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wifi在礦井移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

2011/09/13

引言

  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、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準IEEE802.11。無線局域網(wǎng)是有線局域網(wǎng)的擴展和替換,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(AP)、無線網(wǎng)橋、無線網(wǎng)卡等設(shè)備使無線通信得以實現(xiàn)。IEEE802.11標準發(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。總的來說,Wi-Fi屬于短距離無線技術(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“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)標準在無線領(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?紤]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(tǒng)需求分析

  所要研究設(shè)計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)備進行實時的監(jiān)控。地面監(jiān)控系統(tǒng)任務(wù)可由一臺多功能計算機并配有相應(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)鍵部分并負責(zé)多項功能。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行雙向數(shù)據(jù)通信;

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

  4. 井下工人之間能進行雙向窄帶語音通信;

  5. 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,為了有較強的穿透能力,采用適合礦井傳輸?shù)牟ㄩL。
4.方案設(shè)計

  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(IP終端接入設(shè)備)來實現(xiàn)群呼、組呼等功能,從而實現(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),可實現(xiàn)人員位置和生命狀態(tài)顯示報警和存儲,從而全面實現(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。

系統(tǒng)組網(wǎng)拓撲圖

圖1 系統(tǒng)組網(wǎng)拓撲圖

  井上設(shè)備包括:地面通信與監(jiān)測中心控制計算機、IP調(diào)度臺、數(shù)據(jù)服務(wù)器和交換機;井下設(shè)備由井下分站設(shè)備、連接光纜、井下手機、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)具有多項重要功能。因為考慮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(nèi)的冗余以太網(wǎng)模塊a通過其冗余端口o1、o2進行網(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連接無線接入點模塊b,無線接入點模塊b連接發(fā)射天線t1提供基于IEEE802.11標準的無線以太網(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。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。手機的鍵盤、麥克和揚聲器設(shè)計時要特別考慮其防塵、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處理器芯片實現(xiàn);鶐幚砥鞑捎肨WL3016處理器芯片實現(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)進行加密和CRC校驗工作;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。

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