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wifi在礦井移動(dòng)通信系統中的應用

2011/09/13

引言

　　煤礦井下發(fā)生事故后，井下人數不詳、被困人員位置不清、被困人員生死不明是災后應急救援急切解決的問(wèn)題。因此，有必要研究抗災變能力強、具有人員位置監測等多功能煤礦井下無(wú)線(xiàn)通信系統。本文研究將低成本的新技術(shù)——Wi-Fi應用于井下，構建一種新的礦井移動(dòng)通信系統。

1.Wi-Fi技術(shù)簡(jiǎn)介

　　Wi-Fi(WirelessFidelity)，即無(wú)線(xiàn)保真或無(wú)線(xiàn)相容性認證，是一種無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)數據傳輸的技術(shù)與規格，也就是IEEE所定義的無(wú)線(xiàn)通信標準IEEE802.11。無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)是有線(xiàn)局域網(wǎng)的擴展和替換，是在有線(xiàn)局域網(wǎng)的基礎上通過(guò)無(wú)線(xiàn)HUB、無(wú)線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)節點(diǎn)(AP)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡等設備使無(wú)線(xiàn)通信得以實(shí)現。IEEE802.11標準發(fā)表于1997年，其中定義了介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)接入控制層(MAC層)和物理層。隨后，IEEE又發(fā)布了一些補充協(xié)議，包括物理層的補充協(xié)議IEEE802.lla/b/g和其它一些服務(wù)相關(guān)協(xié)議。總的來(lái)說(shuō)，Wi-Fi屬于短距離無(wú)線(xiàn)技術(shù)，覆蓋范圍可達幾百米，使用的是2.4GHz附近的頻段。Wi-Fi有著(zhù)“無(wú)線(xiàn)版本以太網(wǎng)”的美稱(chēng)，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)標準在無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域的延伸。

2.Wi-Fi與相關(guān)技術(shù)比較

　　目前國內外礦井無(wú)線(xiàn)通信方式主要有漏泄通信、感應通信、透地通信、PHS(小靈通)通信、3G(大靈通)通信系統等。

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

　　WiMAX與Wi-Fi最明顯的區別是覆蓋范圍存在很大差別，WiMAX通常可以覆蓋3～5km，而且WiMAX的安全系數更高，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)濟性，還是選用Wi-Fi更適合井下局域網(wǎng)的環(huán)境。

3.系統需求分析

　　所要研究設計的礦井移動(dòng)通信系統主要由地面監控系統、井下分站和移動(dòng)通信終端組成。地面監控系統負責整個(gè)系統的管理與控制，通過(guò)地面監控系統可以對井下人員以及相應設備進(jìn)行實(shí)時(shí)的監控。地面監控系統任務(wù)可由一臺多功能計算機并配有相應數據庫管理軟件完成。井下分站為整個(gè)系統的關(guān)鍵部分并負責多項功能。系統應滿(mǎn)足：　　

在礦井事故前后，地面監控系統能得知井下工人所在的位置;

井下工人與地面監控系統以及井下工人之間能隨時(shí)進(jìn)行雙向數據通信;

地面監控系統能隨時(shí)、直接與任何井下工人進(jìn)行雙向數據/語(yǔ)音通信;

井下工人之間能進(jìn)行雙向窄帶語(yǔ)音通信;

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

分站能收發(fā)無(wú)線(xiàn)電信號，為了有較強的穿透能力，采用適合礦井傳輸的波長(cháng)。

4.方案設計

　　系統以光纖有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )為骨干，以無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )為延伸，在井下設立若干礦用分站，通過(guò)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )覆蓋井下巷道，利用礦用本安手機(IP終端接入設備)來(lái)實(shí)現群呼、組呼等功能，從而實(shí)現井上對井下的語(yǔ)音調度以及井下對井上的數據和語(yǔ)音雙向通信。地面通信與監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)現人員位置和生命狀態(tài)顯示報警和存儲，從而全面實(shí)現煤礦安全生產(chǎn)、調度通信、應急救援、安全監控與督察。

　　4.1 系統架構

　　系統分為井下設備和井上設備，如圖1所示。

系統組網(wǎng)拓撲圖

圖1 系統組網(wǎng)拓撲圖
　　井上設備包括：地面通信與監測中心控制計算機、IP調度臺、數據服務(wù)器和交換機;井下設備由井下分站設備、連接光纜、井下手機、識別卡等組成。

　　本質(zhì)安全型無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)移動(dòng)通信終端通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與礦用多媒體通信接入網(wǎng)關(guān)互聯(lián);IP調度臺通過(guò)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(guò)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(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與礦用多媒體通信接入網(wǎng)關(guān)互聯(lián)。數據服務(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(guò)以太網(wǎng)與礦用多媒體通信接入網(wǎng)關(guān)連接。
　　IP調度臺內置有SIP服務(wù)器，用以實(shí)現VoIP通話(huà);IP調度臺通過(guò)話(huà)音中繼接口與公網(wǎng)市話(huà)系統或企業(yè)內部電話(huà)系統互聯(lián)，從而實(shí)現井下人員間、井下到礦區、井下到公網(wǎng)的全面通話(huà)。

