基于WiFi 技术的井下无线通讯系统在工业以太网上的应用

◆毕道玲

（淮北矿业集团临涣煤矿 安徽 235000）

我国煤矿井下光纤环网技术已经相对比较理想，但是由于矿井巷道自身具有较为独特的复杂性，而且一些因素会不断出现变化，这也使得井下的一些区域在布线的时候具有一定的难度。所以，在井下相关区域设置无线WiFi 通讯设备具有一定的优势，其自身可以采用AP 进行无线终端数据采集，这样有利于更好数据进行储存，从而实现全面的处理与分析，这样能够有效克服当前有效传输在矿井各方面造成的干扰，从而避免光纤受到的影响，减少其自身带来的问题。

1 系统组成架构与功能

该系统组成一般包括井下和地面两个部分，请加部分包含人员定位设备以及无线通信设备和视频采集设备，在具体过程中还需要众多的设备进行支持，这样有利于工作更好展开，具体可以参考下图1。

图1 WiFi 通讯系统框架图

救生引导紧急广播但是在突发事件时，可以通过其独特的形式做好分析，同时还能将预案语音文件进行快速引导，这样可以实现与警报的有效对接，从而实现警报联动的功能。

视频+语音的多媒体通信可以有效实现视频调度和语音调度，这样能够将多种监控模式进行有效结合，同时还能形成现场画面的自由切换与调度，以此实现远程控制的形式，而且还能够支撑当前现场环境的监控以及生产的警告等功能。

关于井下定位，一般都是由WiFi 终端和井下WiFi 形成，通过基站进行调度，然后在经商中心进行定位，从而通过平台组成对应的定位系统，其自身具有人员管理、考勤、定位以及紧急通知等功能。

通话录音是一项独特的系统，通过有效的方法记录整个作业的过程，这样有利于任务的下达和信息的手机，这样的情况下形成了信息统一处理和结合，从而为后续的工作提供较好的经验，并形成良好的依据。

双机热备，热度终端可以实现注册，同时还能将其做好各项工作，这样有利于实现调度设备最佳的运用，以此保证井上和井下的最佳通信形式。调度员可以通过拨叫号码的形式发起会议，允许用户通过手机或是其他智能终端融入到会议，这样有利于更好做好现场指挥，同时也不需要调度台前的一些情况，从而形成对应的决策，这样有利于各项工作的有效展开，而且该功能还能防止一些其他非授权人员随意开启会议，手机和固化也可以作为当前的智能终端，这样可以提高整体的可用性和兼容性。

紧急呼叫，系统其自身具有一定的优先预备能力，在紧急状况发生时，可以通过不同的资源做好保障，同时还能确保线路的运用，这样可以最大程度的确保应急通讯的顺畅。

2 人员定位与语音通信系统

目前人员定位通常都是采用2.4GHz 的无线RF 芯片形成的，这一类芯片在传输的过程中运用的传输宽带相对比较小，这也导致标识卡片只能通过发送自身的ID 显示少量的数字信息。在当前WiFi 自身技术的结合下，可以实现系统的整合，具体可以参考下图2。

图2 带语音功能的WiFi 收发信机框图

（1）定位原理以及实现方法

利用RSSI（接收信号强度）来实现定位的算法相对比较多，采用具体模型算法时，需要明确信号强度与距离之间的关系，从而形成对应的公式，同时还要明确接收信号与其自身的距离，以此形成AP 之间的距离，其中要明确接收信号的功率为dBm，并明确其自身为常数，这样能够实现自由空间的损耗系数了解。

