礦用救援通信系統多終端藍牙同頻干擾方法

孟慶勇

（1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京100013；2.煤礦應急避險技術裝備工程研究中心，北京100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京100013）

煤炭作為國民經濟中極為重要的基礎能源，在工業生產中占有極為重要的地位。隨著煤炭開采規模的擴大和煤礦生產過程的不斷加快，煤礦安全問題逐漸進入人們的視野。由于開采環境、地質條件等方面存在差異，我國煤礦災害事故總數略高于發達國家水平，煤礦安全生產形式依然嚴峻，因此開發高效、實用的煤礦安全應急救援系統對于煤礦安全生產具有重要的意義[1-3]。

當礦井發生事故時，救援一線人員將深入井下，直接面對危險環境，因此可靠的無線救援通信十分重要。目前井下無線通信和數據傳輸主要依賴于Wi-Fi 技術、Mesh 多跳通信技術以及藍牙技術。應急救援指揮系統主要由礦用本安型攝像儀、礦用本安型骨傳導聽說器、礦用體征參數傳感器、礦用數據采集終端、礦用無線基站等組成，救援隊員將攜帶上述設備下井救援，并通過礦用無線基站搭建通信鏈路進行井下救援數據的實時傳輸。救援隊員攜帶的數據采集終端需實時采集搜索范圍內生命體征數據，并通過礦用無線基站將所采數據上傳至救援基地。在這一過程中，控制命令將通過Wi-Fi 鏈路中心節點發送到采集終端RFD[4]。采集終端如果接收到一定信號強度的命令后，將會與系統建立鏈路，實現數據傳輸、指令分配，也可以控制救援設備、運輸小車的前進、后退和停止。當采集終端接收到的信號強度有限，則系統將斷開該鏈路并對鏈路節點重新投放，完成該操作后將重新與采集設備連接，繼續進行救援操作。由此可見，基于Wi-Fi 技術的無線救援系統對于Wi-Fi 模塊的穩定性具有較高的要求，其性能將對救援產生直接影響[5-7]。實時、有效、抗干擾能力強的無線傳輸手段對于救援人員的安全、救援數據的采集和上傳以及救援過程的實時把控都起著至關重要的作用。

煤礦災后的事故現場環境往往十分惡劣，由于巷道會受到不同程度的破壞，使得巷道結構不利于電磁波的傳播，無線信號在多次反射之后強度衰減較為明顯。其次，巷道中懸浮的煤塵和瓦斯容易對信號造成干擾，信噪比無法保證，通話和傳輸質量可能會受到影響。另外，重新建立新鏈路所花費的時間較長，對無線通信的效率產生了限制[8-9]。基于上述問題，研究人員提出了Mesh 多跳通信技術來改進無線應急救援系統。結合礦井特點，Mesh 技術結合使用骨干路由節點和中繼路由節點，并引入多頻率通道提高多跳子系統的容量。地面無線基站和井下中繼基站通過井下以太環網進行有線連接，該部分通過有線網絡完成應急指揮相關工作。井下配置監控主機，通過RJ45 接口接入地面交換機。數據采集終端和體征參數傳感器在救援過程中移動性較大，故采取Mesh 多跳的無線通信方式[10-12]，而體征參數傳感器數據上傳采用藍牙的通信方式，該系統運行較為可靠，但是藍牙和Wi-Fi、Mesh 網絡屬于同頻段的協議，藍牙掉線后重連自動掃描可能會造成同頻段的Wi-Fi 信號質量降低，同頻干擾的問題不可避免。

針對基于藍牙傳輸的礦井應急救援無線通信中出現的同頻干擾問題，介紹當前主流的井下無線傳輸方案的原理，并且分析其在實際應用中的局限性，隨后提出一種解決多終端藍牙同頻干擾的方法，用于消除藍牙傳輸數據的過程中容易產生的干擾行為，通過闡述原理和工作過程，以及對比分析實驗結果，說明該方法的可行性。

