基于WiFi的煤礦井下應急救援無線通信系統的研究

齊維龍

（重慶梅安森科技股份有限公司 重慶九龍坡區 400000）

基于WiFi的煤礦井下應急救援無線通信系統的研究

齊維龍

（重慶梅安森科技股份有限公司 重慶九龍坡區 400000）

在煤炭礦井的開采與安全生產過程中，基于WiFi無線網絡通信技術建立的無線通信系統，為煤礦應急救援工作提供了重要的技術支持，非常有利于災后開展緊急救援，以盡量減少傷亡人員。本文探討了基于WiFi技術建立的煤礦井下應急救援無線通信系統，以供參考。

WiFi技術；煤礦；應急救援；無線通信系統

1 引言

井下通信系統是煤礦安全防護及生產調度的關鍵設施，我國當前主要采用的井下通信仍然是有線方式，如：頻率信號通信、RS485等。由于井下環境本身有一定的局限性，巷道分布較多，存在很多干擾信號源，因而會阻礙井下的無線通信，而基于WiFi技術建立的無線通信系統則有效改善了此類問題，開始被大規模應用于井下工程的通信中。

2 WiFi技術概述

2.1 WiFi技術

802.11 協議簇是國際電工電子工程學會（IEEE）為無線局域網絡制定的標準。雖然WI-FI使用了802.11的媒體訪問控制層（MAC）和物理層（PHY），但是兩者并不完全一致。在以下標準中，使用最多的應該是802.11n標準，工作在2.4GHz頻段，可達600Mbps。

WiFi具有速率高、傳輸距離長、與已有的各種802.11DSSS設備兼容等特點。IEEE802.11b標準最高帶寬為11Mbps，有干擾或信號較弱時，帶寬可調整為1Mbps，2Mbps，5.5Mbps，很好地保障了網絡的可靠性和穩定性。其主要優點：速率高，可靠性好，開放環境下的，傳輸的距離通常可達到305m，處于封閉環境則傳輸距離為76～22m，其組網成本更低。

WiFi技術相較于其他的無線寬帶技術更為成熟可靠，已經廣泛應用于地面上的短距離無線通信。因為WiFi協議限制了設備功率，使設計的本質安全型設備得以滿足煤礦的安全要求，從而擴展了井下使用范圍，改善了井下無線通信長久以來使用窄頻范圍的現狀，得以運用更多的無線通信方式。

2.2 WiFi網絡基本工作原理

WiFi的典型配置一般包括一個或多個接入點Access Poin（tAP）及一個或多個客戶端。每個接入點（AP）每隔一定時間：尋服務單元標識（SSID Service SetIdentifier）經由beacons（信號臺）封包廣播一次?；谌鏢SID這樣的設置，客戶端可以決定是否聯結到某個接入點（AP）。若同一個SSID的兩個接入點（AP）都在客戶端的接收范圍內，客戶端可以更具信號的強度選擇與那個接入點的SSID聯結。

3 基于WiFi技術的煤礦井下應急救援系統

3.1 系統構成與原理

在煤礦發生井下事故時，井下的電力供應會被完全切斷，在極為復雜的現場情況下，應急救援通信系統必須發揮作用。就從結構而言，通常包括3個部分：地面指揮調度中心、井下無線鏈路以及災變現場救護隊。通信技術應該包含有線通信技術、無線通信技術相結合的救援通信系統，整個系統框圖如圖1所示。

圖1 井下應急救援無線通信

①由地面救援指揮調度中心結合實際情況與救援經驗，及時制定救援方案；②由救護隊員攜帶有線設備、電纜等，到達井下受災情況相對明確的位置，迅速鋪設有線電纜，并架設相關設備，搭建井下救援基地平臺，同時建立井下救援基地和地面救援指揮調度中心之間的通信；③由于臨近災變現場區域可能出現二次災難，因此可采用WiFi無線技術，以無線接力的方式實現自動布放裝置，快速建立無線通信信道，可直達救援災變現場；④救援隊員在向相對安全的區域推進時，可以依靠已經搭建完成的WiFi網絡，配備隨身攜帶的數據設備，以完成救援人員之間，或者與井下救援基地、地面指揮調度中心之間的語音聯系、人員定位等功能；⑤井下傳來的各種災后數據信息，可通過井下救援基地傳輸至地面救援指揮調度中心，從而為救援工作的開展提供參考，及時做出科學決策。

