引言

　　煤炭是我國的重要能源,，約占一次性能源的70%以上。煤炭行業(yè)一直是我國工礦企業(yè)中的高危行業(yè),。分析原因,，既有管理混亂、人員素質(zhì)低,、安全投入不足,、科學(xué)研究薄弱等問題，又有煤礦井下通信設(shè)備落后等問題,。特別是煤礦井下發(fā)生事故后,，井下人數(shù)不詳、被困人員位置不清,、被困人員生死不明是災(zāi)后應(yīng)急救援急切解決的問題,。因此，有必要研究抗災(zāi)變能力強(qiáng),、具有人員位置監(jiān)測等多功能煤礦井下無線通信系統(tǒng),。本文研究將低成本的新技術(shù)——Wi-Fi應(yīng)用于井下，構(gòu)建一種新的礦井移動通信系統(tǒng),。

　　1  Wi-Fi技術(shù)簡介

　　Wi-Fi（WirelessFidelity）,，即無線保真或無線相容性認(rèn)證,，是一種無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)與規(guī)格，也就是IEEE所定義的無線通信標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11,。無線局域網(wǎng)是有線局域網(wǎng)的擴(kuò)展和替換,，是在有線局域網(wǎng)的基礎(chǔ)上通過無線HUB、無線訪問節(jié)點(diǎn)（AP）,、無線網(wǎng)橋,、無線網(wǎng)卡等設(shè)備使無線通信得以實(shí)現(xiàn),。IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)發(fā)表于1997年,，其中定義了介質(zhì)訪問接入控制層（MAC層）和物理層。隨后,，IEEE又發(fā)布了一些補(bǔ)充協(xié)議,，包括物理層的補(bǔ)充協(xié)議IEEE802.lla/b/g和其它一些服務(wù)相關(guān)協(xié)議?？偟膩碚f,，Wi-Fi屬于短距離無線技術(shù)，覆蓋范圍可達(dá)幾百米,，使用的是2.4GHz附近的頻段,。Wi-Fi有著“無線版本以太網(wǎng)”的美稱，世界上至少有80%以上的局域網(wǎng)采用以太網(wǎng)技術(shù),，其幾乎可以視為以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)在無線領(lǐng)域的延伸,。

　　2  Wi-Fi與相關(guān)技術(shù)比較

　　目前國內(nèi)外礦井無線通信方式主要有漏泄通信、感應(yīng)通信,、透地通信,、PHS（小靈通）通信、3G（大靈通）通信系統(tǒng)等,。

　　漏泄通信系統(tǒng)存在著抗災(zāi)變能力差,、大量的串聯(lián)中繼設(shè)備導(dǎo)致可靠性差、系統(tǒng)不具備冗余功能等問題,，通信終端存在功能單一,、信道容量小的缺陷。感應(yīng)通信系統(tǒng)存在著體積大,、重量重,、信道容量小、通信距離短等問題,。透地通信系統(tǒng)存在著設(shè)備體積大,、重量重、信道容量小,、地面設(shè)備功率大,、地面天線布置困難,、單向通信（地面向井下）等問題。PHS（小靈通）通信系統(tǒng)與3G（大靈通）通信系統(tǒng)存在著基站控制器和基站非本質(zhì)安全型防爆,、系統(tǒng)不具備冗余功能,、抗災(zāi)變能力差、井下基站至地面最大通信距離不滿足井下通信10公里的要求等問題,，通信終端存在功能單一,、信道容量小的缺陷。

　　WiMAX與Wi-Fi最明顯的區(qū)別是覆蓋范圍存在很大差別,，WiMAX通?？梢愿采w3～5km，而且WiMAX的安全系數(shù)更高,，但是WiMAX的組網(wǎng)成本要比Wi-Fi大的多,。考慮到礦井下的特殊性和經(jīng)濟(jì)性,，還是選用Wi-Fi更適合井下局域網(wǎng)的環(huán)境,。

　　3  系統(tǒng)需求分析

　　所要研究設(shè)計(jì)的礦井移動通信系統(tǒng)主要由地面監(jiān)控系統(tǒng)、井下分站和移動通信終端組成,。地面監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的管理與控制,，通過地面監(jiān)控系統(tǒng)可以對井下人員以及相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控。地面監(jiān)控系統(tǒng)任務(wù)可由一臺多功能計(jì)算機(jī)并配有相應(yīng)數(shù)據(jù)庫管理軟件完成,。井下分站為整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部分并負(fù)責(zé)多項(xiàng)功能,。系統(tǒng)應(yīng)滿足：

　　（1）在礦井事故前后,，地面監(jiān)控系統(tǒng)能得知井下工人所在的位置,；

　　（2）井下工人與地面監(jiān)控系統(tǒng)以及井下工人之間能隨時進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信,；

　?。?）地面監(jiān)控系統(tǒng)能隨時、直接與任何井下工人進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)/語音通信,；

　?。?）井下工人之間能進(jìn)行雙向窄帶語音通信；

　?。?）井下通信網(wǎng)為由若干個分站組成的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò),；