1 藍牙技術在礦用無線通信中的應用及問題

1.1 藍牙技術在礦用無線通信中的應用

目前大部分煤礦現有的應急救援指揮系統中用來監測救護人員身體狀態的礦用體征參數傳感器與礦用數據采集終端之間通過藍牙傳輸信息。藍牙技術成本低、功耗小，用于短距離傳輸極為合適[13]，基于Mesh 多跳和FHSS 技術的無線通信系統結構如圖1。但是當某一地點聚集多名救護人員時，不同救護人員攜帶的礦用體征參數傳感器與礦用數據采集終端之間的就會產生傳輸干擾問題，影響身體狀態信息的高效、實時監測。

圖1 基于Mesh 多跳和FHSS 技術的無線通信系統結構Fig.1 Wireless communication system structure based on Mesh multi-hop and FHSS Technology

藍牙技術基于無需授權并全球通用的2.45 GHz 開放頻段。在傳播特性方面，藍牙信號相比于傳統紅外無線傳輸受障礙物阻擋的影響更小，因此在井下較為復雜的環境下具有更大的傳播優勢[14-15]。2.4 GHz 頻段專用工作擴頻電話通信試驗表明，功率100 dBm 的藍牙信號有效傳輸距離為100 m。通過在現場布置若干個藍牙接入點（AP：Access Point）并將有線和無線相結合，可以有效克服藍牙傳輸距離較短的弱點。另外藍牙標準定義12.5、100 mW 3種功率級別的無線發射器，同時，藍牙支持Hold 模式、Park 模式、Sniff 模式等節能工作模式，可以顯著地降低礦井電耗，降低經濟成本。

1.2 問題分析

一般而言，對于藍牙信號的干擾存在2 種情況：弱信號接收干擾和同頻干擾。

在通信系統中干擾和噪聲不可避免，對于功率較小的藍牙信號而言這種效應更為明顯。通信中常用信號的超越干擾值H (簡稱超擾值)來表征信號所必須的相對強度：

式中：Ps為信號功率應；Pn為噪聲功率，信噪比定義為Ps/Pn。

另外1 個指標為信道超擾值Hk：

通過信噪比的定義可以看出，通信的可靠與否和信噪比的值成正比。在井下若希望解決弱信號接收干擾的問題，其基本途徑可從以下3 方面考慮：

1）提高發射功率Ps以提高信噪比，用功率換取可靠性。但鑒于井下特殊的環境以及防爆要求，功率提高有一定的上限值。

2）增大發射信號的帶寬，用帶寬換取可靠性。但是增大帶寬的一個結果是頻率干擾的產生。

3）延長發送信號的持續時間，用時間換取可靠性。通過減小信號的有效帶寬和接收機的通頻帶減少噪聲干擾的效果。

2 基于跳頻解決多終端藍牙同頻干擾的方法

基于藍牙同頻傳輸中的干擾問題，提出了一種用于解決多終端藍牙同頻干擾的方法，實現了礦用體征參數傳感器與礦用數據采集終端之間的高效、實時傳輸。

在該方法中，系統硬件包括礦用體征參數傳感器、礦用數據采集終端與礦用無線基站，其中礦用體征參數傳感器與礦用數據采集終端相連，其連接方式為藍牙；礦用數據采集終端與礦用無線基站相連，其連接方式為Wi-Fi，根據藍牙建立的連接結構圖如圖2。

圖2 根據藍牙建立的連接結構圖Fig.2 Establish connection structure chart according to Bluetooth

當數據采集終端監測到與體征參數傳感器開始連接或者開始數據傳輸時，獲取所述體征參數傳感器當前的頻道信息，并將所述頻道信息發送給礦用無線基站，礦用無線基站根據所述頻道信息從藍牙頻道列表中查詢體征參數傳感器當前的頻道狀態，并將頻道狀態反饋給數據采集終端。當頻道狀態為占用時，數據采集終端控制體征參數傳感器更改頻道。更改頻道可采用跳頻方式，即當前頻道已被占用時，數據采集終端將經過無線基站查詢當前的藍牙頻道狀態表，根據藍牙頻道狀態表按順序遞增搜索未占用的頻道。

