有限空間WIFI無(wú)線信號(hào)覆蓋測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

嚴(yán)屹

【摘要】眾所周知，礦井內(nèi)的環(huán)境空間是有限的，所以要想在有限的礦井空間內(nèi)將WIFI信號(hào)完全覆蓋是有很大的問(wèn)題存在的。所以設(shè)計(jì)人員就針對(duì)這一難題設(shè)計(jì)了一種在有限空間內(nèi)WIFI信號(hào)覆蓋的精確的測(cè)量系統(tǒng)。這種系統(tǒng)把單片機(jī)硬件的技術(shù)還有Labview軟件平臺(tái)結(jié)合在一起，研發(fā)出了一種使用USB為總線的便攜形式的功率計(jì)，這種設(shè)備用來(lái)測(cè)量WIFI無(wú)線信號(hào)的強(qiáng)弱度數(shù)值，這種設(shè)備的點(diǎn)頻信號(hào)源是壓控振蕩器，而壓控振蕩器又必須要以精密的電壓來(lái)進(jìn)行控制，把這些集合在一起來(lái)完成對(duì)WIFI無(wú)線信號(hào)在有限空間強(qiáng)弱度的測(cè)量，并且把測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、記錄并對(duì)其進(jìn)行分析，有必要時(shí)還要進(jìn)行畫(huà)圖表進(jìn)行顯示。

【關(guān)鍵詞】有限空間WIFI無(wú)線信號(hào)覆蓋測(cè)量系統(tǒng)

隨著通信技術(shù)發(fā)展的越來(lái)越快，煤礦在信息化技術(shù)這方面的要求也有了更高的要求，在較短的距離中的無(wú)線通信簡(jiǎn)稱為SDR技術(shù)，就是以WIFI作為其代表的技術(shù)。SDR技術(shù)具有很多的優(yōu)點(diǎn)和性能，比如說(shuō)：發(fā)射功率低、系統(tǒng)容量大、消耗的功能低、傳輸?shù)墓β实偷瘸诉@些工作上的優(yōu)點(diǎn)外，還具有很強(qiáng)的抗故障的能力，對(duì)故障的維修方便、可以很好地實(shí)現(xiàn)煤礦電路安全的設(shè)計(jì)等自身適合于煤礦本質(zhì)的特點(diǎn)。因?yàn)檫@些優(yōu)越的自身性能還有特點(diǎn)，讓煤礦開(kāi)采行業(yè)都在廣泛的使用SDR這門(mén)信息化的技術(shù)。雖然在煤礦井下WIFI無(wú)線信號(hào)符合寬帶網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)建設(shè)的要求，但是由于煤礦井下的空間有限，WIFI網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的全面覆蓋還是存在著很大的問(wèn)題。因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)WIFI無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)在有限空間的覆蓋工程圖紙時(shí)，一定要結(jié)合實(shí)際，使設(shè)計(jì)能夠更好地適應(yīng)有限空間里WIFI信號(hào)的覆蓋。

一、無(wú)線電波的傳播特性

1、無(wú)線電波在自由空間的傳播特性

隨著時(shí)間變化而產(chǎn)生變化的電場(chǎng)還有磁場(chǎng)是無(wú)線電波的組成部分，這兩部分的電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間是相互轉(zhuǎn)化并且兩者是相互依存的，在這種不斷的轉(zhuǎn)化和依存的條件下，進(jìn)而漸漸的形成了一個(gè)既是統(tǒng)一又具有時(shí)變性的電磁場(chǎng)體系。

無(wú)線電波傳播分為兩種情況，一種是自由空間傳播，還有一種是有限空間傳播。無(wú)線電波在自由空間傳播的形式就是無(wú)線電波的自由空間傳播，自由空間在嚴(yán)格一點(diǎn)的情況下說(shuō)就是一種理想的境界，在實(shí)際情況下不可能達(dá)不到這種超理想的境界。在微波通信里，通常情況下電波發(fā)射完信號(hào)天線輻射之后，信號(hào)的天線輻射里帶有的能量是向輻射周圍的空間不斷擴(kuò)散的，因此當(dāng)輻射的能量到達(dá)天線的時(shí)候就只有一小部分了，信號(hào)輻射發(fā)射的地點(diǎn)距離天線越近，到達(dá)天線的能量就會(huì)越多，相反，距離越長(zhǎng)，到達(dá)天線的能量就會(huì)越小，這種情況的出現(xiàn)就被叫做電波信號(hào)在自由空間傳播中的衰減，也有專業(yè)的人員稱它為自由空間之中電波信號(hào)的損耗。

