矿用救援通信系统多终端蓝牙同频干扰方法

2020-08-21孟庆勇

煤矿安全 2020年8期

孟庆勇

（1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京100013；2.煤矿应急避险技术装备工程研究中心，北京100013；3.北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京100013）

煤炭作为国民经济中极为重要的基础能源，在工业生产中占有极为重要的地位。随着煤炭开采规模的扩大和煤矿生产过程的不断加快，煤矿安全问题逐渐进入人们的视野。由于开采环境、地质条件等方面存在差异，我国煤矿灾害事故总数略高于发达国家水平，煤矿安全生产形式依然严峻，因此开发高效、实用的煤矿安全应急救援系统对于煤矿安全生产具有重要的意义[1-3]。

当矿井发生事故时，救援一线人员将深入井下，直接面对危险环境，因此可靠的无线救援通信十分重要。目前井下无线通信和数据传输主要依赖于Wi-Fi 技术、Mesh 多跳通信技术以及蓝牙技术。应急救援指挥系统主要由矿用本安型摄像仪、矿用本安型骨传导听说器、矿用体征参数传感器、矿用数据采集终端、矿用无线基站等组成，救援队员将携带上述设备下井救援，并通过矿用无线基站搭建通信链路进行井下救援数据的实时传输。救援队员携带的数据采集终端需实时采集搜索范围内生命体征数据，并通过矿用无线基站将所采数据上传至救援基地。在这一过程中，控制命令将通过Wi-Fi 链路中心节点发送到采集终端RFD[4]。采集终端如果接收到一定信号强度的命令后，将会与系统建立链路，实现数据传输、指令分配，也可以控制救援设备、运输小车的前进、后退和停止。当采集终端接收到的信号强度有限，则系统将断开该链路并对链路节点重新投放，完成该操作后将重新与采集设备连接，继续进行救援操作。由此可见，基于Wi-Fi 技术的无线救援系统对于Wi-Fi 模块的稳定性具有较高的要求，其性能将对救援产生直接影响[5-7]。实时、有效、抗干扰能力强的无线传输手段对于救援人员的安全、救援数据的采集和上传以及救援过程的实时把控都起着至关重要的作用。

煤矿灾后的事故现场环境往往十分恶劣，由于巷道会受到不同程度的破坏，使得巷道结构不利于电磁波的传播，无线信号在多次反射之后强度衰减较为明显。其次，巷道中悬浮的煤尘和瓦斯容易对信号造成干扰，信噪比无法保证，通话和传输质量可能会受到影响。另外，重新建立新链路所花费的时间较长，对无线通信的效率产生了限制[8-9]。基于上述问题，研究人员提出了Mesh 多跳通信技术来改进无线应急救援系统。结合矿井特点，Mesh 技术结合使用骨干路由节点和中继路由节点，并引入多频率通道提高多跳子系统的容量。地面无线基站和井下中继基站通过井下以太环网进行有线连接，该部分通过有线网络完成应急指挥相关工作。井下配置监控主机，通过RJ45 接口接入地面交换机。数据采集终端和体征参数传感器在救援过程中移动性较大，故采取Mesh 多跳的无线通信方式[10-12]，而体征参数传感器数据上传采用蓝牙的通信方式，该系统运行较为可靠，但是蓝牙和Wi-Fi、Mesh 网络属于同频段的协议，蓝牙掉线后重连自动扫描可能会造成同频段的Wi-Fi 信号质量降低，同频干扰的问题不可避免。

针对基于蓝牙传输的矿井应急救援无线通信中出现的同频干扰问题，介绍当前主流的井下无线传输方案的原理，并且分析其在实际应用中的局限性，随后提出一种解决多终端蓝牙同频干扰的方法，用于消除蓝牙传输数据的过程中容易产生的干扰行为，通过阐述原理和工作过程，以及对比分析实验结果，说明该方法的可行性。

1 蓝牙技术在矿用无线通信中的应用及问题

1.1 蓝牙技术在矿用无线通信中的应用

目前大部分煤矿现有的应急救援指挥系统中用来监测救护人员身体状态的矿用体征参数传感器与矿用数据采集终端之间通过蓝牙传输信息。蓝牙技术成本低、功耗小，用于短距离传输极为合适[13]，基于Mesh 多跳和FHSS 技术的无线通信系统结构如图1。但是当某一地点聚集多名救护人员时，不同救护人员携带的矿用体征参数传感器与矿用数据采集终端之间的就会产生传输干扰问题，影响身体状态信息的高效、实时监测。

图1 基于Mesh 多跳和FHSS 技术的无线通信系统结构Fig.1 Wireless communication system structure based on Mesh multi-hop and FHSS Technology

蓝牙技术基于无需授权并全球通用的2.45 GHz 开放频段。在传播特性方面，蓝牙信号相比于传统红外无线传输受障碍物阻挡的影响更小，因此在井下较为复杂的环境下具有更大的传播优势[14-15]。2.4 GHz 频段专用工作扩频电话通信试验表明，功率100 dBm 的蓝牙信号有效传输距离为100 m。通过在现场布置若干个蓝牙接入点（AP：Access Point）并将有线和无线相结合，可以有效克服蓝牙传输距离较短的弱点。另外蓝牙标准定义12.5、100 mW 3种功率级别的无线发射器，同时，蓝牙支持Hold 模式、Park 模式、Sniff 模式等节能工作模式，可以显著地降低矿井电耗，降低经济成本。

