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(dòng)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。總的來說，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通常可以覆蓋3～5km，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(dòng)通信系統(tǒng)主要由地面監(jiān)控系統(tǒng)、井下分站和移動(dòng)通信終端組成。地面監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的管理與控制，通過地面監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)井下人員以及相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。地面監(jiān)控系統(tǒng)任務(wù)可由一臺(tái)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(gè)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(shí)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信；

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

（4）井下工人之間能進(jìn)行雙向窄帶語音通信；

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

（6）分站能收發(fā)無線電信號(hào)，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(duì)井下的語音調(diào)度以及井下對(duì)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(chǔ)，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(tái)、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(shí)別卡等組成。

本質(zhì)安全型無線以太網(wǎng)移動(dòng)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(tái)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(shí)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(tái)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(tái)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(tái)內(nèi)置有SIP服務(wù)器，用以實(shí)現(xiàn)VoIP通話；IP調(diào)度臺(tái)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(dòng)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(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(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(chǔ)、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(hào)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(gè)RS485/422/232串口d2供互聯(lián)井下總線等設(shè)備使用，另一個(gè)串口d1連接射頻識(shí)別讀卡器模塊c，射頻識(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(hào)通過模擬電路部分轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，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(hào)向空間輻射輸出；由天線接收到的信號(hào)經(jīng)由射頻前端解調(diào)處理后得到相應(yīng)的I/O信號(hào)，再通過數(shù)字電路部分處理后，得到模擬話音電信號(hào)，最終通過模擬電路部分轉(zhuǎn)換出話音信號(hào)，傳遞給收聽者，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(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(dòng)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)。基帶處理器采用TWL3016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(shí)，信號(hào)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和CRC校驗(yàn)工作。基帶處理器將Tx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(gè)DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，經(jīng)基帶濾波器濾波后，送到TRF6151。TRF6151對(duì)這個(gè)模擬信號(hào)進(jìn)行放大，接著將這個(gè)信號(hào)上變頻到900MHzor1800MHz頻段，再通過RF3133功放。這個(gè)輸出信號(hào)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(gè)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(gè)平衡的差分信號(hào)，變換為非平衡的單端信號(hào)送到天線端。

在接收模式下，天線接收到900MHzor1800MHz的RF信號(hào)，這個(gè)單端信號(hào)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(hào)，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(hào)并送到放大級(jí)進(jìn)行放大。信號(hào)經(jīng)過一個(gè)A/D變換器變換為數(shù)字信號(hào)，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(hào)的最終處理。

5 總結(jié)

本文研究設(shè)計(jì)的礦井移動(dòng)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。