无线自组网络在音频电透视探测中的应用

刘耀波，张 军

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

随着煤矿对安全要求的逐步提高，适合煤矿水害井下精细探测的物探技术越来越受到重视，其中针对工作面水文地质探测的音频电透视技术应用范围很广[1-4]。该技术能够适用于井下环境，可以在工作面开采前快速预报地质异常体可能发生位置，最大限度地减少灾害损失，确保矿井安全。

音频电透视施工时，需要在同一工作面相邻巷道的任意位置保持实时通信畅通。随着技术的进步以及煤矿安全标准的提高，传统的通信方式已经被逐步淘汰。在矿井现有条件无法满足音频电透视施工的条件下，一种能够实现巷道任意位置实时通信技术显得尤为迫切[5-9]。

目前相关厂家多是通过LORA、NB-IOT等无线通信技术将地面数据实时发送回云端数据库，而且大多是应用在畜牧业和农业方面，井下地球物理探测领域应用较少[10-13]。因此，设计一种集成多种数据通信方式，开发标准数据接口平台软件，实现井下实时通信的低成本装备势在必行。

随着智慧矿山理念的提出以及物联网技术的飞速发展，若能将无线自组网技术引入煤矿井下音频电透视探测技术，也将是智慧矿山理念的一个重要展现。可以解决现有技术问题，无线通信稳定，必将会引领矿井通信技术的变革。

1 音频电透视探测技术

由于煤矿各种煤(岩)层之间存在电性差异，影响人工激发电场的分布形态。矿井音频电穿透法就是利用专用仪器，在井下观测人工激发场源分布规律，达到解决回采工作面水文地质问题的目的。矿井音频电穿透法是在两个巷道同时作业，在施工过程需要在工作面其中一个巷道布置信号发射仪器与供电电极，同时移动信号发射仪器与供电(发射)电极；在工作面另一个巷道布置信号接收仪器与接收电极，同时移动信号接收仪器与接收电极，对工作面进行以发射点为中心的扇形扫描，达到探测工作面地质异常体的目的，探测施工方式，如图1所示。在探测施工中需要发射端仪器与接收端仪器保持实时通信、保持2台仪器发射—接收信号同步，这就需要能够在井下使用的便携式实时通信设备。

图1 音频电透探测工作布置Fig.1 Layout of audio frequency penetration detection

目前矿井的通信方式多为有线环网、光纤或4G基站等方式，有线方式携带不便，4G基站通信在遇到巷道转弯时通信信号会受到严重影响，因此，这些通信方式都难以应用于音频电透视施工。

2 无线自组网软硬件开发

无线自组织网络具有多跳式无线接力联接、不依赖于基础通信设施、携带方便、成本较低等特性适应井下音频电透视施工。可以用视距联接的方式配置通信节点，实现较好的无线连接。每个通信节点与其相邻的节点通信，降低了通信节点的功耗，采用电池供电，通信系统灵活，便于安装和使用[14-16]。

2.1 系统组成与功能

无线自组网模块具有蓝牙功能，可通过蓝牙与手机APP通信，APP配置无线模块成功后，Mesh结构可实现任意组合无线透传功能，多跳结构可实现低功耗长期运行。具有Mesh自组网和多跳两种模式。Mesh模式实现无线透传，通电后任意模块都可稳定建立无线连接。多跳模式具有低功耗及分支传输特点。自组网络系统硬件组成框架如图2所示。

图2 自组网络系统硬件组成框图Fig.2 Hardware composition of hoc network system

系统硬件主要分为供电模块、接口模块、自组网模块、功放模块和物理模块。①供电模块采用12 V电池供电，电池自带充电电路；②接口模块支持多种接口协议的转换，包括传感器的模拟接口；③自组网模块提供物理层支持，在多跳中继的应用场景下，通过跳频图案切换来保证传输带宽在多跳后不会明显下降；④功放模块包含线性功放和大功率开关，保证足够的通信距离；⑤物理模块主要完成自组网协议配置、自组网网络协调、传感器数据处理、上层应用解析等。

软件应用主要有传感器数据采集、接口协议转换和自组网网络协议，根据需求可以配置为星型网、链状网和Mesh网。

无线终端具备无线、蓝牙和WiFi通信功能，ID等由蓝牙配置；手机可通过蓝牙查看设备状态和配置参数；手机APP可通过设备传输语音信息；终端数据可以通过WiFi、以太网RJ45或蓝牙通信，井下可视环境下通信距离不小于500 m。无线传输模块传输方式如图3所示。

图3 自组网络信息传输方式Fig.3 Information transmission mode in ad hoc network

为了适用于矿井音频电透视探测，无线自组网在传统通信模块的基础上，着重开发了音频模块、无线中继模块、物联网模块及无线终端软件。

2.2 音频传输模块

为了保证井下语音实时通信可靠，首先重点设计研发了无线自组网的音频模块，系统框图如图4所示。音频模块硬件系统是以基于Android操作系统的ARM11平台作为主控制平台，通过主控制平台调度子模块，实现相应的功能。两个不同巷道使用人员的语音信号经过语音模块采集、数模转换、放大滤波后传到主控制台；主控制台进行进一步处理，通过串口控制无线收发模块，实现语音信号点对点实时传输。无线收发模块实现动态无线自组网络的组建、消息收发等任务，使用时只需要通过无线终端触摸屏进行人机交互完成上述操作。

图4 音频模块硬件系统框Fig.4 Hardware system block diagram of audio module

2.3 低功耗无线中继模块

无线自组网络主要由无线中继模块与手持式控制终端组成。中继模块具有对信号的处理和各节点之间的无线通信功能，是数据的接收者也是转发者，通过各节点网络将数据向手持式控制终端发送。