定位实现：通过标识卡发出对应的信号并由AP 接收，这样能形成有效的对接，以此实现卡值的计算。

（1）AP={a1，···，an}其自身代表了全部的节点，而且ai指代第n个信号接收，其中1≤i≤n。

（2）A={0，1}，其神代表节点的各个阶段和对应的状态，而且其状态通过1 和0 的形式进行表达。

（3）R={Ra1，···，Ran}其自身代表了不同节点之间的结合，其中节点ai的收益表示为1≤i≤n。

（4）RSSI={Wai，LWan}则对应的表示全部节点，而且其自身具有能量合集，在任意一个节点中ai中，其主要的能量参数为Wcostai∈Wai、Wreaminai∈Wai，其中前者代表节点所消耗的能量，而后者则表示节点剩下的能量。

（5）AP 节点的数据传输具有一定的概率性，其中Paiaj∈P，同时其自身也代表一个节点，在朝向aj 进行转发时，节点ai 对应的转发概率为1。

在对应的对应的条件下某个节点可以通过广播将自身的信息进行传输，同时还能传输给邻接点，通过这样的方式获取全局的节点信息，在整个过程中需要对节点进行分析，而且在传输的过程中会形成一定的能量，所以在进行传输时候需要确保其自身的能量，在对其进行剩余能量的调节。

在信号的接受通过对节点分度以及垂直分量进行分析，还应该做好相应的考虑工作，在结合节点坐标以较好的形式进行表述，可以以（x，y）进行表示，以（x0，y0）作为源点坐标，能够得出（xe，ye）的节点坐标。

为了弥补无线信号的不稳定性，应该将 d 作为最终距离，然后通过有效的方式获取对应的公式AP=πr22-r2，，mq=S’/（πr2）=（πr2/2-r2）进行验证，从满足条件（x-x0）2+（y-y0）2≤（xe-x0）2+（ye-y0）2并且（x-xe）2+（y-ye）2≤（xe-x0）2+（ye-y0）2，其自身形成节点的集合。

在满足上述条件的参与节点结合为Mp=丨Ap丨，其中Ap=AqIAc。

在当前最初的环境下，Ai 表示的是位于节点i 通信范围的全部节点，在组网阶段，节点可以通过广播将自身的节点进行信息传播，这样能够为模型网络性能进行全面分析，假定在最初的条件下为了能够进行信息传播节点转换，为[Wcost1，Wcost2.···，Wcostn]，Wcost1≈Wcost2≈···≈Wcostn。考虑到其自身的节点自身具有一定的一致性，因此，在消耗[Wcost1，Wcost2.···，Wcostn]后各节点的剩余能量基本相同，因此，信号接收消耗是可以忽略不计的。

（2）语音采样及编解码

根据当前对语音构成的分析，多采取不同的音频好进行解压，一般会用到CELP、RELP、VESELP、MP 等，通过不同的算法，实现音频信号的压缩。这些压缩编码算法在压缩率和语音质量上各有千秋，其中美国相应的公司表示采取有效的对应解压编码算法能够实现较好的整合，这样可以确保AMBE 的整体特率，从而确保高质量的语音算法，这也是当前语音音质编码速率的最大优点，其中AMBE-1000 是一款高性能的多速率的编码语言，其自身的语音编码调节速率高达2400-9600bit/s 内，并且以50bit/s 的间隔变化实现改善，及时在2400bit/s 时，仍然能保持自然的声音质量和语音调控。在芯片内部能够形成互相独立的语音编码单元和解码单元，这样可以实现芯片的内部完成，而且不需要其他的设备支持。

3 工业以太网

工业以太网是指技术上与商用以太网的融合，在产品设计的过程中需要结合实际情况做好产品材质的选择，同时还要明确产品自身的强度和实用性，这样能够满足当前多方面的工业现场需求。工业以太网是将以太网应用于工业控制和管理之中。工业以太网的融入可以整合当前一些环形技术，从而形成最为先进的玩过技术，这样能够确保相关的煤矿数据以最佳的效果进行传输，以此提高整体的可靠性和实效性。当前系统下的设定子系统可以为他们进行改善，而且系统通过选用赫斯曼千兆交换机可以实现较好的调整，一般情况下会由2 台MACH3000 作为核心交换机，其中每个子系统交换机需要采用2 台MS4128 作为主要交换机，这样可以采取RS30 作为交换，同时还能实现环绕的光缆形式，以确保其自身的设定，并在相应的基础上实现较好的改善，以及确保工业以太网的有效运用，同时还能全面提高其整体的速率。

