基于WiFi的煤矿井下应急救援无线通信系统的研究

2016-08-22齐维龙

大科技 2016年24期

关键词：中继救援终端

齐维龙

（重庆梅安森科技股份有限公司重庆九龙坡区 400000）

基于WiFi的煤矿井下应急救援无线通信系统的研究

齐维龙

（重庆梅安森科技股份有限公司重庆九龙坡区 400000）

在煤炭矿井的开采与安全生产过程中，基于WiFi无线网络通信技术建立的无线通信系统，为煤矿应急救援工作提供了重要的技术支持，非常有利于灾后开展紧急救援，以尽量减少伤亡人员。本文探讨了基于WiFi技术建立的煤矿井下应急救援无线通信系统，以供参考。

WiFi技术；煤矿；应急救援；无线通信系统

1 引言

井下通信系统是煤矿安全防护及生产调度的关键设施，我国当前主要采用的井下通信仍然是有线方式，如：频率信号通信、RS485等。由于井下环境本身有一定的局限性，巷道分布较多，存在很多干扰信号源，因而会阻碍井下的无线通信，而基于WiFi技术建立的无线通信系统则有效改善了此类问题，开始被大规模应用于井下工程的通信中。

2 WiFi技术概述

2.1 WiFi技术

802.11 协议簇是国际电工电子工程学会（IEEE）为无线局域网络制定的标准。虽然WI-FI使用了802.11的媒体访问控制层（MAC）和物理层（PHY），但是两者并不完全一致。在以下标准中，使用最多的应该是802.11n标准，工作在2.4GHz频段，可达600Mbps。

WiFi具有速率高、传输距离长、与已有的各种802.11DSSS设备兼容等特点。IEEE802.11b标准最高带宽为11Mbps，有干扰或信号较弱时，带宽可调整为1Mbps，2Mbps，5.5Mbps，很好地保障了网络的可靠性和稳定性。其主要优点：速率高，可靠性好，开放环境下的，传输的距离通常可达到305m，处于封闭环境则传输距离为76～22m，其组网成本更低。

WiFi技术相较于其他的无线宽带技术更为成熟可靠，已经广泛应用于地面上的短距离无线通信。因为WiFi协议限制了设备功率，使设计的本质安全型设备得以满足煤矿的安全要求，从而扩展了井下使用范围，改善了井下无线通信长久以来使用窄频范围的现状，得以运用更多的无线通信方式。

2.2 WiFi网络基本工作原理

WiFi的典型配置一般包括一个或多个接入点Access Poin（tAP）及一个或多个客户端。每个接入点（AP）每隔一定时间：寻服务单元标识（SSID Service SetIdentifier）经由beacons（信号台）封包广播一次。基于如SSID这样的设置，客户端可以决定是否联结到某个接入点（AP）。若同一个SSID的两个接入点（AP）都在客户端的接收范围内，客户端可以更具信号的强度选择与那个接入点的SSID联结。

3 基于WiFi技术的煤矿井下应急救援系统

3.1 系统构成与原理

在煤矿发生井下事故时，井下的电力供应会被完全切断，在极为复杂的现场情况下，应急救援通信系统必须发挥作用。就从结构而言，通常包括3个部分：地面指挥调度中心、井下无线链路以及灾变现场救护队。通信技术应该包含有线通信技术、无线通信技术相结合的救援通信系统，整个系统框图如图1所示。

图1 井下应急救援无线通信

①由地面救援指挥调度中心结合实际情况与救援经验，及时制定救援方案；②由救护队员携带有线设备、电缆等，到达井下受灾情况相对明确的位置，迅速铺设有线电缆，并架设相关设备，搭建井下救援基地平台，同时建立井下救援基地和地面救援指挥调度中心之间的通信；③由于临近灾变现场区域可能出现二次灾难，因此可采用WiFi无线技术，以无线接力的方式实现自动布放装置，快速建立无线通信信道，可直达救援灾变现场；④救援队员在向相对安全的区域推进时，可以依靠已经搭建完成的WiFi网络，配备随身携带的数据设备，以完成救援人员之间，或者与井下救援基地、地面指挥调度中心之间的语音联系、人员定位等功能；⑤井下传来的各种灾后数据信息，可通过井下救援基地传输至地面救援指挥调度中心，从而为救援工作的开展提供参考，及时做出科学决策。

3.2 煤矿应急救援通信系统需求分析

煤矿应急救援通信系统是应急救援指挥中心给救援人员下达命令和部署任务的平台，是地下煤矿救援人员与地上指挥人员交换信息的桥梁，不仅可以大大提升救援的工作效率，而且能够有效地保障救援人员的生命安全。具体来说，应当满足的要求如下：

3.2.1 应当灵活便捷

在发生严重煤矿事故之后，矿井中很多原有通信设施可能遭到损坏，所以，应急救援通信系统的建设与部署，应当以可靠、灵活为基础，才能够适应不同的矿井通道结构。若是有线形式的救援通信系统，则需要面临复杂的布线等工作，而运用无线通信系统则简便易行，是井下灾害应急通信系统的最佳选择。