3.2 煤礦應急救援通信系統需求分析

煤礦應急救援通信系統是應急救援指揮中心給救援人員下達命令和部署任務的平臺，是地下煤礦救援人員與地上指揮人員交換信息的橋梁，不僅可以大大提升救援的工作效率，而且能夠有效地保障救援人員的生命安全。具體來說，應當滿足的要求如下：

3.2.1 應當靈活便捷

在發生嚴重煤礦事故之后，礦井中很多原有通信設施可能遭到損壞，所以，應急救援通信系統的建設與部署，應當以可靠、靈活為基礎，才能夠適應不同的礦井通道結構。若是有線形式的救援通信系統，則需要面臨復雜的布線等工作，而運用無線通信系統則簡便易行，是井下災害應急通信系統的最佳選擇。

3.2.2 實時傳輸語音、環境監測與視頻數據

在發生礦難時，事故現場的情況非常危險，可能會因為輕微的疏忽而導致二次災害。所以，應急救援通信系統的建立，必須具備集成語音通信、環境監測方面的功能，不僅能夠與地面指揮員保持密切的通信聯絡，同時還可以從事故現場及時獲取相關數據，極大提高救援工作效率與安全性。

3.2.3 網絡和電源冗余

礦井中災害的發生，非常容易給通信系統的線纜、通信基站等造成損毀問題，因此，應急通信網絡需要具備多路由的網絡冗余功能，才能夠確保網絡中的單點線纜、設備損毀等，不會影響整個系統的運行。同樣，如果發生的是火災或瓦斯災害，應當依據煤礦的安全操作規程，采取相應的供電閉鎖，直至井下整體停電，應急救援通信系統則必須具備電源冗余功能。

3.2.4 具有高可靠性和可擴展性

在事故發生之后，由于形勢的急迫，往往無暇精心規劃網絡的設置，導致節點的部署不盡合理，甚至在救援過程中發生缺電、地面隆起等問題。為保證通信系統的可靠性與救援安全，無線網絡即可有效保證自身的可靠性。另外，礦井往往大小不一，其救援范圍通常難以準確預知，為確保有效的覆蓋，應急救援通信系統要求可按需擴展，這樣才具有廣泛的適用性。

4 WiFi技術下的煤礦井下應急救援無線通信系統設計

4.1 井下個人終端設計

處于煤礦井下時，個人終端的硬件主要包括以下模塊：語音模塊、環境參數采集模塊、圖像采集模塊、液晶顯示模塊、WiFi模塊、鍵盤輸入模塊、MCU處理模塊以及無線功放模塊等。在國際國內的市場中，圖像采集模塊、語音模塊、液晶顯示模塊和鍵盤輸入模塊等，其部件等相關技術均較為成熟，無需獨立性研究開發；在設計過程中，也不需要對MCU進行單獨的設計。

WiFi模塊通常是以SPI的方式，讀取煤礦井下的環境參數信息的，采用G-SPI，即SPI方式實現與圖像采集、語音模塊之間的數據傳輸采用GPIO總線擴展器IO接口，即可與液晶顯示模塊、鍵盤輸入模塊連接起來；而采用RX，TX管腳則能夠與無線功放模塊連接。

4.2 建立無線通信信道

在整個應急救援無線通信系統的建立過程中，無線通信信道的建立至關重要[1]。救援人員需要將控制命令，通過連接于計算機上的WiFi AP中繼，發送到小車上的采集終端，實現通信傳輸。由于WiFi技術具有自組網功能，如果2個節點之間的通信距離超過了通信范圍，則新投放的節點將會自動加入WiFi網絡，從而成為中間路由節點，使通信鏈路能夠繼續延伸，以確保通信正常進行，然后再依次投放其余的節點。在鏈路建立完成之后，采集終端即可傳送來自救援前端的各種環境相關參數，由救援人員、救援指揮調度中心對這些參數進行分析處理，進而下達救援命令，作出救援安排。