　　（6）分站能收發(fā)無線電信號,，為了有較強(qiáng)的穿透能力,，采用適合礦井傳輸?shù)牟ㄩL。

　　4  方案設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)以光纖有線網(wǎng)絡(luò)為骨干,，以無線網(wǎng)絡(luò)為延伸,，在井下設(shè)立若干礦用分站,，通過無線局域網(wǎng)絡(luò)覆蓋井下巷道，利用礦用本安手機(jī)（IP終端接入設(shè)備）來實(shí)現(xiàn)群呼,、組呼等功能,，從而實(shí)現(xiàn)井上對井下的語音調(diào)度以及井下對井上的數(shù)據(jù)和語音雙向通信。地面通信與監(jiān)測中心的軟件能分析,、處理和顯示人員位置,、生命狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)人員位置和生命狀態(tài)顯示報(bào)警和存儲,，從而全面實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn),、調(diào)度通信、應(yīng)急救援,、安全監(jiān)控與督察,。

　　4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

　　系統(tǒng)分為井下設(shè)備和井上設(shè)備,，如圖1所示,。

圖1 系統(tǒng)組網(wǎng)拓?fù)鋱D

　　井上設(shè)備包括：地面通信與監(jiān)測中心控制計(jì)算機(jī)、IP調(diào)度臺,、數(shù)據(jù)服務(wù)器和交換機(jī),；井下設(shè)備由井下分站設(shè)備、連接光纜,、井下手機(jī),、識別卡等組成。

　　本質(zhì)安全型無線以太網(wǎng)移動通信終端通過無線網(wǎng)絡(luò)與礦用多媒體通信接入網(wǎng)關(guān)互聯(lián),；IP調(diào)度臺通過以太網(wǎng)與網(wǎng)關(guān)連接,；多媒體通信接入網(wǎng)關(guān)之間通過光纖互連組成千兆多環(huán)型或環(huán)型與鏈型或星型的任意組合網(wǎng)絡(luò)；識別卡通過無線網(wǎng)絡(luò)與礦用多媒體通信接入網(wǎng)關(guān)互聯(lián),。數(shù)據(jù)服務(wù)器模塊包括網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器,、人員定位服務(wù)器和視頻管理平臺服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器,、人員定位服務(wù)器和視頻管理平臺服務(wù)器均通過以太網(wǎng)與礦用多媒體通信接入網(wǎng)關(guān)連接,。

 　　IP調(diào)度臺內(nèi)置有SIP服務(wù)器，用以實(shí)現(xiàn)VoIP通話,；IP調(diào)度臺通過話音中繼接口與公網(wǎng)市話系統(tǒng)或企業(yè)內(nèi)部電話系統(tǒng)互聯(lián),，從而實(shí)現(xiàn)井下人員間、井下到礦區(qū),、井下到公網(wǎng)的全面通話,。

　　井上設(shè)備和井下設(shè)備均安裝有不間斷后備電源系統(tǒng)，在停電或斷電環(huán)境中系統(tǒng)可以正常工作,。系統(tǒng)滿足井下爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備安全技術(shù)要求,。

　　4.2 分站模塊部分

　　井下分站作為礦井移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,，應(yīng)具有多項(xiàng)重要功能。因?yàn)榭紤]到分站的體積重量以及分站內(nèi)部包括多個功能模塊,，不適宜做成本質(zhì)安全型,，因此將分站安裝在隔爆殼內(nèi)，做成隔爆兼本質(zhì)安全型,。分站應(yīng)具有的功能有：工作狀態(tài)指示,、語音通信、IP語音交換,、人員定位,、串行數(shù)據(jù)接入與傳輸、以太網(wǎng)接入,、Wi-Fi無線局域網(wǎng)接入,、數(shù)據(jù)存儲、組網(wǎng)與冗余,、網(wǎng)絡(luò)管理,、遠(yuǎn)程配置和不間斷工作等。分站的功能原理如圖2所示,。

圖2 分站原理框圖

　　礦用分站內(nèi)的冗余以太網(wǎng)模塊a通過其冗余端口o1,、o2進(jìn)行網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)關(guān)之間，網(wǎng)關(guān)至地面的互聯(lián),，組成冗余網(wǎng)絡(luò),。冗余以太網(wǎng)模塊a通過其電口e1連接無線接入點(diǎn)模塊b，無線接入點(diǎn)模塊b連接發(fā)射天線t1提供基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線以太網(wǎng)絡(luò)覆蓋,。冗余以太網(wǎng)模塊a通過其電口e2連接百兆以太光收發(fā)模塊oe,，百兆以太光收發(fā)模塊oe的光信號輸入端口o4連接井下網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。冗余以太網(wǎng)模塊a通過其電口e7連接串口服務(wù)器模塊d,，串口服務(wù)器模塊d的一個RS485/422/232串口d2供互聯(lián)井下總線等設(shè)備使用,，另一個串口d1連接射頻識別讀卡器模塊c，射頻識別讀卡器模塊c連接發(fā)射天線t2,，接收天線t3,，提供無線定位網(wǎng)絡(luò)的覆蓋。IP－PBX功能模塊內(nèi)置于IEEE802.11無線接入點(diǎn)模塊中,，電源模塊p完成交流到直流的轉(zhuǎn)換,，為網(wǎng)關(guān)工作提供電源，其包含的備份電池可在斷電環(huán)境下為網(wǎng)關(guān)提供不間斷供電,。

