Wimax接入技术在矿井视频监控系统中的应用
2012-12-20谢芳
谢 芳
(龙岩农业学校,福建 龙岩364000)
龙岩市作为福建省的主要产煤区域,在取得喜人的成绩的同时,煤矿事故频发,给国家和人民带来巨大的损失.造成煤矿事故的主要原因是煤矿安全技术相对落后,安全管理制度不健全,矿井下的安全监测设施不足等.此外,煤矿安全信息化技术不先进,矿井下的信息不能实时地传送至安全监测中心及上级安全监管部门,也是造成煤矿事故的原因之一.如果能安装视频监控系统,将矿井下的视频信息实时传送至矿井上,管理人员就可对矿井下的生产进行实时监管,及时进行安全隐患的排查,将事故率降至最低.因此,矿井下的视频监控系统的设计与实现显得尤为重要.但是,考虑到矿井下环境较复杂,不确定因素较多,采用传统的有线模式来进行视频系统的设计,由于布线繁琐、新增监控点较难且成本较高,此种方法不可取.传统的无线模式大都采用Wifi接入技术来进行系统的设计,虽然能解决有线模式的不足,但是由于 Wifi信号穿透能力差、传输距离近、传输速率不足,无法满足矿井下的视频信息的可靠传输.而基于IEEE802.16协议的Wimax无线宽带接入方式具有传输距离远、传输速率高、成本低的优势,能适应矿井下复杂环境中的视频信息的实时传输.本文采用Wimax作为矿井下的视频监控系统的接入技术,可实现矿井下的实时信息的传输,从而最大程度上预防矿井下的事故发生.
1 Wimax技术
1.1 Wimax概述
Wimax(Worldwide Interoperability for Microwave Access),是全球微波互操存取的简称[1],是当前电信运营商及设备制造商最为关注的热点之一.它以IEEE802.16系列标准为基础,采用无线方式实现“最后一公里”的宽带接入技术.Wimax的优势很多,主要体现在其集成了Wifi无线接入技术的移动性和灵活性,同时又具有xDSL等基于线缆的传统宽带接入技术的高带宽特性,其技术优势是传输距离远、速率高、系统容量大、多媒体通信服务广泛、安全性好、互操作性佳、应用范围广等[2].
1.2 Wimax的组网模式
Wimax的应用场景非常广泛,但主要应用在基于IP数据的综合业务宽带无线接入,具体工作模式包括点对多点宽带无线接入、点对点宽带无线接入、蜂窝状组网方式等.Wimax对于不同的应用场合,能够灵活、快速地进行部署.Wimax主要由核心网接口、用户站、网管系统、中继站、基站和无线终端等组成[3].其网络体系结构如图1所示.
图1 Wimax网络体系结构
1.3 Wimax标准规范
Wimax系统的标准有3个:802.16、802.16-2004和802.16e-2005,各版本间的技术细节比较如表1所示.
2 系统设计
2.1 网络结构设计
矿井下通道狭小、拐弯处多,环境较为复杂,各个监控点之间呈非视距的状况居多,因此,无线信号在矿井下的穿透力大为减弱.同时,随着生产进度的推移,矿井下的监控点发生改变,需经常移动或新增监控点.为了适应这些特殊情况,满足矿井下的视频监控需求,同时又能降低成本,本文采用单基站蜂窝组网模式进行视频监控系统的设计,将基站设置在地面上,矿井下设置多个Wimax中继站.其网络结构如图2所示.
表1 Wimax标准技术细节对照表
2.2 Wimax基站
Wimax基站主要起视频监控终端和视频监控服务器的连接作用,通常采用扇形定向天线和全向天线进行信号发送和接收.它可以提供较灵活的子信道的配置及部署功能,同进可依据监控终端的群体状况不断地升级和扩展网络.由于采用的是蜂窝组网模式,本系统采用扇形覆盖方式进行信号发送和接收.
2.3 Wimax中继站
Wimax中继站是用于放大Wimax信号的基本设备,充当基站与视频监控终端设备间信号传输的中继,延伸视频监控网络的覆盖范围.由于矿井弯且窄的特点,以串行的方式安装多个 Wimax中继站,即可构成一个连续的线性覆盖信号区域,为无线摄像机等监控设备提供接入信号,同时可为其他扩展系统的设备提供接入信号.
2.4 无线摄像机
无线摄像机用于视频信号的采集,可实时地将矿井下的工作情况上传到主控室和上级安全监管部门,对矿井下的安全情况进行监管,及时排查安全隐患,从而实现安全生产.考虑到井下的光线问题,摄像机还应有红外夜视功能,同时应具有云台功能,且配备Wimax无线模块.系统中的无线摄像机安装均遵循GB 50348《安全防范工程技术规范》和GA/T367《视频安防监控系统技术要求》的相关规定.