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

　　4.2 分站模塊部分

　　井下分站作為礦井移動(dòng)通信系統的關(guān)鍵部分，應具有多項重要功能。因為考慮到分站的體積重量以及分站內部包括多個(gè)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，做成隔爆兼本質(zhì)安全型。分站應具有的功能有：工作狀態(tài)指示、語(yǔ)音通信、IP語(yǔ)音交換、人員定位、串行數據接入與傳輸、以太網(wǎng)接入、Wi-Fi無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)接入、數據存儲、組網(wǎng)與冗余、網(wǎng)絡(luò )管理、遠程配置和不間斷工作等。分站的功能原理如圖2所示。

分站原理框圖

圖2 分站原理框圖
　　礦用分站內的冗余以太網(wǎng)模塊a通過(guò)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(guò)其電口e1連接無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)模塊b，無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)模塊b連接發(fā)射天線(xiàn)t1提供基于IEEE802.11標準的無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)絡(luò )覆蓋。冗余以太網(wǎng)模塊a通過(guò)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。冗余以太網(wǎng)模塊a通過(guò)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(gè)RS485/422/232串口d2供互聯(lián)井下總線(xiàn)等設備使用，另一個(gè)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(xiàn)t2，接收天線(xiàn)t3，提供無(wú)線(xiàn)定位網(wǎng)絡(luò )的覆蓋。IP-PBX功能模塊內置于IEEE802.11無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)模塊中，電源模塊p完成交流到直流的轉換，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 手機模塊部分

　　由于煤礦井下是特殊的工作環(huán)境，移動(dòng)通信設備要求采用安全性能好的本質(zhì)安全型防爆措施，手機必須有防爆許可證。為了保證礦井移動(dòng)通信系統覆蓋全礦井，須選用合適的技術(shù)方案、頻率和設計合理的結構。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(dòng)通信設備的體積不能很大，終端的天線(xiàn)長(cháng)度不能太長(cháng)。由于在礦井中，50Hz和其諧波的干擾和電機車(chē)火花所造成的干擾大，所以移動(dòng)通信的工作頻率選擇上應考慮這些干擾源，應盡量選擇高頻或甚高頻作為系統工作頻率。手機的鍵盤(pán)、麥克和揚聲器設計時(shí)要特別考慮其防塵、防水、防潮、防霉、耐機械沖擊等性能。

　　本質(zhì)安全型無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)移動(dòng)通信終端滿(mǎn)足井下爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備安全技術(shù)要求，終端由以下部分組成：本質(zhì)安全型數字電路、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(xiàn)與外殼;話(huà)音信號通過(guò)模擬電路部分轉換成數字信號，再傳輸到數字電路部分，并按相應的通信模式進(jìn)行I/O編碼輸入到射頻前端電路最終饋入到天線(xiàn)，由天線(xiàn)將信號向空間輻射輸出;由天線(xiàn)接收到的信號經(jīng)由射頻前端解調處理后得到相應的I/O信號，再通過(guò)數字電路部分處理后，得到模擬話(huà)音電信號，最終通過(guò)模擬電路部分轉換出話(huà)音信號，傳遞給收聽(tīng)者，整個(gè)電路安裝在一個(gè)外殼中。

　　終端采用多模

　　式處理器實(shí)現GSM與無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)的雙模通訊，使用2.4GHz無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)Wi-Fi協(xié)議實(shí)現井下移動(dòng)話(huà)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。基帶處理器采用TWL3016處理器芯片實(shí)現。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)作為保護電路。

　　工作流程如下：

　　發(fā)送時(shí)，信號經(jīng)TWL3016模擬基帶和OMAP730數字基帶調制解調器中的MAC單元對數據進(jìn)行加密和CRC校驗工作。基帶處理器將Tx數據從MAC中取出，生成適于RF子系統(TRF6151)傳輸的幀數據。幀形式的數據經(jīng)過(guò)一個(gè)DAC轉換為模擬信號，經(jīng)基帶濾波器濾波后，送到TRF6151。TRF6151對這個(gè)模擬信號進(jìn)行放大，接著(zhù)將這個(gè)信號上變頻到900MHzor1800MHz頻段，再通過(guò)RF3133功放。這個(gè)輸出信號通過(guò)匹配電路與PCB上的50歐姆阻抗RF線(xiàn)匹配，接著(zhù)使用一個(gè)平衡非平衡變壓器(balun)、橋式開(kāi)關(guān)(bridgeswitch)和復用器(diplexer)/低通濾波器(LPF)將這個(gè)平衡的差分信號，變換為非平衡的單端信號送到天線(xiàn)端。

　　在接收模式下，天線(xiàn)接收到900MHzor1800MHz的RF信號，這個(gè)單端信號經(jīng)過(guò)帶通濾波器(BPF)、復用器(diplexer)，橋式開(kāi)關(guān)(bridgeswitch)，并轉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(guò)一個(gè)A/D變換器變換為數字信號，最后輸入到OMAP730數字基帶調制解調器和TWL3016模擬基帶中完成信號的最終處理。

5.總結

　　本文研究設計的礦井移動(dòng)通信系統，利用了Wi-Fi無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)，系統結構簡(jiǎn)單有效，便于部署與運維，符合和滿(mǎn)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。

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