跳頻傳輸工作流程如圖3。

圖3 跳頻傳輸工作流程Fig.3 Work flow of FH transmission

建立連接的具體工作流程如下：

1）當救護隊員的礦用體征參數傳感器與礦用數據采集終端開始連接時，礦用數據采集終端將該連接所采用的頻道傳遞給礦用無線基站。

2）礦用無線基站查詢的藍牙頻道狀態表，藍牙頻道狀態表見表1。查看該頻道是否已經被占用，并將結果返回至數據采集終端。

表1 藍牙頻道狀態表Table 1 Bluetooth channel status

3）若返回結果為被占用，則數據采集終端則控制藍牙通信模塊跳頻；更換頻道后，重復步驟1）、步驟2）。

4）若返回結果為未占用，則礦用生命體征傳感器與礦用數據采集終端建立連接，并將藍牙頻道狀態表中的對應頻道狀態更改為占用。

5）當救護隊員的礦用體征參數傳感器與礦用本安型數據采集儀斷開連接后，將藍牙頻道狀態表中的對應頻道狀態更改為未占用。

3 驗證測試

3.1 實驗場景搭建

應急救援通信系統在井下進行現場測試時，更多情況下需要跳頻來步進地尋找未占用的頻道。跟蹤了5 位救援人員在同一地點附近進行救援的場景，礦山應急救援系統示意圖如圖4。

圖4 礦山應急救援系統示意圖Fig.4 Schematic diagram of mine emergency rescue system

在井上布設監控主機，通過RJ45 接口接入地面交換機，在井下巷道處依次布設10 個無線基站至災變現場，基站與基站之間的距離≥1 000 m，遇到巷道拐彎處，為提高通信的質量，需增設1 個無線基站，快速建立1 條應急傳輸通道；5 名救護隊員下井時將體征參數傳感器綁在各自胸部中央，每人攜帶1 個數據采集終端，使用數據采集終端內置藍牙設備讀取救護隊員心率、體溫、姿態等生命體征信息，體征參數傳感器同時通過無線藍牙連接數據采集終端，并與井下和地面調度中心進行數據傳輸。

當需要跳頻傳輸時，實驗處理流程為：

1）當5 名救護隊員的礦用體征參數傳感器與礦用數據采集終端建立連接后，礦用無線基站接收到藍牙占用的頻道信息。

2）礦用無線基站通過比對藍牙頻道狀態表，查看占用狀態。

3）若頻道占用，數據采集終端對藍牙進行跳頻處理，并根據步驟1）、步驟2）進行狀態的再次確認。

4）若頻道未占用，藍牙連接正常，并將藍牙頻道狀態表進行更新為占用。

5）連接斷開后，將藍牙頻道狀態表進行更新為未占用。

3.2 測試數據

通過上述的跳頻傳輸測試，得到5 名救護隊員的藍牙頻道的對應數據，測試數據如圖5。

圖5 測試數據Fig.5 Test data

測試過程中，分別進行了5 次體征參數傳感器與數據采集終端連接的測試。由圖5 可以看出，5 名救護隊員所攜帶的體征參數傳感器在2 402～2 414 MHz 藍牙頻率范圍內隨機“占用”某一頻率來進行數據傳輸，并且5 名救援人員所攜帶的設備經由不同的藍牙頻道跳頻建立連接，互不干擾。

基于跳頻解決多終端藍牙同頻干擾方法，能夠準確、穩定地將救護隊員體溫、心率、姿態、呼吸頻率等生命體征數據傳送給數據采集終端，能夠實時準確掌握救護隊員身體健康狀況，保障救護隊員自身安全。

4 結 語

針對基于藍牙傳輸的礦井應急救援無線通信中出現的同頻干擾問題，提出了一種利用跳頻技術控制體征采集終端更改頻道，實現生命體征傳感器與數據采集終端之間的高效、實時、無干擾傳輸的方法，可有效地解決由于傳輸干擾所導致的救援效率受限的實際情況，在保障救援隊員安全的同時，提升了應急救援能力。