基于WiFi技術的煤礦井下應急救援無線通信系統(tǒng)設計分析

王智

（牡丹江大學，黑龍江牡丹江，157011）

1 基于WiFi技術構建煤礦井下應急救援系統(tǒng)

煤礦井下發(fā)生安全事故之后，煤礦井下電力供應完全切斷，所以建立的救援系統(tǒng)從結構上可以分為3個部分，分別是災變現(xiàn)場救護人員、地面指揮調度中心以及井下無線鏈路。其中，井下無線鏈路這一部分主要是由采集終端、無線傳輸鏈路部分、布放裝置以及井下救援基地組成。而基于通信技術來說，救援通信系統(tǒng)應該是無線通信技術與有信通信技術的結合。

在出現(xiàn)煤礦災害事故之后，地面救援指揮調度中心首先需要完成救援預案論證，及時確定救援方案。其次，在確定井下情況相對明確的預訂位置后，救護人員將會配備有線設備與電纜等進入井下，快速鋪設有線電纜和相關設備，迅速搭建井下救援基地平臺，并將地面救援指揮調度中心與井下救援基地建立信息。第三，災變現(xiàn)場周圍情況不明區(qū)域，可能會出現(xiàn)二次事故，而利用WiFi技術以無線接力的方式，通過自動布放裝置能夠快速建立無線通信信道，使救援災變現(xiàn)場擁有通信信道[1]。第四，確定安全區(qū)域之后，救援人員可以逐漸向災變現(xiàn)場推進，利用救援人員隨身裝配的數(shù)據(jù)設備、WiFi網絡等，使救援人員與地面指揮調度中心、井下救援基地之間實現(xiàn)定位和語音聯(lián)系。最后，通過井下救援基地，向地面救援指揮調度中心發(fā)送各種數(shù)據(jù)，為地面指揮調度中心提供災變現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息，使地面指揮調度中心做出正確決策。

1.1 無線通信信道的建立

無線通信信道是實現(xiàn)應急救援無線通信系統(tǒng)的關鍵所在。救援人員在實際工作中，通過將控制命令連接在WiFi鏈路的中心節(jié)點FFD1發(fā)送到小車上的RFD采集終端[2]。而RFD采集終端在運行過程中，在接收到救援基地所發(fā)出的相應命令之后，會將命令傳輸?shù)竭\輸小車中，并根據(jù)命令的制定方向逐漸開始推進。而在推進過程中，采集終端可以將自身實際位置傳遞給運輸小車，并在返回時，各項數(shù)據(jù)信息都帶有采集終端和前一級節(jié)點信號強度信息。而救援人員在進行救援過程中，救援人員需要在信號強度的前提下構建鏈路。而信號強度在這一過程中，如果達到系統(tǒng)設定的門限值，那么此時的系統(tǒng)會停止指令發(fā)送，小車停止前進。而通過井下救援基地中的計算機，救援人員可以對投放鏈路節(jié)點命令進行投放，在完成上述操作后，下放指令促使小車繼續(xù)前進。但是在實際應用過程中，WiFi技術具有自組網功能，兩節(jié)點通信距離如果超出一定范圍，那么新投入節(jié)點將會自動添加到WiFi網絡中，從而成為新節(jié)點，促進通信鏈路的延伸，保障通信可以順利開展[3]。而在建立鏈路時，采集終端會前端環(huán)境的具體參數(shù)送回，救援人員和救援指揮調度中心通過分析各項數(shù)據(jù)內容，并做好相應的處理，開展下一步的救援工作。

1.2 井下個人終端設計

在煤礦井下，環(huán)境參數(shù)采集模塊、語音模塊、MCU處理模塊、無線功放模塊、鍵盤輸入模塊、WiFi模塊、液晶顯示模塊等眾多模塊組成個人終端硬件。而隨著科技的發(fā)展，鍵盤輸入模塊、圖像采集模塊、液晶顯示模塊以及語音模塊等部件均已經獲得了十分成熟的結果，并不需要獨立研究和開發(fā)。基于串口方式通過WiFi模塊來采集并讀取煤礦井下的環(huán)境參數(shù)信息，通過G-SPI進行通信，即SPI方式、語音模塊以及凸顯采集等。利用GPI0中的I0接口，連接液晶顯示模塊、鍵盤輸入模塊等，連接TX管腳、RX管腳、無線功放模塊等，如下圖1為具體的設計圖。