音频电透探测自组网通信技术可以根据矿井下复杂的环境及作业需求布置无线中继模块，达到精确数据稳定传输的目的。无线中继模块是系统的核心，它的运行状态和抗干扰能力都对系统有重要的影响。为了保证通信的可靠性，无线中继模块之间的通信可以随着距离的变化选择不同功率的天线。考虑到音频电透施工的特点，无线中继模块的布置应在探测施工之前进行，只需打开布置的无线中继模块电源，便可利用自组网特性自动建立区域无线网络，为探测工作提供实时通信服务。

基于矿井安全标准的要求、仪器探测施工的特点，需要使用低功耗的无线自组网网络体系。设计的重点是降低无线中继模块的自身功耗，目的是实现以超低功耗工作，完成数据传输。这里采用STM设计的信息采集单元，其功耗为192 μA/MHz，工作电压为1.8 V。实现低功耗的方法主要有处理器多功耗模式以及低功耗软件两个方面。多功耗模式主要是运行、休眠、待机3种运行模式。其中休眠模式时1个计时器工作，功耗为6 μA；待机模式为时钟运行，保存后备寄存器，功耗为1 μA；运行模式以32 kHz频率运行，功耗为10 μA。同时利用低功耗的振荡器与处理器，可大幅度降低工作功耗。

根据矿井音频电透施工的特点，选择适合的无线中继模块通信组网协议，完成无线中继模块网络应用层数据通信协议设计。根据传输距离、通信带宽以及功耗等方面的要求，针对不同通信协议参数特性，对常用的蓝牙、WiFi、ZigBee等无线网络通信协议进行了对比分析[17]，分析结果见表1。

表1 无线通信协议对比Tab.1 Comparison of wireless communication protocols

音频电透施工通常现场环境较为复杂，为了避免使用过程中能耗过高，使系统维持较长工作时间，无线中继模块需要能够安全可靠地工作，且需要具有大规模组网能力。根据对比认为，ZigBee协议能够满足以上要求。

2.4 物联网模块

由于矿井条件及探测施工的特殊性，通信方式需要采用灵活的、不依赖有线的方式。这里采用物联网技术作为无线通信的主要手段，物联网技术集成了网络技术、数据库技术、无线通信和传感技术等多种技术的集合体。根据系统需求，物联网模块功能主要考虑基础功能、信息传输、信息查询、信息录入、导入导出等功能。

基础功能主要是指系统的登录与注销；信息传输指语音信息的实时发送与接收；信息查询指完成用户信息、物联网卡信息的查询；信息录入指通过手持式终端将采集的数据信息录入系统存储器；导入导出指将本地数据或其他信息导入到系统内部，或将系统数据导出到本地。

物联网模块前端采用C#软件开发，该软件开发系统主要包括UML、代码管控等工具。数据库管理模块采用SQL Server 2008 Express，虚拟服务器采用Workstation搭建工具。

2.5 手持终端软件

手持式终端采用防爆智能手机，软件采用Python语言编写，支持面向对象开发，并有底层类库的支持，可以创建对象，具有快速开发的能力。手持式终端管理软件釆用面向对象的方法设计，其软件框架如图5所示。手持式终端管理软件服务器采用OfficeSIP Server3.6，数据库采用SQL Server 2008，这也是数据库管理中常用的数据库版本。

图5 手持式控制终端软件框图Fig.5 Software block diagram of handheld control terminal

无线自组网络工作中主要传输实时语音信息，同时保证井下数据信息。即系统将语音信息传输的信号归类为主级别信号，其余信号归类为次级信号。主级信号具有较高的优先级，当检测有语音信息时切换优先级，保证语音通信的带宽。ZigBee网络通过防爆智能手机与网络中的其他手机通信，包括发送、接收语音通信、文字消息以及数据文件等。

3 功能应用试验

3.1 测试环境

在煤矿井下巷道中，对无线自组网络系统的主要功能进行了测试。测试环境如下：系统管理软件及数据库在防爆智能手机运行，系统的操作系统采用Andriod6.0。每500 m布置一个无线中继模块，在巷道的每个拐弯处布置一个无线中继模块，巷道长2 000 m，切眼宽度300 m，共布置10个无线中继模块，同时需要2台防爆智能手机作为终端控制系统。无线自组网络布置如图6所示。

图6 无线自组网络布置示意Fig.6 Layout of wireless ad hoc network

3.2 功能验证

系统管理软件在注册后，可以查看用户在线状态。在2个巷道的用户同时在线后开始测试系统功能。

测试开始后防爆智能手机系统管理软件可以呼叫另一个巷道的系统管理软件，接通后双方可以开始通话。首先一侧终端发起消息，另一侧终端收到后与其建立联系。类似于对讲机，可以主动向终端发起语音，也可以等待终端发起语音。如果网内有多个终端，可以根据收到的消息的顺序排序，选择先接通哪个终端请求，其他终端继续等待或者重新发起。

通过测试对无线自组网络系统的通信距离测试测试、语音性能测试，验证了系统能实现语音数据包的传输，测试结果达到预期效果。

4 结论

根据音频电透视探测的特点，设计了适用于该施工特点的无线自组网络，通过设计、分析、测试基本达到了预期的功能。

主要分析了矿井无线自组网络的基本构成，主要研究了音频传输模块、低功耗无线中继模块、物联网模块以及手持式无线终端系统软件。通过对自组网络系统关键节点的研究，建立了具有无线连接、双向语音通话、发送和接收文件等多种功能的无线自组网络系统。

由于矿井无线自组网络所处环境的特殊性，不同于其他网络系统，目前这方面的研究还处于起步阶段。还有诸如建立矿井视频实时联系、提高语音通话容量以及其他服务质量等技术难题需要攻克。