隨著信息技術(shù)的不斷應(yīng)用與通信技術(shù)的日益成熟，光纖環(huán)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我國(guó)的煤礦井下作業(yè)過程中。由于煤礦井下作業(yè)具有一定的復(fù)雜性和開采深度會(huì)不斷發(fā)生變化。因此，在礦井下個(gè)別區(qū)域進(jìn)行布線十分困難。對(duì)此，可在煤礦礦井相關(guān)區(qū)域內(nèi)設(shè)置無線WiFi通訊AP（Access Point），利用Access Point進(jìn)行無線終端數(shù)據(jù)采集，然后再將數(shù)據(jù)通信通過光環(huán)網(wǎng)傳輸至地面中心站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以及存儲(chǔ)、處理分析，這樣就可有效避免有線傳輸在礦井采掘段受到電磁干擾的影響，同時(shí)也可防止光纖在掘進(jìn)頭及采煤工作面熱熔爐中引發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 煤礦井下通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中WiFi技術(shù)的應(yīng)用思路

該系統(tǒng)井下作業(yè)部分主要包括無線通信及人員定位追蹤、視頻采集和語音通話管理、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)、分站設(shè)備管理等。在地面部分，主要包括主機(jī)以及交換機(jī)和服務(wù)器、用于數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)關(guān)等。從而使其在數(shù)據(jù)傳輸通信過程中以WiFi通訊AP為節(jié)點(diǎn)，從而科學(xué)實(shí)現(xiàn)礦井下定位及無線數(shù)字視頻呈現(xiàn)、傳感器監(jiān)測(cè)及VOIP語音傳輸?shù)取＿\(yùn)行實(shí)踐結(jié)果表明，基于WiFi技術(shù)的煤礦井下通訊系統(tǒng)不僅運(yùn)行結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，而且系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的抗干擾能力較強(qiáng)，大大提升了煤礦礦井下作業(yè)人員的安全性。

目前，我國(guó)WiFi技術(shù)采用的通信協(xié)議技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是基于IEEE802．11n的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，頻段為5.8GHz，數(shù)據(jù)通信時(shí)的最高傳輸速率可達(dá)300Mbit/s，而且數(shù)據(jù)發(fā)射時(shí)的設(shè)備運(yùn)行功率在6W以下。正是以上這些數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)勢(shì)，使WiFi技術(shù)充分適應(yīng)了我國(guó)現(xiàn)階段煤礦礦井安全生產(chǎn)通訊的技術(shù)要求。因此，基于WiFi技術(shù)的巨大功能作用，本文接下來將重點(diǎn)針對(duì)煤礦井下通訊系統(tǒng)進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 基于WiFi技術(shù)下的煤礦井下通訊系統(tǒng)總體架構(gòu)與運(yùn)行功能

該通信技術(shù)系統(tǒng)主要由地面與井下兩大主要部分組成。具體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，不同的設(shè)備單元具有各自的使用功能。

（1）救生引導(dǎo)以及緊急廣播可指導(dǎo)煤礦礦井的緊急事故處理。當(dāng)煤礦采礦作業(yè)出現(xiàn)嚴(yán)重的突發(fā)事故時(shí)，此時(shí)就可通過廣播直接播放系統(tǒng)中預(yù)設(shè)的系統(tǒng)語音文件，從而快速有效引導(dǎo)相關(guān)人員對(duì)煤礦中的突發(fā)事件進(jìn)行科學(xué)處理。在此過程中，可與報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，從而充分發(fā)揮系統(tǒng)的報(bào)警聯(lián)動(dòng)廣播功能。

（2）是視頻+語音的多媒體通信單元。在此單元模塊中，系統(tǒng)可科學(xué)實(shí)現(xiàn)語音以及視頻圖像的調(diào)度管理。在設(shè)備顯示界面中有多種不同的監(jiān)測(cè)運(yùn)行模式可供選擇，而且礦井現(xiàn)場(chǎng)中的監(jiān)控畫面可以進(jìn)行隨意選擇、切換，并對(duì)不同礦井中的相關(guān)作業(yè)生產(chǎn)情況進(jìn)行遠(yuǎn)程智能化管理監(jiān)控。在此設(shè)備中，由于安裝了現(xiàn)場(chǎng)云臺(tái)和攝像頭，因此系統(tǒng)可支持現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)以及事故預(yù)警[1]。

（3）是系統(tǒng)中的井下定位單元模塊。在此系統(tǒng)中，通過礦井下的WiFi移動(dòng)基站及WiFi終端和礦井上部中心定位管理平臺(tái)系統(tǒng)，可構(gòu)成一套完整的井下作業(yè)定位系統(tǒng)，從而對(duì)下井作業(yè)人員的考勤及安全定位和緊急通訊等進(jìn)行管理。與此同時(shí)，在此設(shè)備中還有通話錄音功能以及雙機(jī)設(shè)備和應(yīng)急通信會(huì)議功能、緊急呼叫等重要通訊功能。通過這些功能，礦井管理人員可對(duì)作業(yè)過程中的相關(guān)情況進(jìn)行分析，通過語音傳輸，可將信息在不同人員之間進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)緊急事故下的人員安全疏散。

在安全管理過程中，系統(tǒng)設(shè)備調(diào)度人員可通過撥叫觸發(fā)號(hào)碼快速發(fā)起語音通信會(huì)議，從而遠(yuǎn)程指揮礦井現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員及時(shí)展開應(yīng)急處置。在這一通信模塊中，現(xiàn)場(chǎng)指揮人員可通過緊急呼叫在現(xiàn)場(chǎng)作出管理決策，而且固話以及手機(jī)都可作為會(huì)議信息傳輸?shù)慕K端，大大提升了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與兼容性。