不过目前来看，以太网的应用还存在一定的不足，具体体现在以下几个方面：（1）在具体的开展过程中大部分厂家提供的都是交换机光口，而当前一部分千兆工业的以太网交换机智能提供电口。（2）现有的工业以太网已经接入网络摄像仪以及变电信息集成等功能，从而形成对应的系统，在介入后需要采取有效的方法避免存在的干扰问题。（3）部分交换机电口虽然拥有，但是没有较好的办法接入。（4）如何实现系统和生产以及形成电话的胡同是当前的重点。

针对上述的问题解决方案有以下几点：（1）利用光纤收发器，不过利用光纤收发器其自身需要提供发器电源，而且光前熔点相对较多，可能会给后续的工作带来极大的影响，光前收发器占据的空间较大。（2）改变当前的无线通讯交换机，并将其接口进行更改，将其接口变为电口。而且在具体的开展中需要做好思考工作，需要结合实际情况将VLAN 口进行划分，可以将其分化为“1”信息采集和化集控，这样可以更好的用于生产系统和传输。“2”将其有效应用于井下无线通讯系统以及安全语音广播系统之中。“3”用于视频和井下各变电所，一般是生产中的重要区域，可以实现监控。（3）增加耦合器的合成方法，先将入换网交换机的光缆进行抽出，然后放入对应的设备，这样可以实现无线通讯，并将其融入到设备之中，从而通过设备实现整合，再将其融入光缆之中，这样不仅能够解决当前光缆的问题，还能改善其自身存在的问题，不过其缺点是只能使用光纤收发器。（4）将网关设备与程控交换机进行衔接，再利用数字中继器进行连接，通过相应的SIP 协议，实现了无线通讯系统的衔接，从而形成对应的行政电话和生产电话互相联通。

4 监测监控系统

目前煤矿井下的各种CH4和CO 以及O2，都会采用传感器进行接收，一般情况下都采用频率信号进行输出，多采用200-1000Hz，现有的系统都是将各种传感器接入监控分站之中，再由监控分站传输至地面中心，这样能够确保其有效的传输，同时还能节省一定的设备成本，而且传感器数据通过2km 的传输引入电磁干扰，能够给系统形成一定的改善，从而确保其自身的不确定因素。因此，在具体的开展需要增加一个WiFi 模块，再将传感器数量融入网络之中，这样有利于将传感器的数据以WiFi 的形式传输给附近的AP 热点，以此形成对应的监控效果。

5 移动数字视频

现有的煤矿视频监控系统都是在井下特定的位置进行安装，然后在固定的区域使用摄像仪器，通过这样的方式实现衔接，而且这种方式采用的WiFi 是十分高效的，再采用胶带的巡查摄像仪进行衔接，以此实现移动视频的采集。视频图像传输无线化打破了传统电缆和光前的限制，从而解决当前硬件连接不利的局面，其自身具有较好的灵活性和方便性，而且网络传输最高速度可达到300Mbit/s，能够适用于高差运输、高码流、高画质的音频，而且在抗干扰等方面也具备一定的优势。

综上所述，现阶段组建工业以太网无线通讯系统尤为重要，而且还需要重视其WiFi 系统的建立，这样能够实现无线通讯系统与行政电话的胡同，在当前数字化时代的背景下，应该总是信息化矿井的建设工作，同时还要采取有效的方法做好衔接，以此确保无线网络平台的稳定性，并发挥其自身的重要意义。不过目前来看，由于多方面的问题导致其自身的使用不够理想。因此，相关人员应该给予一定的重视，并采取有效的方法做好改善，以此形成全面的规划。