圖1 無線網絡個人終端涉及圖

1.3 中繼臺設計

個人終端和井下指揮中心之間之所需要構建中繼通道是為了可以有效的延長通信的距離。使用定向天線、雙WiFi芯片、雙功放方案等，中繼臺可以利用定向天線來實現(xiàn)延長通信距離的目的[4]。

1.4 設計監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)

煤礦井下采用的傳感器主要是頻率信號輸出，如O2、CH4、CO等通常是在200～1000Hz，其所有的系統(tǒng)都是需要在監(jiān)控分站中連接各種傳感器，并通過監(jiān)控分站傳送到地面指揮中心站中，但是這一方式不僅會增加設備成本，同時還會在傳輸數(shù)據(jù)的過程中，一旦超過2km的范圍距離外，電磁將會干擾數(shù)據(jù)傳輸，導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素增加。基于此，在傳感器中添加WiFi模塊，并將數(shù)據(jù)與WiFi網絡連接，能夠使其他的數(shù)據(jù)通過WiFi形式實現(xiàn)傳輸目的，并且還可以使用光纖環(huán)網傳遞數(shù)據(jù)[5]。

1.5 移動數(shù)字視頻的設計

煤礦井下的監(jiān)控系統(tǒng)以往是安裝攝像儀，而利用WiFi技術，可以極大的豐富監(jiān)控設備。例如，應用膠帶巡檢攝像儀，需要借助移動視頻。其視頻退下昂的傳輸無限化突破了光纖圖像監(jiān)視、傳統(tǒng)同軸電纜等顯示，具有更高的靈活性、便利性。而WiFi寬帶最夠能達到300Mbit/s，其十分適合應用在高寬帶、高畫質以及高碼流的音頻和視頻中，并且抗衰落能力、抗干擾能力都非常強，可以有效的滿足視頻傳輸鏈路[6]。

2 模擬實驗以及性能分析

2.1 NS2仿真軟件

NS2是一種離散時間仿真器，可以免費應用在網絡研究中。NS2的存在可以支持無線網絡、有線網絡上TCP、網絡QOs各種隊列、數(shù)據(jù)鏈路以及路由、組播協(xié)議等，并且還可以將仿真結果顯示出來，提供了跟蹤、網絡拓撲生成等工具。NS2仿真軟可以在計算機上，將一個網絡運行進行動態(tài)仿真[7]。

2.2 模擬實驗與分析

在LNUX系統(tǒng)中，使用模擬工具NS2網絡仿真器設置頻率為2.4GHZ物理層使用直接序列擴頻（DSSS），路由層采用DSDV。在試驗過程中，每一個結點表示一個布放裝置，一旦出現(xiàn)礦災，系統(tǒng)將會由布放裝置在救援中心站的遙控指揮下自動搭建，并及時對井下救援基地傳輸數(shù)據(jù)。基于吞吐量、包抖動、延時等方面分析系統(tǒng)性能。平均傳輸速率為0.228KB/s，最大可以達到4.451KB/s。而包抖動率就是延時時間變化量，因為網絡狀態(tài)的原因，如果流量較大，那么封包會在節(jié)點隊列中排隊等待。所以，每一個封包的傳送時間都是不同的，這一差異為Jitter，而Jitter越大，意味著網絡的穩(wěn)定性越差[8]。

基于仿真實驗結果可以看出，以WiFi技術為基礎來設計煤礦井下應急無線通信系統(tǒng)，隨著時間的增加，傳輸速率會更加的穩(wěn)定，并且延時非常小，所以十分適合應用在井下應急救援通信中。

3 總結

煤礦災害事故的應急救援通信系統(tǒng)是第一時間進行救援，并獲得良好救援效果的關鍵組成。而一旦出現(xiàn)事故，為了避免二次事故的發(fā)生，保障救援人員的安全，將會完全切斷煤礦井下電力供應。基于此，通過WiFi技術來設計煤礦井下應急救援無線通信系統(tǒng)，可以保證煤礦井下5km以內實現(xiàn)通信目的。而雖然這一系統(tǒng)在當前還在進行安標送審，但是利用WiFi技術已經可以實現(xiàn)煤礦井下的救援，從而促進煤礦井下救援工作效率的提升。