基于Wi-Fi技术的矿井无线通信系统设计与实现

张舜标

(广东农工商职业技术学院,广东广州 510507)

煤矿生产中矿井无线通信技术是保障安全生产必不可少的实施,以往国内的矿井无线通讯主要采用有线通讯,而由于井下环境复杂,干扰通讯信号的因素多,且才采用有线通讯须要大规模布网,成本较高,为提高井下通信质量,实现井上井下的快速实时通信,无线通讯技术被应用于矿井无线通讯中。Wi-Fi技术是一种短程无线传输技术,为当前无线通讯技术研究的热点,将这一技术应用于矿井通信系统中,对促进矿井无线通信的发展有着重大的意义。

1 Wi-Fi技术简介

Wi-Fi(Wireless Fidelity)即是无线局域网,俗称为无线宽带,是IEEE802.11b的别称,为一种短程无限传输技术,可在数百英尺范围内支持互联网接入无线电信号,从提出到现在在电信业和IT行业中引起广泛的关注,目前Wi-Fi技术在全球范围内有着广泛的应用,用户量巨大。

Wi-Fi是由AP(Access Point,网络桥接器)和无线网卡组成的无线网络,AP在媒体存取控制层MAC中被当做传统有线局域网络与无线局域网络之间的桥梁,在装有无线网卡的PC机分享有线局域网或广域网络资源时,工作原理相当于一个内置无线发射器的HUB或路由,无线网卡则是Client端设备,主要用于接收AP所发射的无线信号。Wi-Fi具有无线电波覆盖范围广,传输速度快的优点,与有线网络相比,其最显著的优势为无需布线,不受布线条件的显著,成本较低、使用方便,且可以通过连接实现局域网建设,是世界公认的高速无线通信技术。

图1 基于Wi-Fi技术的矿井无线通信系统

2 Wi-Fi在矿井无线通信中的应用优势

Wi-Fi技术具有的通讯距离长、覆盖面广、通信质量高,可传输数据和图像的优点使得其在矿井无线通信中有着较高的性价比。在矿井通信系统中使用Wi-Fi技术可扩充通信距离(直巷道可覆盖500m),弥补以往矿井通信系统中使用的各种技术在距离上的不足,且可做成本安型产品,可利用工业以太网搭建平台,不受信道限制,可支持大量用户同时使用,Wi-Fi协议的开放性还使得任何符合其标准的终端设备都可方便地接入,在矿井无线通信系统中与其他技术相比有着显著的优势。

3 基于Wi-Fi技术的矿井无线通信系统

3.1 系统设计思路及构成

本系统以工业以太网作为运行平台,利用Wi-Fi技术进行无线覆盖,以IP方式接入组网,将有线和无线进行结合,实现矿井无线通讯,有线部分采用光缆和百兆网线方式,以保证语音、数据、视频等多种数据流的实时传递,利用网关设备实现与PSTN有线网络的无缝连接,系统主要由井下交换机、地面交换机、地面基站、无线传感器、扩展服务器及终端、无线通讯系统服务器、网关设备、PSTN网络、具备Wi-Fi功能的通讯设备和本安无线基站及其配套设备等组成,系统结构如下图1所示。

3.2 系统工作原理

在此系统中,地面无线通讯系统服务器、地面基站和具有Wi-Fi功能的手机置于同一个IP网段中,采用IP接入方式。由服务器为进入到无线区域的每一台手机分配一个IP地址,并将这些信息在管理软件中进行自动注册记录,数据存入数据库中,完成注册后的手机可和井下工作人员进行通话。通过网关设备,将无线系统与调度电话交换机进行连接。

在进行呼叫的同时手机发出无线信号,这些无线信号被调制打包后经过通过地面交换机传输到地面主机,通过有数据库的管理软件分析后,经过地面交换机和工业以太网送到覆盖被呼叫手机所在区域的基站,被呼叫手机收到信号后,通过振动或铃声提醒给持机者,并调制成语音,完成一次通话,被呼叫收集在通话过程中,软件处理系统对其进行数据处理,将数据存入数据库。

3.3 系统设备

(1)地面交换机。地面交换机为中心交换机,主要负责连接局域网与井下环网,实现井上与井下的数据交换。在基于Wi-Fi技术的矿井无线通信系统中,地面交换机的选择十分关键,为满足网关设备与工业以太网的需求,选择网管型工业以太网交换机,交换机最少应可支持3个千兆以太网端口,以用来组建千兆TurboRing和级联或RingCoupling,同时还应支持多种智能化网络管理功能。(2)井下交换机。井下交换机主要负责组建井下光纤环网,由于井下环境较为复杂,井下作业时可刮断光纤,组间井下局域网时采用具有很强自愈能力的环网方式以保证系统的稳定可靠运行。(3)手机终端。具有Wi-Fi功能的手机中内置无线模块,可将与AP进行无线数据交换和收发的各种音频信号形式的信息数据转换为数字信号,手机功能与普通手机一样具备来电、信息状态显示,来电铃声提醒、查看已拨、未拨、已接、未接来电等功能,实现点对点的短信群发、互发、转发,同时具备计算器、日历、时间显示等常用工具功能。手机号码采用闭锁编号方式,有密码保护功能。手机电池由阻容软件组成,这些阻容软件分别控制手持机充放电的导通和开关,对手持机的充放电过程进行保护,防止电路出现短路、过流等情况。

3.4 网关设备

网关设备主要用于实现有线与无线的无缝连接,选择网关时根据用户有线系统交换机的具体类型选择模拟语音或数字中继网关,前者可直接接入PSTN网络,后则采用E1方式接入。

4 系统功能

矿井无线通信系统的开关控制,由该系统的管理员通过系统开关的启动和关闭对其进行能力控制,管理系统能力,而且该系统可以显示主机的配置和运行状态。

矿井无线通信系统中的注册功能,在主机上可以显示注册的信息,在注册的同时数据库会自动的同步信息,将数据库中的信息进行更新,主机管理员可以进行手动的信息添加和删除。

手持机通话状态的显示能力中包括了通话号码、通话者、通话时间、通话状态等,而且手持机具有拨号权限的设置功能,可以设置优先通话、呼叫转移、呼叫限制等,并且可以对号码进行监听和录音。通话记录中,记录着一定时间内的通话记录,包括了通话时间、日期、号码、时长等信息。

无线通信系统中参数设置中包含了:该系统的基本参数设置、配置设置,管理员系统登陆权限和密码的修改等。

5 结语

Wi-Fi比起其他无线通信技术有着显著的技术优势,其传输的速率更快、构建方法更为简单,业务更加丰富,是当前及未来很长一段时间内的主流无线接入方式。文中介绍了基于Wi-Fi技术的矿井通信系统的设计与实现方法,在实际工作中,仍应不断深入研究,不断地将现代先进技术应用到煤矿通信系统中,从而更好地提高矿井无线通信水平,保障煤矿安全生产,促进煤矿进一步持续良好发展。

[1]王燕.井下移动通信系统中Wi-Fi技术探讨[J].煤炭技术,2012,31(10):238-239.

[2]孙维.基于Wi-Fi技术的矿井无线通信系统的设计与应用[J].煤矿安全,2010,41(4):87-89.

[3]杨娟,郭江涛.WiFi通讯技术在煤矿井下的应用[J].煤矿安全,2008,39(2):49-51.

[4]孙元山,李晓刚,崔宏明,等.基于Wi-Fi技术的井下无线语音通信系统[J].煤矿安全,2010,41(7):109-111.

[5]邹宝娟,谭文群.基于WiFi的矿井通信系统研究[J].科技广场,2010,(8):115-117.