1.2 问题分析

一般而言，对于蓝牙信号的干扰存在2 种情况：弱信号接收干扰和同频干扰。

在通信系统中干扰和噪声不可避免，对于功率较小的蓝牙信号而言这种效应更为明显。通信中常用信号的超越干扰值H (简称超扰值)来表征信号所必须的相对强度：

式中：Ps为信号功率应；Pn为噪声功率，信噪比定义为Ps/Pn。

另外1 个指标为信道超扰值Hk：

通过信噪比的定义可以看出，通信的可靠与否和信噪比的值成正比。在井下若希望解决弱信号接收干扰的问题，其基本途径可从以下3 方面考虑：

1）提高发射功率Ps以提高信噪比，用功率换取可靠性。但鉴于井下特殊的环境以及防爆要求，功率提高有一定的上限值。

2）增大发射信号的带宽，用带宽换取可靠性。但是增大带宽的一个结果是频率干扰的产生。

3）延长发送信号的持续时间，用时间换取可靠性。通过减小信号的有效带宽和接收机的通频带减少噪声干扰的效果。

2 基于跳频解决多终端蓝牙同频干扰的方法

基于蓝牙同频传输中的干扰问题，提出了一种用于解决多终端蓝牙同频干扰的方法，实现了矿用体征参数传感器与矿用数据采集终端之间的高效、实时传输。

在该方法中，系统硬件包括矿用体征参数传感器、矿用数据采集终端与矿用无线基站，其中矿用体征参数传感器与矿用数据采集终端相连，其连接方式为蓝牙；矿用数据采集终端与矿用无线基站相连，其连接方式为Wi-Fi，根据蓝牙建立的连接结构图如图2。

图2 根据蓝牙建立的连接结构图Fig.2 Establish connection structure chart according to Bluetooth

当数据采集终端监测到与体征参数传感器开始连接或者开始数据传输时，获取所述体征参数传感器当前的频道信息，并将所述频道信息发送给矿用无线基站，矿用无线基站根据所述频道信息从蓝牙频道列表中查询体征参数传感器当前的频道状态，并将频道状态反馈给数据采集终端。当频道状态为占用时，数据采集终端控制体征参数传感器更改频道。更改频道可采用跳频方式，即当前频道已被占用时，数据采集终端将经过无线基站查询当前的蓝牙频道状态表，根据蓝牙频道状态表按顺序递增搜索未占用的频道。

跳频传输工作流程如图3。

图3 跳频传输工作流程Fig.3 Work flow of FH transmission

建立连接的具体工作流程如下：

1）当救护队员的矿用体征参数传感器与矿用数据采集终端开始连接时，矿用数据采集终端将该连接所采用的频道传递给矿用无线基站。

2）矿用无线基站查询的蓝牙频道状态表，蓝牙频道状态表见表1。查看该频道是否已经被占用，并将结果返回至数据采集终端。

表1 蓝牙频道状态表Table 1 Bluetooth channel status

3）若返回结果为被占用，则数据采集终端则控制蓝牙通信模块跳频；更换频道后，重复步骤1）、步骤2）。

4）若返回结果为未占用，则矿用生命体征传感器与矿用数据采集终端建立连接，并将蓝牙频道状态表中的对应频道状态更改为占用。

5）当救护队员的矿用体征参数传感器与矿用本安型数据采集仪断开连接后，将蓝牙频道状态表中的对应频道状态更改为未占用。

3 验证测试

3.1 实验场景搭建

应急救援通信系统在井下进行现场测试时，更多情况下需要跳频来步进地寻找未占用的频道。跟踪了5 位救援人员在同一地点附近进行救援的场景，矿山应急救援系统示意图如图4。

图4 矿山应急救援系统示意图Fig.4 Schematic diagram of mine emergency rescue system

在井上布设监控主机，通过RJ45 接口接入地面交换机，在井下巷道处依次布设10 个无线基站至灾变现场，基站与基站之间的距离≥1 000 m，遇到巷道拐弯处，为提高通信的质量，需增设1 个无线基站，快速建立1 条应急传输通道；5 名救护队员下井时将体征参数传感器绑在各自胸部中央，每人携带1 个数据采集终端，使用数据采集终端内置蓝牙设备读取救护队员心率、体温、姿态等生命体征信息，体征参数传感器同时通过无线蓝牙连接数据采集终端，并与井下和地面调度中心进行数据传输。

当需要跳频传输时，实验处理流程为：

1）当5 名救护队员的矿用体征参数传感器与矿用数据采集终端建立连接后，矿用无线基站接收到蓝牙占用的频道信息。

2）矿用无线基站通过比对蓝牙频道状态表，查看占用状态。

3）若频道占用，数据采集终端对蓝牙进行跳频处理，并根据步骤1）、步骤2）进行状态的再次确认。

4）若频道未占用，蓝牙连接正常，并将蓝牙频道状态表进行更新为占用。

5）连接断开后，将蓝牙频道状态表进行更新为未占用。