　　4.3 手機(jī)模塊部分

　　由于煤礦井下是特殊的工作環(huán)境,，移動通信設(shè)備要求采用安全性能好的本質(zhì)安全型防爆措施，手機(jī)必須有防爆許可證。為了保證礦井移動通信系統(tǒng)覆蓋全礦井,，須選用合適的技術(shù)方案,、頻率和設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)。由于煤礦井下空間狹小,，礦井最大尺寸也就4m左右,，因此，移動通信設(shè)備的體積不能很大,，終端的天線長度不能太長,。由于在礦井中，50Hz和其諧波的干擾和電機(jī)車火花所造成的干擾大,，所以移動通信的工作頻率選擇上應(yīng)考慮這些干擾源,，應(yīng)盡量選擇高頻或甚高頻作為系統(tǒng)工作頻率。手機(jī)的鍵盤,、麥克和揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)時要特別考慮其防塵,、防水、防潮,、防霉,、耐機(jī)械沖擊等性能。

　　本質(zhì)安全型無線以太網(wǎng)移動通信終端滿足井下爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備安全技術(shù)要求,，終端由以下部分組成：本質(zhì)安全型數(shù)字電路,、本質(zhì)安全型模擬電路,、本質(zhì)安全型RF前端,、本質(zhì)安全型電池與電源管理電路、天線與外殼,；話音信號通過模擬電路部分轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,，再傳輸?shù)綌?shù)字電路部分，并按相應(yīng)的通信模式進(jìn)行I/O編碼輸入到射頻前端電路最終饋入到天線,，由天線將信號向空間輻射輸出,；由天線接收到的信號經(jīng)由射頻前端解調(diào)處理后得到相應(yīng)的I/O信號，再通過數(shù)字電路部分處理后,，得到模擬話音電信號,，最終通過模擬電路部分轉(zhuǎn)換出話音信號，傳遞給收聽者,，整個電路安裝在一個外殼中,。

　　終端采用多模式處理器實(shí)現(xiàn)GSM與無線以太網(wǎng)的雙模通訊，使用2.4GHz無線以太網(wǎng)Wi-Fi協(xié)議實(shí)現(xiàn)井下移動話音通信,，具有定位功能,。終端的中央處理器采用OMPA730處理器芯片實(shí)現(xiàn)?；鶐幚砥鞑捎肨WL3016處理器芯片實(shí)現(xiàn),。電池采用錳酸鋰材料做電池芯中采用電阻或恒流二極管串聯(lián)作為保護(hù)電路,。

　　工作流程如下：

　　發(fā)送時，信號經(jīng)TWL3016模擬基帶和OMAP730數(shù)字基帶調(diào)制解調(diào)器中的MAC單元對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和CRC校驗(yàn)工作,?；鶐幚砥鲗x數(shù)據(jù)從MAC中取出，生成適于RF子系統(tǒng)（TRF6151）傳輸?shù)膸瑪?shù)據(jù),。幀形式的數(shù)據(jù)經(jīng)過一個DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號,，經(jīng)基帶濾波器濾波后，送到TRF6151,。TRF6151對這個模擬信號進(jìn)行放大,，接著將這個信號上變頻到900MHzor1800MHz頻段，再通過RF3133功放,。這個輸出信號通過匹配電路與PCB上的50歐姆阻抗RF線匹配,，接著使用一個平衡非平衡變壓器（balun）、橋式開關(guān)（bridgeswitch）和復(fù)用器（diplexer）/低通濾波器（LPF）將這個平衡的差分信號,，變換為非平衡的單端信號送到天線端,。

　　在接收模式下，天線接收到900MHzor1800MHz的RF信號,，這個單端信號經(jīng)過帶通濾波器（BPF）,、復(fù)用器（diplexer），橋式開關(guān)（bridgeswitch）,，并轉(zhuǎn)換成平衡的差分信號,，送到TRF6151的片上低噪放（LNA）。再由TRF6151的片內(nèi)的RF和IF混頻器（mixer）下變頻為基帶信號并送到放大級進(jìn)行放大,。信號經(jīng)過一個A/D變換器變換為數(shù)字信號,，最后輸入到OMAP730數(shù)字基帶調(diào)制解調(diào)器和TWL3016模擬基帶中完成信號的最終處理。

　　5  總結(jié)

　　本文研究設(shè)計(jì)的礦井移動通信系統(tǒng),，利用了Wi-Fi無線局域網(wǎng)技術(shù),，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單有效，便于部署與運(yùn)維,，符合和滿足礦用特定的使用環(huán)境與安全要求,，可承載目前井下環(huán)境主要的通信業(yè)務(wù)，必將有廣闊的前景,。