2、無(wú)線電波在有限空間之中的傳播特性

有限的空間里的無(wú)線電波的傳播特性是非常復(fù)雜的，WIFI無(wú)線電波在煤礦井之下的傳播形式就可以看做是無(wú)線電波在有限的空間環(huán)境里傳播的一種情況。工人們煤礦井下的采集和挖掘煤炭的通道都是十分狹小的，通道內(nèi)的地面有的粗糙還有的坎坷不平，周圍有著煤碳和各種各樣的石頭，還有工人挖掘煤塊所需要要用到的工具、手腳架、吹風(fēng)機(jī)、鋼軌、動(dòng)力線等等物品，工人們工作的空間十分的狹小。而工人們工作的巷道又有著不同的物理結(jié)構(gòu)，它們的巷口形狀也是各異的，有長(zhǎng)方形的還有正方形和梯形的，巷道的表面也是起伏不平的，有的傾斜，有的粗糙，還有的彎曲，深淺也不一樣。所以當(dāng)無(wú)線電波在煤礦井下的有限空間里傳播時(shí)主要有以下幾種方式：（1）直射波：是指在眼睛可以看到的范圍內(nèi)的沒(méi)有任何遮攔的傳播，它的損耗就是傳播過(guò)程之中路徑的損耗。（2）反射波：任何電波在傳播時(shí)都會(huì)發(fā)生不同程度的反射。（3）繞射波：有一些不規(guī)則的物體和物質(zhì)會(huì)存在于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間，這些不規(guī)則的物體還有物質(zhì)會(huì)在電波傳播過(guò)程中使電波發(fā)生繞射，就是會(huì)有二次傳播的情況在障礙物的表面發(fā)生。（4）散射波：散射波一般會(huì)發(fā)生在巷道的壁面，還有巷道的灰塵之中。

還有就是煤礦井內(nèi)的有限空間環(huán)境十分復(fù)雜，使得WIFI無(wú)線電波的信號(hào)在傳播時(shí)會(huì)受到些限制，會(huì)發(fā)生損耗，主要有以下幾種情況：（1）路徑傳播的損耗：就是電波在自由空間傳播中的損耗，它的損耗是接受信號(hào)信息平均值的直接反映。（2）慢衰落：指的是接收信號(hào)的值在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的緩慢的變化。（3）快衰落：主要與井下有限空間的環(huán)境還有多路徑的效應(yīng)有關(guān)。（4）多徑效應(yīng)：在煤礦井下的有限空間里有很多的反射、散射和折射現(xiàn)象，這使傳播的環(huán)境更加的復(fù)雜多變了，接收機(jī)所接受到的信號(hào)是在各個(gè)環(huán)節(jié)過(guò)程中的總和量。

二、無(wú)線電波在有限空間的測(cè)量方法

1、有限空間內(nèi)WIFI無(wú)線信號(hào)測(cè)量的方法

沒(méi)有消耗且均勻的物質(zhì)構(gòu)成的空間就是我們所說(shuō)的自由空間，自由的空間是無(wú)限大的空間，電導(dǎo)率在自由空間里為零，與之相對(duì)的介電常數(shù)還有磁導(dǎo)率也都為1，因此WIFI無(wú)線電信號(hào)在自由空間里的傳播不會(huì)產(chǎn)生吸收，散射還有反射情況和現(xiàn)象。相比之下WIFI無(wú)線信號(hào)在有限空間里的傳播就會(huì)有諸如反射、繞射和散射等的情況發(fā)生，所以根據(jù)WIFI信號(hào)在空間中的分布情況分析得知，我們要想了解WIFI信號(hào)在有限空間的分布情況，就一定要進(jìn)行大量的測(cè)試。

2、有限空間無(wú)線信號(hào)測(cè)量設(shè)備的開(kāi)發(fā)

