基于Wi-Fi技術的礦井無線通信系統設計與實現

張舜標

(廣東農工商職業技術學院,廣東廣州 510507)

煤礦生產中礦井無線通信技術是保障安全生產必不可少的實施,以往國內的礦井無線通訊主要采用有線通訊,而由于井下環境復雜,干擾通訊信號的因素多,且才采用有線通訊須要大規模布網,成本較高,為提高井下通信質量,實現井上井下的快速實時通信,無線通訊技術被應用于礦井無線通訊中。Wi-Fi技術是一種短程無線傳輸技術,為當前無線通訊技術研究的熱點,將這一技術應用于礦井通信系統中,對促進礦井無線通信的發展有著重大的意義。

1 Wi-Fi技術簡介

Wi-Fi(Wireless Fidelity)即是無線局域網,俗稱為無線寬帶,是IEEE802.11b的別稱,為一種短程無限傳輸技術,可在數百英尺范圍內支持互聯網接入無線電信號,從提出到現在在電信業和IT行業中引起廣泛的關注,目前Wi-Fi技術在全球范圍內有著廣泛的應用,用戶量巨大。

Wi-Fi是由AP(Access Point,網絡橋接器)和無線網卡組成的無線網絡,AP在媒體存取控制層MAC中被當做傳統有線局域網絡與無線局域網絡之間的橋梁,在裝有無線網卡的PC機分享有線局域網或廣域網絡資源時,工作原理相當于一個內置無線發射器的HUB或路由,無線網卡則是Client端設備,主要用于接收AP所發射的無線信號。Wi-Fi具有無線電波覆蓋范圍廣,傳輸速度快的優點,與有線網絡相比,其最顯著的優勢為無需布線,不受布線條件的顯著,成本較低、使用方便,且可以通過連接實現局域網建設,是世界公認的高速無線通信技術。

圖1 基于Wi-Fi技術的礦井無線通信系統

2 Wi-Fi在礦井無線通信中的應用優勢

Wi-Fi技術具有的通訊距離長、覆蓋面廣、通信質量高,可傳輸數據和圖像的優點使得其在礦井無線通信中有著較高的性價比。在礦井通信系統中使用Wi-Fi技術可擴充通信距離(直巷道可覆蓋500m),彌補以往礦井通信系統中使用的各種技術在距離上的不足,且可做成本安型產品,可利用工業以太網搭建平臺,不受信道限制,可支持大量用戶同時使用,Wi-Fi協議的開放性還使得任何符合其標準的終端設備都可方便地接入,在礦井無線通信系統中與其他技術相比有著顯著的優勢。

3 基于Wi-Fi技術的礦井無線通信系統

3.1 系統設計思路及構成

本系統以工業以太網作為運行平臺,利用Wi-Fi技術進行無線覆蓋,以IP方式接入組網,將有線和無線進行結合,實現礦井無線通訊,有線部分采用光纜和百兆網線方式,以保證語音、數據、視頻等多種數據流的實時傳遞,利用網關設備實現與PSTN有線網絡的無縫連接,系統主要由井下交換機、地面交換機、地面基站、無線傳感器、擴展服務器及終端、無線通訊系統服務器、網關設備、PSTN網絡、具備Wi-Fi功能的通訊設備和本安無線基站及其配套設備等組成,系統結構如下圖1所示。

3.2 系統工作原理

在此系統中,地面無線通訊系統服務器、地面基站和具有Wi-Fi功能的手機置于同一個IP網段中,采用IP接入方式。由服務器為進入到無線區域的每一臺手機分配一個IP地址,并將這些信息在管理軟件中進行自動注冊記錄,數據存入數據庫中,完成注冊后的手機可和井下工作人員進行通話。通過網關設備,將無線系統與調度電話交換機進行連接。

在進行呼叫的同時手機發出無線信號,這些無線信號被調制打包后經過通過地面交換機傳輸到地面主機,通過有數據庫的管理軟件分析后,經過地面交換機和工業以太網送到覆蓋被呼叫手機所在區域的基站,被呼叫手機收到信號后,通過振動或鈴聲提醒給持機者,并調制成語音,完成一次通話,被呼叫收集在通話過程中,軟件處理系統對其進行數據處理,將數據存入數據庫。

3.3 系統設備

(1)地面交換機。地面交換機為中心交換機,主要負責連接局域網與井下環網,實現井上與井下的數據交換。在基于Wi-Fi技術的礦井無線通信系統中,地面交換機的選擇十分關鍵,為滿足網關設備與工業以太網的需求,選擇網管型工業以太網交換機,交換機最少應可支持3個千兆以太網端口,以用來組建千兆TurboRing和級聯或RingCoupling,同時還應支持多種智能化網絡管理功能。(2)井下交換機。井下交換機主要負責組建井下光纖環網,由于井下環境較為復雜,井下作業時可刮斷光纖,組間井下局域網時采用具有很強自愈能力的環網方式以保證系統的穩定可靠運行。(3)手機終端。具有Wi-Fi功能的手機中內置無線模塊,可將與AP進行無線數據交換和收發的各種音頻信號形式的信息數據轉換為數字信號,手機功能與普通手機一樣具備來電、信息狀態顯示,來電鈴聲提醒、查看已撥、未撥、已接、未接來電等功能,實現點對點的短信群發、互發、轉發,同時具備計算器、日歷、時間顯示等常用工具功能。手機號碼采用閉鎖編號方式,有密碼保護功能。手機電池由阻容軟件組成,這些阻容軟件分別控制手持機充放電的導通和開關,對手持機的充放電過程進行保護,防止電路出現短路、過流等情況。

3.4 網關設備

網關設備主要用于實現有線與無線的無縫連接,選擇網關時根據用戶有線系統交換機的具體類型選擇模擬語音或數字中繼網關,前者可直接接入PSTN網絡,后則采用E1方式接入。

4 系統功能

礦井無線通信系統的開關控制,由該系統的管理員通過系統開關的啟動和關閉對其進行能力控制,管理系統能力,而且該系統可以顯示主機的配置和運行狀態。

礦井無線通信系統中的注冊功能,在主機上可以顯示注冊的信息,在注冊的同時數據庫會自動的同步信息,將數據庫中的信息進行更新,主機管理員可以進行手動的信息添加和刪除。

手持機通話狀態的顯示能力中包括了通話號碼、通話者、通話時間、通話狀態等,而且手持機具有撥號權限的設置功能,可以設置優先通話、呼叫轉移、呼叫限制等,并且可以對號碼進行監聽和錄音。通話記錄中,記錄著一定時間內的通話記錄,包括了通話時間、日期、號碼、時長等信息。

無線通信系統中參數設置中包含了:該系統的基本參數設置、配置設置,管理員系統登陸權限和密碼的修改等。

5 結語

Wi-Fi比起其他無線通信技術有著顯著的技術優勢,其傳輸的速率更快、構建方法更為簡單,業務更加豐富,是當前及未來很長一段時間內的主流無線接入方式。文中介紹了基于Wi-Fi技術的礦井通信系統的設計與實現方法,在實際工作中,仍應不斷深入研究,不斷地將現代先進技術應用到煤礦通信系統中,從而更好地提高礦井無線通信水平,保障煤礦安全生產,促進煤礦進一步持續良好發展。

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