图2 矿井无线监控系统网络结构图
3 系统关键问题的解决
系统建立时,应注意基站及中继站的选址、基站设备的配置、抗干扰无线传输技术的选择等关键问题.
3.1 基站及中继站的选址
在矿井下,信号覆盖区域通常以非视距及高屏蔽环境为主,虽然Wimax接入技术在非视距中传输性能较好,且在非视距环境下最优的覆盖半径为2km,但考虑到矿井下的环境恶劣及监控视频信息的特殊性,基站及中继站的选址如果不合理,将直接影响监控视频信息传输的可靠性和稳定性.因此,根据矿井地形的实际情况,应在矿井洞口附近设置一个基站,在矿井下设置多个中继站,使各监控点都能有较强的信号覆盖,从而保证监控视频信息可靠和稳定地传输.
3.2 基站设备的配置
IEEE802.16协议对接入设备的空中接口进行了标准化,且各设备之间具有互操作性.由于目前国内不开放3.5GHz固定无线宽带接入系统的空中接口,且用3.5GHz接入设备的成本较高[4],因此,本系统选用成本较低的IEEE802.16-2004系统取代3.5GHz固定无线宽带接入系统.又由于接入点有着分布不均匀的特点,1套基站设备理论上只能覆盖1个扇区面,因此,需根据接入点的数量及视频监控系统对带宽的需求,确定基站设备扇区面的角度和数量.
3.3 抗干扰无线传输技术
为了确保视频信息能在井上、井下可靠地传输,频率的规范使用就显得尤为重要,IEEE802.16e标准已规定了频率使用范围为2~66GHz.由于在2~6GHz的频率范围内,Wimax才能最好地发挥在非视距无线移动传输中的优势[5],而目前国内尚未对Wimax频段的使用进行明确规范,且2.5GHz及3.5GHz频段都已被占用,因而阻碍了国内 Wimax技术的发展[5].在实际应用过程中,需进行规范的顶层设计,规范Wimax频率的使用范围,选择有利于矿区环境监控的方案,例如,可引入认知无线电技术,更好地提高矿井下视频监控网络的抗干扰能力.
建议系统采用4扇区的蜂窝信号覆盖,每扇区为1个信道,使得蜂窝的重新使用率为1∶1.根据矿井下对通信使用频点的规划与要求,规定Wimax网络的使用频段为20~60GHz的带宽.同时考虑到矿区周边环境中其他无线频段带来的干扰,应使用频谱仪进行扫描,排除干扰频率,确保相对干净的频段.
4 Wimax接入技术在矿井视频监控系统中的应用
将矿井视频监控系统设计后,在福建省龙岩市苏邦煤矿的2号井中进行了试验.在控制中心和洞口中间处设置了1个 Wimax基站;在矿井下,考虑到井下环境的复杂性和Wimax的特点,设置了3个中继站,使得每个中继站边缘处都能有较强的信号覆盖.测试示意图如图3所示.
图3 矿井视频监控系统测试示意图
5 结 语
本文提出了基于Wimax接入技术的矿井视频监控系统设计方案,该系统具有安装简易、实时性高、灵活性强、监控范围广及可扩展性好等优点,解决了传统有线接入方式布线繁琐和无线接入方式信号不强等问题,并可将此系统网络进行扩展,为构建矿井下其他监测系统提供基础网络.同时,该视频监控系统可推广应用到国内大、中型矿井中,为我国的矿业生产保驾护航.当然,如何改善和增强视频监控图像的画面质量,保证网络的服务质量,还有待深入研究.
[1]刘波.WiMAX技术与应用详解[M].北京:人民邮电出版社,2009:2-40.
[2]刘丹谱,郝建军;乐光新.WiMAX宽带无线接入技术及其应用[J].中兴通讯技术,2008,14(2):54-57.
[3]何榕,王大旌.论 WiMAX技术在野战通信中的应用[J].指挥信息系统与技术,2010,1(4):38-40.
[4]胡平,韩兴.基于3G的无线实时视频监控系统设计[J].计算机工程与设计,2011,32(12):4015-4019.
[5]王惠中,范少伟,刘胜文.WiMAX在风力发电故障诊断系统中的应用[J].中国电力,2011,44(9):72-75.
[6]张驰.WiMAX技术在地铁应急通信组网中的应用[J].铁道运营技术,2011,17(2):14-15.