3.2.2 实时传输语音、环境监测与视频数据

在发生矿难时，事故现场的情况非常危险，可能会因为轻微的疏忽而导致二次灾害。所以，应急救援通信系统的建立，必须具备集成语音通信、环境监测方面的功能，不仅能够与地面指挥员保持密切的通信联络，同时还可以从事故现场及时获取相关数据，极大提高救援工作效率与安全性。

3.2.3 网络和电源冗余

矿井中灾害的发生，非常容易给通信系统的线缆、通信基站等造成损毁问题，因此，应急通信网络需要具备多路由的网络冗余功能，才能够确保网络中的单点线缆、设备损毁等，不会影响整个系统的运行。同样，如果发生的是火灾或瓦斯灾害，应当依据煤矿的安全操作规程，采取相应的供电闭锁，直至井下整体停电，应急救援通信系统则必须具备电源冗余功能。

3.2.4 具有高可靠性和可扩展性

在事故发生之后，由于形势的急迫，往往无暇精心规划网络的设置，导致节点的部署不尽合理，甚至在救援过程中发生缺电、地面隆起等问题。为保证通信系统的可靠性与救援安全，无线网络即可有效保证自身的可靠性。另外，矿井往往大小不一，其救援范围通常难以准确预知，为确保有效的覆盖，应急救援通信系统要求可按需扩展，这样才具有广泛的适用性。

4 WiFi技术下的煤矿井下应急救援无线通信系统设计

4.1 井下个人终端设计

处于煤矿井下时，个人终端的硬件主要包括以下模块：语音模块、环境参数采集模块、图像采集模块、液晶显示模块、WiFi模块、键盘输入模块、MCU处理模块以及无线功放模块等。在国际国内的市场中，图像采集模块、语音模块、液晶显示模块和键盘输入模块等，其部件等相关技术均较为成熟，无需独立性研究开发；在设计过程中，也不需要对MCU进行单独的设计。

WiFi模块通常是以SPI的方式，读取煤矿井下的环境参数信息的，采用G-SPI，即SPI方式实现与图像采集、语音模块之间的数据传输采用GPIO总线扩展器IO接口，即可与液晶显示模块、键盘输入模块连接起来；而采用RX，TX管脚则能够与无线功放模块连接。

4.2 建立无线通信信道

在整个应急救援无线通信系统的建立过程中，无线通信信道的建立至关重要[1]。救援人员需要将控制命令，通过连接于计算机上的WiFi AP中继，发送到小车上的采集终端，实现通信传输。由于WiFi技术具有自组网功能，如果2个节点之间的通信距离超过了通信范围，则新投放的节点将会自动加入WiFi网络，从而成为中间路由节点，使通信链路能够继续延伸，以确保通信正常进行，然后再依次投放其余的节点。在链路建立完成之后，采集终端即可传送来自救援前端的各种环境相关参数，由救援人员、救援指挥调度中心对这些参数进行分析处理，进而下达救援命令，作出救援安排。

4.3 地面与井下指挥中心

当井下发生事故时．具体救援系统结构见图l，个人终端、井下指挥中心与中继台共同组成井下无线救援通信系统。因为井下有着非常特殊的巷道结构．在具有局限性空间中进行无线信号的传输。所传输的距离接近地面。

4.3.1 地面应急救援指挥中心设计

地面应急救援指挥中心软件是煤矿生产管理信息系统的一个子系统，可以方便地和主系统集成在一起，与其他信息系统一起实现实时的可视化管理功能，并与其他系统实现数据共享和互操作。地面应急救援指挥中心软件要完成三大功能：①对串口接收到的数据进行解析和分析处理，并对数据库进行管理；②对串口前端WiFi设备发送控制命令，控制其工作方式；③链路质量报警、环境参数报警和定位等。

4.3.2 井下应急通信系统架构设计

本系统使用分级无线网络的架构，系统由便携式无线WiFi通信设备终端组成。当矿难发生时，搜救人员携带一定数量的个人终端进入巷道进行搜救工作，根据巷道实际情况部署终端设施，注意保持彼此之间的互相连接，从而形成无线骨干网络。而救援人员随身携带的个人终端，则只需要能够和其中任意一个实现通信，即可与地面进行通信。而终端设备之间的通信可以通过WiFi无线实现传输与转发，这样，一套完整的井下应急通信系统就建立起来了。

4.4 中继台设计

救援系统的井下部分中，由于通讯距离问题一般都需要设计中继台．中继台主要起到构建井下指挥中心与个人终端之间中继通道的作用，从而增大无线信号的覆盖范围，延长整个救援系统的通信距离。

构建于井下指挥中心与个人终端之间的中继通道，旨在延长实际的通信距离，该中继台能够通过双WiFi芯片，落实定向天线与双向功放方案，以保证个人终端与指挥中心的双向通讯稳定清晰，从而通过定向天线延长通信距离，中继台的具体设计如图2所示。

图2 中继台设计图

4.5 移动数字视频设计

目前大多数煤矿井下的监控，都是在特定位置安装摄像仪来实现的，若采用WiFi方式，则可以切实提高监控的有效性。其中，WiFi宽带最高能够达到300Mbit/s，其在高码流、高宽带以及高画质的音视频中非常适用，同时还具有超强的抗干扰和抗衰落能力，如果能够应用于矿井应急救援中，即可实现灾害前的监控预防，救援过程中对于井下实际情况的掌控，满足井下救援的可视要求。