无线通信技术及其在煤矿井下监测系统中的应用

无线通信技术及其在煤矿井下监测系统中的应用

【摘要】随着我国经济的飞速发展，煤炭能源消耗日益增大，而煤矿井下环境日益复杂，为扩大煤炭产量、保障生产安全，对通信系统的功能和技术要求也越来越复杂。无线通信、数据通信在煤矿生产上的应用也逐渐增多，组网复杂性也不断增加，这些要求的提出，迫切要求矿井通信及监测系统提高档次，增加功能。像张集矿年产量达1000万吨的大矿井，对通信的要求更高。本文对目前各种无线通信技术在煤矿井下应用情况进行对比，并针对WIFI无线局域网技术对井下监测系统的构建问题进行探讨。

【关键词】通信技术；煤矿；井下监测；WIFI无线局域网

根据产煤量的不同，煤矿一般分为特大、大、中、小型矿井，产煤量越高，配套规模越大，生产系统越复杂，对通信的要求越高。井下无线通信系统作为生产管理人员、电机车司机、皮带维护工和其它流动人员的主要通信手段，井下无线通信系统保证了这些人员能够与生产调度室及时取得联系。它具有安装快捷，能在较短时间内形成局部移动通信系统的特点。系统能与矿井行政、生产通信系统实现组网，特别是当井下发生紧急情况时，可为井下提供能及时与地面联系的工具，对抢险的组织非常有帮助。

1 各种无线通信技术在煤矿井下应用情况对比

1.1 PHS（俗称矿井小灵通）

PHS技术符合国际电信联盟标准，有国家电信公网商用运营的历史，是目前全球四大移动通信标准之一（GSM/CDMA/3G/PHS）。PHS无线调度系统是最早应用到井下的双工保密无线语音通讯产品，系统采用一体化结构设计，广泛采用FPGA、DSP等先进的硬件技术，软件系统基于模块化设计，采用数据驱动技术实现系统的灵活配置，逐级分布式控制体系，系统容量和业务功能可根据用户需求灵活配置。实现矿区移动通信网与公众移动通信网的汇接联网.实现了矿区移动用户、固定用户的统一调度和指挥，是目前井下无线通讯的主要应用产品之一。

1.2 SCDMA（俗称矿井大灵通）

该技术不符合国际电信联盟标准，没有在电信公网和企业专网中大规模应用，属于通信行业的边缘技术，与其配套的手机、元器件等附属产业链非常薄弱，相关的产品生产、技术研发与工程服务人才部较少。从技术角度，SCDMA在煤矿使用有如下局限：（1）为解决井下使用问题.避免昂贵的大蜂窝基站在井下多点安装分布组网，SCDMA采用泄漏电缆通讯方式进行矿井坑道覆盖，但是，泄漏电缆对信号的衰减非常快；（2）由于整个矿井的无线通讯依赖一个或几个定点放置的大功率基站，所以，手机定位也只能固定在这几个基站位置上，矿工移动位置跟踪无法实现。

1.3 矿井无线数字对讲

该技术在传统的企业专网无线通信市场中应用非常广泛，配套的产业链也很完备，由于它具有很强的产品成熟性、可靠性和用户实用性，以及极好的价格优势，所以，该产品作为煤矿通信行业的非主流技术，在矿井通信领域长期存在。但由于采用手持机点对点或点对多点广播通信方式，使得应用范围受到限制：（1）无法实现企业大规模移动通信组网和手机全双工保密通信；（2）无法与企业原有用户固话交换和电信公网互联互通；（3）业务信道少、覆盖范围小、手持机功率大、不环保、通话安全性差等。

1.4 WIFI（矿井无线局域网）

WIFI（WirelessFidelity）技术，归属于国际电信联盟ITU，为短距无线宽带数据传输，定位为非移动的无线宽带数据通信，主要应用于WLAN无线本地局域网市场，即无线网卡和无线网桥。

基于WIFI技术的矿井无线通信系统具用通信容量大、通信质量高、可无线传输数据及图像等独特优势.具体表现在以下几个方面：

（1）系统可服用井下以太网平台，不需要铺设独立线路.节省投资。

（2）不仅能实现语音传输，还能满足视频数据传输的需要。

（3）通过开放的协议.可方便接入任何WIFI协议标准的设备，实现矿井各种系统数据无线传输。

（4）系统区别于传统无线通讯类设备，不受信道的限制，可通过高带宽支持大量用户同时通讯。

（5）系统采用本质安全供电和通信设备本质安全的方式，在回风区域和工作面实现了不受危险状况影响，全天候的无线通信。

（6）频率工作在特高频2.4GHz，抗干扰能力强，且为公共开放频段，符合国家无线管理相关规定，不存在频段使用限制问题。

2 基于WIFI无线局域网技术的井下监测系统构建

2.1 矿井工业以太环网

工业以太网，一般来讲是指技术上与商用以太网（即IEEE802.3标准）兼容，但在产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本质安全等方面能满足工业现场的需要。近年来新开发的适应于煤矿井下环境的环网交换机设备，为工业以太环网在煤矿井下的应用提供了必备条件，使煤矿监控系统传输技术在高速率、高可靠性、高兼容性等方面的发展上了一个台阶。矿井工业以太环网的建立为矿井实现基于WIFI技术的井下无线通信提供了网络传输基础。

2.2 WIFI井下无线通信系统结构及原理

整个系统要以矿井工业以太环网为整个系统的主干传输平台，以WIFI无线网络和TCP/IP协议为基本架构，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。

系统一般由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独立的IP地址，并自动为其在管理软件中注册，将数据存入数据库。注册后的手持机即可实现点对点通话。呼叫时对应节点收到手持机发出的无线信号，并将其转换为数字信号通过矿用网络交换机发送到地面管理主机，经软件处理后又经矿用网络交换机发送到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转换成语音，即完成一次通话过程。所有经软件处理的通话数据都会存入数据库作为数据备份。

2.3 IPPBX调度系统结构

IPPBX调度通信系统由IPPBX服务器、PC调度台、录音服务器和IP电话终端组成，如图1所示。

IPPBX服务器是IPPBX调度通信系统的核心，它既是VOIP系统的SIP服务器，又是调度系统的PBX，是基于软交换（soft swich）技术设计的IPPBx的控制系统。软交换是一个软件的实体，用于提供呼叫控制功能。软交换的基本定义为：“软交换是一种支持开放标准的软件，能够基于开放的计算平台完成分布式的通信控制功能，并且具有传统的TDM电路交换机的业务功能”。软交换解