圖1 煤礦井下WiFi通訊系統(tǒng)總體框架圖

3 WiFi技術(shù)在煤礦井下人員定位與語音通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

在常見的人員定位與語音通信系統(tǒng)中，一般都會(huì)利用頻率為2.4GHz的無線RF芯片進(jìn)行語音通信與礦井人員定位。由于這一類型的芯片在數(shù)據(jù)傳輸過程中傳輸頻帶很小，因此本文在研究實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)，基于WiFi技術(shù)的上述優(yōu)點(diǎn)，可構(gòu)建一個(gè)自帶語音功能的WiFi收發(fā)信息框圖，從而支持礦井中的語音通信以及人員定位，如圖2所示[2]。

圖2 礦井語音通信示意圖

因此，結(jié)合上述框圖運(yùn)行流程，再根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)度和信息傳輸距離之間的計(jì)算公式，可在具體的人員定位過程中，采用接收信號(hào)強(qiáng)度原理實(shí)現(xiàn)人員定位。在實(shí)際分析計(jì)算過程中，一般可采用公式模型Pr（d）=K－10εlg（d）分析計(jì)算信號(hào)傳輸強(qiáng)度與信息傳輸距離之間的相對(duì)關(guān)系。在定位過程中，可通過系統(tǒng)標(biāo)識(shí)卡中的相關(guān)通信信息，采用多個(gè)AP接收系統(tǒng)標(biāo)識(shí)卡中發(fā)出的具體信號(hào)。對(duì)于系統(tǒng)信息接收端，系統(tǒng)硬件會(huì)自動(dòng)計(jì)算分析標(biāo)識(shí)卡中的接收信號(hào)強(qiáng)度值。

為了確保信號(hào)傳輸穩(wěn)定和提高語音通話質(zhì)量，可對(duì)系統(tǒng)中接收到的語音數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣分析和編碼及解碼等。其中，使用最多的一項(xiàng)技術(shù)是壓縮編碼算法，這種技術(shù)是基于MBE技術(shù)的高質(zhì)量、低比特率的一種壓縮算法。因此，語音通話數(shù)據(jù)傳輸過程中的誤碼率低、語音音質(zhì)好。由于在系統(tǒng)語音通話單元模塊設(shè)計(jì)時(shí)，在系統(tǒng)芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有相互獨(dú)立的解碼單元和語音編碼單元，因此在煤礦礦井通訊過程中，系統(tǒng)可自動(dòng)完成解碼任務(wù)及編碼任務(wù)，且全部解碼任務(wù)和編碼任務(wù)均在系統(tǒng)芯片內(nèi)部完成，因此不需要額外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。當(dāng)系統(tǒng)中的AMBE-1000在2400bit/s的數(shù)據(jù)采樣速率下進(jìn)行語音數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，無線發(fā)送寬帶只需保持在15kbit/s以上的采樣速率條件下，就可確保該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全雙工語音數(shù)據(jù)傳輸通信，因此語音傳輸?shù)氖д媛瘦^低。

4 WiFi技術(shù)在煤礦井下通訊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

當(dāng)前我國(guó)大多數(shù)煤礦井下的O2、CH4以及CO等都通過頻率信號(hào)進(jìn)行輸出。通常情況下，系統(tǒng)輸出頻率在200～1000Hz之間，因大部分系統(tǒng)在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中只是在監(jiān)控分站中接入各種不同的傳感裝置，然后再通過監(jiān)控分站將監(jiān)測(cè)到的相關(guān)信息傳輸至地面中心站。顯然這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式大大增加了設(shè)備的運(yùn)行成本，而且會(huì)導(dǎo)致設(shè)備在信息傳輸過程中產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾現(xiàn)象，從而為井下通訊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了諸多不便。基于上述情況，本文在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，通過將WiFi模塊增設(shè)到數(shù)據(jù)傳感器中，因此確保數(shù)據(jù)傳感裝置中的相關(guān)數(shù)據(jù)能夠以WiFi形式發(fā)送至礦井附近的AP熱點(diǎn)，再通過光纖環(huán)網(wǎng)將其發(fā)送至信息監(jiān)控中心。

5 結(jié)束語

綜上所述，WiFi技術(shù)是一種非常實(shí)用的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，其可應(yīng)用于不同的場(chǎng)合，特別是在我國(guó)當(dāng)前的煤礦井下通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，WiFi無線寬帶通信平臺(tái)能夠集信息數(shù)據(jù)傳輸及語音通話和人員安全定位、礦井下作業(yè)自動(dòng)化數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、預(yù)警等多種不同技術(shù)功能為一體。本文正是在此背景下，重點(diǎn)針對(duì)我國(guó)礦井作業(yè)實(shí)際情況，以WiFi技術(shù)核心，集成了當(dāng)前井下主流的無線通信技術(shù)設(shè)備，進(jìn)行總體通信結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。從應(yīng)用實(shí)踐情況來看，大大提升了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，而且減少了傳統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中的布線成本，從而為我國(guó)大型礦井井下作業(yè)生產(chǎn)提供了安全技術(shù)保障。

[1]姜文峰.WIFI技術(shù)下的煤礦井下應(yīng)急救援無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析[J].電子世界，2014，08：145～146.

[2]吳青萍，傅郁松.基于WiFi無線接入技術(shù)的煤礦通訊系統(tǒng)[J].常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，06：21～23.

TD65

A

1004-7344（2016）25-0278-02

2016-8-23

黃璐（1984-），男，助理工程師，本科，主要從事煤礦信息技術(shù)員工作。