新型井下应急无线通信系统

涂 科 马大玮 张 兵

【摘要】文章提出了一种基于Wi-Fi的矿井应急救援无线通信系统，重点介绍了其原理、硬件组成和软件实现。该系统可实现井下目标位置环境等参数的远程采集，为救援决策提供科学依据。

【关键词】Wi-Fi井下应急通信背负式救援通信站GS1010u C／OS-II

随着社会对煤炭需求量的增大。煤矿产能不断提高，近年我国煤矿事故又有攀升趋势，煤矿安全状况令人担忧。煤矿事故发生后，为了保证安全、不发生二次事故，煤矿井下电力供应完全切断。已有的各种通讯系统无法开启。为了能够及时对井下人员进行援救，需要快速建立一条应急通信链路来实现井下目标位置环境参数和实时影像远程采集，为救援决策提供科学参考。

近年来由于无线通信技术的发展和煤矿信息化的需求。地面无线通信技术开始应用于井下应急通信，其中便有以Zigbee为代表的SDR(Short Distance Radio，短距离无线通信)技术。但zigbee技术有一个明显的缺点，即随着传输距离的增加其衰减加大，导致其单个节点只能在几十米的范围内稳定工作。从而使得在整个救援过程中需要相当多的节点来保证通信链路的建立，为救援人员带来了很大的不便。

本文所述系统依托IEEE802 11big技术，基于GSl010芯片和u C／OS-Il软件平台，通过搭载环境参数传感器和红外摄像头等Wi-Fi前端实现对井下目标位置环境参数和视频图像的采集。其不仅具备通话、视频传输、环境参数传输、发射功率低、低功耗、续航能力强、易实现煤矿本质安全电路设计等特点，还能够保证500米以上的通信距离和6M的传输带宽。从而改善井下应急无线通信中通信距离短、节点过多的现状。

1总体技术方案

该系统搭载在Wi-Fi网络上进行无线传输，由地面救援指挥车(PC机、救援指挥系统、指挥电话、无线宽带通信-设备、应急电源)、固定救援通信站(Wi－Fi无线接入器、红外线防爆摄像机、云台、环境探测传感器、电源)、背负式救援通信站(Wi-Fi无线接入器、环境探测传感器、电源)、救援通信终端等部分组成，形成一套以wi Fi网络为传输主干。利用高速无线信号进行快速空间覆盖的宽带矿井应急无线通讯系统，可实现语音、视频传输，实时读取监控系统数据。系统采用信号设备本安和本安供电的方式，使设备满足在回风巷道和工作面全天候工作的安全等级和技术要求。其组成如图1所示：

2快速组网策略

当矿难发生时。地面救援指挥车迅速开赴救援现场。救援人员打开背负式救援通信站电源。当背负站上电后，自动与地面救援指挥车建立链路，指挥车的控制台向背负站发出网络连接自检信号，背负站接收到连接信号后，返回应信；否则，报告通信失败，请求重新建立通信。当通信链路建立后，开启云台红外摄像头自动捕捉现场图像，并将捕获的视频信号送入感知模块。感知模块首先将模拟的视频信号转换成数字信号，然后输出至Wi—Fi线路接入器，之后以IP包的形式传送给地面救援指挥车。

地面救援指挥中心根据实时的视频信息，通过救援通信站向救援人员发出相应的控制命令。当救援人员与指挥车的距离大于背负站可通距离时，背负站自动报警以提醒救援人员安装固定通信站实现信号中继，固定站除可实现中继外还能实现云台摄像头控制、全程环境参数(瓦斯浓度、温度)的采集和人员定位功能；当救援人员与固定站的距离大于背负站可通距离时，背负站自动报警以提醒救援人员安装固定站实现信号中继，通过多个固定站的安装形成无线通信网络。同时，救援人员通过救援通信终端将实时的救援情况通过无线网络传输回地面救援指挥车。这样，地面救援指挥车就能通过井下的救援通信站采集和传输目标区域的语音、视频及图像信息，及时了解巷道内的灾害信息。

3硬件设计

3.1救援通信站

救援通信站分为固定通信站和背负式救援通信站，都是由Wi-Fi无线接入模块、感知模块、图像处理模块和电源组成，固定通信站增加了云台和视频采集模块。其组成框图如图2所示：

(1)Wi-Fi通信模块

wi—Fi通信模块在GS1010芯片平台上，采用IEEE802.11b／g技术，提供至少2Mb／s的通信带宽，在满足语音通话的同时，也能够满足视频的传输要求。它能够提供4路图像和8路语音传输，每个无线通信节点的传输距离可以做到不小于500米。通过RSSI技术，它能够实现人员定位功能，其准确度可以达到10m以内。

Wi-Fi芯片GSl010是以两个经典ARM7微控制器为内核的32位“ARM射频SoC(ARM无线片上系统)”。将两个ARM7 32位微处理器、384k闪存、224k SRAM多种外围电路、A／D、RTC和802.11无线芯片等集成到一只非常小的QFN封装微型单芯片中，实现Wi-Fi系统的单片机化、无线化、微型化。该芯片功耗非常低。GS1010能够确保在一节AA电池供电下有长达5～10年的使用时间。GS1010芯片内部框图如图3所示：

(2)视频采集模块

视频采集模块采用红外线防爆摄像机，其采用Sony机芯，水平清晰度为420电视线，红外照射距离为25m，最低照度为0，能够提供彩色图片，同时增加机壳、镜头防护和本安电路。

(3)感知模块

感知模块主要由瓦斯、湿度、温度等环境传感器和基于达芬奇技术的新型数字媒体处理器组成。环境传感器是在常规传感器的基础上增加一个基于IEEE802.15.4(Zigbee)技术的无线适配器。新型数字媒体处理器能够对语音和图像进行处理，对于语音主要采取将模拟话转变为数字话的形式，通过IP数据包进行语音传输；对于图像主要采取将模拟图像快速转化为数字图像的形式，并在不影响图像质量的状况下对其进行至少5：1的压缩，从而大大提高传输效能。

3.2救援通信终端

救援通信终端包括通信模块、感知模块、耳麦和红外防爆摄像头，耳麦和红外防爆摄像头通过Zigbee技术进行信息传输。救援人员将耳麦和红外防爆摄像头安装在安全头盔上，以便在完成救援工作的同时，能够将救援信息传递给指挥中心。其组成框图如图4所示：

4软件设计

应急通信系统的软件主要包括2部分：救援指挥中心软件、救援通信站的软件。

救援指挥中心站可以由一台便携式笔记本电脑担当，中心站软件的开发平台使用Windows下的Visual C++6.0。该软件包括3大功能：其一，对从串口接收到的数据进行解析和处理，对数据库进行管理，还有图像的显示；其二，通过串口给前端Wi-Fi设备发送控制命令，控制其工作方式；其三，链路信号质量报警、环境参数报警等。

救援通信站的软件采用u C／OS-112.76v作为底层平台支持应用软件开发。u C／OS-II是源码公开的实时内核，专为嵌入式应用设计，可用于各类8位、16位和32位单片机或DSP，已经在世界范围内得到广泛使用。该软件包括以下几个功能：图像和各种环境参数的采集、数据的发送和命令的接收、信号强度检测、人员定位和节电。软件流程如图5所不。

5结语

基于Wi-Fi的井下应急通信系统采用即铺即用的无线措建网络技术，利用传输网络通信站进行双向数字信号传输，提供了一种可实时监视和直接联络事故现场的先进技术手段。该系统能够为事故救援提供高可信的、重要的数据资料，减少事故发生的可能性，降低人员的伤亡，将更有利于救援工作的实施。