WiFi通讯技术在煤矿井下的应用

WiFi 通讯技术在煤矿井下的应用

著者姓名：___________

指导教师：___________

日期：___________

WiFi 通讯技术在煤矿井下的应用

摘要：WiFi技术应用到煤矿井下是一种新的解决矿井无线通讯方案，其主要是发展一种低成本的无线网络，在煤矿有较好的发展前景，文章着重介绍WiFi通讯技术的特点和 WiFi技术如何应用于煤矿井下，实现安全生产及有线、无线结合的信息传递。井下通讯系统是煤矿安全防护及生产调度必不可少的设施，目前我国井下主要通汛为有线方式。由于井下环境差，巷道分布多，干扰信号源多，对无线的发展障碍多，但随着技术发展，近年泄漏技术、小灵通术、无线对讲技术及WiFi技术相继用于煤矿井下。

关键字：WIFI 通信技术无线射频矿井通讯

前言

由于煤炭矿井生产环境的特殊性，井下作业对生产管理有非常高的实时性要求，作为生产管理人员、电机车司机、皮带维护工和其它流动人员应能够与生产调度室及时取得联系，将生产一线的各种情况上报，实现统一指挥统～调度。虽然煤炭企业对生产安全都非常重视，但事故的发生是不确定性的，事故发生后必须依据当时情况，采取果断措施进行处理，对井下人员进行紧急抢救。但井上对井下人员的监控由于受各种条件的限制还很不完善，对于井下人员的情况不能及时反映，导致事故发生时，不能及时、准确的得到井下人员的信息，无法做出正确的决策，以致会造成抢险不及时，有可能贻误对生命的抢救。因而对于现代化的各煤炭企业，实现下井作业人员与调度管理员的实时通讯，使井上人员及时掌握井下人员的动态分布及作业情况，开发建设煤矿井下无线调度通信系统已成为各煤炭企业实现煤炭安全生产调度和保障生产人员安全的迫切需要。由于煤矿井下的特殊性，制约了井下无线通信系统的发展，我国井下无线通信系统一直主要靠引进吸收国外的相关技术，但随着近年来地面无线技术的快速发展以及我国科技研发的不断投入，新型的无线技术越来越多的服务于煤矿井下。目前可用于煤矿井下的无线系统主要有漏泄通信技术、透地通信技术、井下小灵通技术以及W i F i 技术。

1 WiFi技术介绍

WiFi(Wireless Fidlity)又称为802．1l b标准，使用2．4GHz直接序列扩频，最大传输速率为54 bit／s，并可根据信号强弱把传输速率调整为5．5 bit／s、2bit／s及1 bit／s。在2．4 GHz及5GHz频段上免许可，具有成本低、终端便携、宽带等特点，组网系统主要包括无线站点、AP节点及网络服务器，站点和节点问可以实现级联连接或组建局域网，站点可以实现几乎Hub的所有功能。WiFi技术在地面的短距离无线通讯中已有多年的应用，相对其他无线宽带技术来说比较成熟可靠。由于WiFi协议本身限制其设备的功率，使这类设备可以设计成符合煤矿安全要求的本质安全型设备，增加在井下的使用范围，并且可以改变井下无线通讯长久以来一直徘徊在窄频范围的现状，使无线通讯方式在井下得到更多的运用。

2将WiFi技术应用到煤矿井下主要解决的关键技术

(1)节点有线信号远距离传输技术。

(2)节点本安供电技术。

(3)节点无线信号天线及覆盖方式。

(4)手持机本安处理及电池安全保护技术。

(5)适应井下工业以太环网传输的信号节点技术。

(6)系统组网方式及拓扑结构研究。

3宽带无线通讯系统设计思路及工作原理

整个系统以WiFi无线网络和TCP／IP协议为基本架构，以矿井工业以太环网为整个系统的主干传输平台，形成有线主干与无线终端相结合的方式，覆盖矿井部分或全部巷道及地面相关区域，最终实现煤矿宽带无线通讯。系统工作原理简单来说就是位于地面的管理主机通过交换机为进入到无线信号覆盖区域的每一台手持机分配一个IP地址，并自动为其在管理软件中注册，将数据存人数据库。注册后的手持机即可正常通话。呼叫时节点收到手持机发出的无线信号，并将其调制打包后通过矿J}j嘲络交换机送到地面管理主机，经软件处理后又经矿用网络交换机送到覆盖被呼叫手持机所在区域的节点，呼叫目标手持机接收信号后经过振铃提示并调制成语音给与持机者，完成一次通话。期间所有经软件处理的数据都会存人

数据库作为查询依据。

系统数据流程示意图如图1所示。

图1系统数据流程示意图

4 系统主要设备的设计原理

4．1信号节点

信号节点采用有线方式与网络交换机连接，主要包括IP信号调制电路、无线射频信号调制电路、电源部分j天线等主要组成部分。IP信号调

制电路主要作用是将IP信号经调制后，使用载波进行远距离传输，或者反之。信号调制电路采用模块化设计技术，分为处理器单元、调制解调单元、IP协议转换单元、电源电路单元等组成。具体结构如图2所示。

图2系统结构

4．2无线射频电路

无线射频信号调制是系统的重点。采用了WiFi、IEEE 802．3以及IEEE 802．3u标准，支持CS．MA／CA，CSMA／CD，TCP／IP、DHCP，ICMP，NAT协议。

WiFi定义了用于无线局域网(WI。AN)进行通信的物理层和媒体访问控

制(MAC)子层。系统采用了其中的IEEE 802．11g，在物理层采用2．4GHz

的无线频率，最大的速率达54 bit／s。在数据链路层的MAC子层，使用

了“载波侦听多点接Ⅳ冲突避免(CSMA／CA)”媒体访问控制(MAC)协议。与

有线连接部分采用了IEEE 802．3，因为节点是无线和有线兼顾，所以需

要支持802．3。802．3描述了物理层和数据链路层的MAC子层的实现方法，在多种物理媒体上以多种速率采用CSMA／CD访问方式，对于高速以太网该

标准说明的实现方法有所扩展。而IEEE 802．3U则是100 bit／s以太网

的标准。

4．3天线设计

天线作为无线设备的信号收发部分，直接决定无线设备的通讯能力和

使用方式。信号节点的天线设计借鉴了GSM、CDV～等公共信息网对隧道、

楼宇的覆盖经验，选用了旁瓣电平低、波瓣窄、前后比高、方向性强的背

设天线，并根据实际情况设计了抛物面和栅状背板两种结构，其中抛物面

天线直径较小，增益较高，覆盖距离远。栅状天线具有较高的抗风能力，

适用于矿井风速较高的位置使用。

4．4手持机的电池保护

锂电池保护电路图如图3所示，该保护回路由两个MOSFET(VI、V2)和

一个控制IC(N1)外加一些阻容元件构成。控制Ic负责监控电池电压与回

路电流，并控制两个MOSFET的栅极，MOSFET在电路中起开关作用，分别

控制着充电同路与放电回路的导通与关断．c3为延时电容，该电路具有允

电保护、放电保护、过流保护与短路保护功能。

图3锂电池保护电路

5系统管理软件