4.3 地面與井下指揮中心

當井下發生事故時．具體救援系統結構見圖l，個人終端、井下指揮中心與中繼臺共同組成井下無線救援通信系統。因為井下有著非常特殊的巷道結構．在具有局限性空間中進行無線信號的傳輸。所傳輸的距離接近地面。

4.3.1 地面應急救援指揮中心設計

地面應急救援指揮中心軟件是煤礦生產管理信息系統的一個子系統，可以方便地和主系統集成在一起，與其他信息系統一起實現實時的可視化管理功能，并與其他系統實現數據共享和互操作。地面應急救援指揮中心軟件要完成三大功能：①對串口接收到的數據進行解析和分析處理，并對數據庫進行管理；②對串口前端WiFi設備發送控制命令，控制其工作方式；③鏈路質量報警、環境參數報警和定位等。

4.3.2 井下應急通信系統架構設計

本系統使用分級無線網絡的架構，系統由便攜式無線WiFi通信設備終端組成。當礦難發生時，搜救人員攜帶一定數量的個人終端進入巷道進行搜救工作，根據巷道實際情況部署終端設施，注意保持彼此之間的互相連接，從而形成無線骨干網絡。而救援人員隨身攜帶的個人終端，則只需要能夠和其中任意一個實現通信，即可與地面進行通信。而終端設備之間的通信可以通過WiFi無線實現傳輸與轉發，這樣，一套完整的井下應急通信系統就建立起來了。

4.4 中繼臺設計

救援系統的井下部分中，由于通訊距離問題一般都需要設計中繼臺．中繼臺主要起到構建井下指揮中心與個人終端之間中繼通道的作用，從而增大無線信號的覆蓋范圍，延長整個救援系統的通信距離。

構建于井下指揮中心與個人終端之間的中繼通道，旨在延長實際的通信距離，該中繼臺能夠通過雙WiFi芯片，落實定向天線與雙向功放方案，以保證個人終端與指揮中心的雙向通訊穩定清晰，從而通過定向天線延長通信距離，中繼臺的具體設計如圖2所示。

圖2 中繼臺設計圖

4.5 移動數字視頻設計

目前大多數煤礦井下的監控，都是在特定位置安裝攝像儀來實現的，若采用WiFi方式，則可以切實提高監控的有效性。其中，WiFi寬帶最高能夠達到300Mbit/s，其在高碼流、高寬帶以及高畫質的音視頻中非常適用，同時還具有超強的抗干擾和抗衰落能力，如果能夠應用于礦井應急救援中，即可實現災害前的監控預防，救援過程中對于井下實際情況的掌控，滿足井下救援的可視要求。

5 結語

WiFi在煤礦災害事故應急救援中的應用，取得了良好的實際效果。如果能夠充分運用WiFi技術，建立礦井的應急救援通道，實現即時迅速的信息傳輸與應急救援方案，即可在最大限度上減少煤礦災害造成的損失，從而減少礦井事故，為礦產的開采安全做出重大貢獻。

[1]李培煊，強蕊.基于WiFi的煤礦井下應急救援無線通信系統的研究[J].中國安全生產科學技術，2011，07（04）：139～143.

[2]郝傳波，劉振文.煤礦事故應急救援預案評價研究[J].價值工程，2014（3）：13～14.

[3]張朋.煤礦應急救援無線傳感器節點關鍵技術研究[D].中國礦業大學，2015：45～46.

[4]張立亞，孟慶勇，溫良.煤礦應急救援中無線Mesh網絡多信道分配算法[J].工礦自動化，2015，41（6）：83～86.

TN925

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1004-7344（2016）24-0184-02

2016-8-12

齊維龍（1984-），男，助理工程師，碩士。