WIFI無(wú)線信號(hào)的測(cè)量系統(tǒng)設(shè)備在煤礦井內(nèi)的有限空間里主要有下面幾種：（1）定向發(fā)射天線：發(fā)射的天線型號(hào)為HDJ-2400BKC14的定向天線發(fā)射，它有100M的寬帶，是專門(mén)用來(lái)發(fā)射電頻信號(hào)源的。（2）電頻信號(hào)源：如圖1所示，就是電頻信號(hào)源的結(jié)構(gòu)，它的精密電壓源為7.2V的電池電壓，把電壓源內(nèi)的直流電轉(zhuǎn)化為直流的電壓，讓輸出的電壓值穩(wěn)定在5V，再利用精密的電阻儀器對(duì)電壓進(jìn)行分壓，并通過(guò)此種方法得到所需要的電壓，然后再通過(guò)壓控振蕩器將輸出的信號(hào)頻率最終定在WIFI的信號(hào)頻點(diǎn)，使用功率放大器將放射的信號(hào)功率進(jìn)行無(wú)限的放大，讓信號(hào)的強(qiáng)度逐漸增加，以此達(dá)到測(cè)量的要求。（3）功率計(jì)：我們要采用虛擬儀器的思想來(lái)進(jìn)行功率計(jì)的設(shè)計(jì)工作，使設(shè)計(jì)出的功率計(jì)適合于USB的總線，適合于USB總線的這種功率器具有便攜式的優(yōu)點(diǎn)，功率器的整體結(jié)構(gòu)主要有硬件系統(tǒng)和上位機(jī)軟件系統(tǒng)。功率器射頻信號(hào)的調(diào)理以及數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)主要由功率計(jì)的硬件系統(tǒng)負(fù)責(zé)，通過(guò)USB接口來(lái)完成通信，采用50歐標(biāo)準(zhǔn)的SMA頭作為射頻信號(hào)的輸入接口。由Labview來(lái)編寫(xiě)上位機(jī)系統(tǒng)的軟件，使用它來(lái)接收數(shù)據(jù)，并且要對(duì)接收到的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，還要對(duì)功率的顯示進(jìn)行校準(zhǔn)，圖2就是基于USB總線便攜式功率計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖。（4）硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。射頻信號(hào)在通過(guò)SMA接口之后會(huì)進(jìn)入到衰減網(wǎng)絡(luò)里，并且在衰減網(wǎng)絡(luò)里會(huì)使射頻信號(hào)發(fā)生衰減，之后再通過(guò)檢波電路把射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為低頻信號(hào)，將低頻信號(hào)在AD電路里實(shí)現(xiàn)模塊的轉(zhuǎn)換，再通過(guò)微控制器將模塊逐漸的轉(zhuǎn)變成模數(shù)，并且將得到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器里，這樣就可以有效地防止采集到的數(shù)據(jù)發(fā)生再次丟失的情況，最后再將數(shù)據(jù)從外部存儲(chǔ)器里讀取到USB的接口，這樣一套工序下來(lái)之后，硬件系統(tǒng)和上位機(jī)之間的通信就完成了。其中上位機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

三、基于USB功率計(jì)校準(zhǔn)

功率計(jì)是一種測(cè)量的設(shè)計(jì)儀器，它的測(cè)量的準(zhǔn)確度是一項(xiàng)十分重要的指標(biāo)?；诖耍覀儽仨氁捎煤线m的測(cè)量算法，把采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的功率值，讓測(cè)量的精度和我們預(yù)定的誤差值不會(huì)有太大的差別。功率計(jì)工作的校準(zhǔn)主要是AD采樣值還有轉(zhuǎn)換的功率值之間的關(guān)系以及轉(zhuǎn)換值的誤差等。頻率在800M-6GHz范圍之內(nèi)的所有的射頻信號(hào)都是本功率計(jì)的測(cè)量范圍也就是我們平常所說(shuō)的-50~+10dBm之間的射頻信號(hào)。AD采樣的數(shù)據(jù)功率可以假定為Pad，實(shí)際的功率就可以認(rèn)為是Pw，我們運(yùn)用最小二乘法將采樣值的功率和實(shí)際的功率擬成這樣的關(guān)系公式：Pw=k×Pad+B，其中B是一個(gè)定值，然后再對(duì)頻響誤差進(jìn)行補(bǔ)償，但是不同的功率計(jì)其所反映的功率值也不相同，所以就會(huì)有頻響誤差的存在。

四、有限空間WIFI無(wú)線信號(hào)的測(cè)量

本文之中的設(shè)計(jì)對(duì)于有限空間WIFI信號(hào)的測(cè)量進(jìn)行了系統(tǒng)而全面的準(zhǔn)備，使人員可以更好的對(duì)無(wú)線信號(hào)進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)量，從而得到WIFI信號(hào)覆蓋的數(shù)據(jù)，更好地為我們完善設(shè)計(jì)做出貢獻(xiàn)，我們還可以通過(guò)測(cè)量的結(jié)果制作出一個(gè)宏觀的系統(tǒng)的圖表，并且將所得到的數(shù)據(jù)制成一個(gè)折線統(tǒng)計(jì)圖，我們可以從圖表中得到關(guān)于有限空間WIFI無(wú)線信號(hào)的覆蓋結(jié)果。圖表如4：

五、結(jié)語(yǔ)

對(duì)于有線空間內(nèi)的WIFI無(wú)線信號(hào)覆蓋的測(cè)量是一項(xiàng)復(fù)雜且艱難的工作，我們一定要做好相應(yīng)的設(shè)計(jì)，把測(cè)量的工作系統(tǒng)化，使有限空間內(nèi)WIFI無(wú)線信號(hào)的測(cè)量工作的困難可以得到一定的緩解，為煤礦井下的開(kāi)采工作提供便利，使經(jīng)濟(jì)和科技得到更好的發(fā)展。

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