礦用救援通信系統(tǒng)多終端藍牙同頻干擾方法

孟慶勇

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京100013；2.煤礦應(yīng)急避險技術(shù)裝備工程研究中心，北京100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京100013）

煤炭作為國民經(jīng)濟中極為重要的基礎(chǔ)能源，在工業(yè)生產(chǎn)中占有極為重要的地位。隨著煤炭開采規(guī)模的擴大和煤礦生產(chǎn)過程的不斷加快，煤礦安全問題逐漸進入人們的視野。由于開采環(huán)境、地質(zhì)條件等方面存在差異，我國煤礦災(zāi)害事故總數(shù)略高于發(fā)達國家水平，煤礦安全生產(chǎn)形式依然嚴峻，因此開發(fā)高效、實用的煤礦安全應(yīng)急救援系統(tǒng)對于煤礦安全生產(chǎn)具有重要的意義[1-3]。

當?shù)V井發(fā)生事故時，救援一線人員將深入井下，直接面對危險環(huán)境，因此可靠的無線救援通信十分重要。目前井下無線通信和數(shù)據(jù)傳輸主要依賴于Wi-Fi 技術(shù)、Mesh 多跳通信技術(shù)以及藍牙技術(shù)。應(yīng)急救援指揮系統(tǒng)主要由礦用本安型攝像儀、礦用本安型骨傳導(dǎo)聽說器、礦用體征參數(shù)傳感器、礦用數(shù)據(jù)采集終端、礦用無線基站等組成，救援隊員將攜帶上述設(shè)備下井救援，并通過礦用無線基站搭建通信鏈路進行井下救援數(shù)據(jù)的實時傳輸。救援隊員攜帶的數(shù)據(jù)采集終端需實時采集搜索范圍內(nèi)生命體征數(shù)據(jù)，并通過礦用無線基站將所采數(shù)據(jù)上傳至救援基地。在這一過程中，控制命令將通過Wi-Fi 鏈路中心節(jié)點發(fā)送到采集終端RFD[4]。采集終端如果接收到一定信號強度的命令后，將會與系統(tǒng)建立鏈路，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、指令分配，也可以控制救援設(shè)備、運輸小車的前進、后退和停止。當采集終端接收到的信號強度有限，則系統(tǒng)將斷開該鏈路并對鏈路節(jié)點重新投放，完成該操作后將重新與采集設(shè)備連接，繼續(xù)進行救援操作。由此可見，基于Wi-Fi 技術(shù)的無線救援系統(tǒng)對于Wi-Fi 模塊的穩(wěn)定性具有較高的要求，其性能將對救援產(chǎn)生直接影響[5-7]。實時、有效、抗干擾能力強的無線傳輸手段對于救援人員的安全、救援數(shù)據(jù)的采集和上傳以及救援過程的實時把控都起著至關(guān)重要的作用。

煤礦災(zāi)后的事故現(xiàn)場環(huán)境往往十分惡劣，由于巷道會受到不同程度的破壞，使得巷道結(jié)構(gòu)不利于電磁波的傳播，無線信號在多次反射之后強度衰減較為明顯。其次，巷道中懸浮的煤塵和瓦斯容易對信號造成干擾，信噪比無法保證，通話和傳輸質(zhì)量可能會受到影響。另外，重新建立新鏈路所花費的時間較長，對無線通信的效率產(chǎn)生了限制[8-9]?；谏鲜鰡栴}，研究人員提出了Mesh 多跳通信技術(shù)來改進無線應(yīng)急救援系統(tǒng)。結(jié)合礦井特點，Mesh 技術(shù)結(jié)合使用骨干路由節(jié)點和中繼路由節(jié)點，并引入多頻率通道提高多跳子系統(tǒng)的容量。地面無線基站和井下中繼基站通過井下以太環(huán)網(wǎng)進行有線連接，該部分通過有線網(wǎng)絡(luò)完成應(yīng)急指揮相關(guān)工作。井下配置監(jiān)控主機，通過RJ45 接口接入地面交換機。數(shù)據(jù)采集終端和體征參數(shù)傳感器在救援過程中移動性較大，故采取Mesh 多跳的無線通信方式[10-12]，而體征參數(shù)傳感器數(shù)據(jù)上傳采用藍牙的通信方式，該系統(tǒng)運行較為可靠，但是藍牙和Wi-Fi、Mesh 網(wǎng)絡(luò)屬于同頻段的協(xié)議，藍牙掉線后重連自動掃描可能會造成同頻段的Wi-Fi 信號質(zhì)量降低，同頻干擾的問題不可避免。

針對基于藍牙傳輸?shù)牡V井應(yīng)急救援無線通信中出現(xiàn)的同頻干擾問題，介紹當前主流的井下無線傳輸方案的原理，并且分析其在實際應(yīng)用中的局限性，隨后提出一種解決多終端藍牙同頻干擾的方法，用于消除藍牙傳輸數(shù)據(jù)的過程中容易產(chǎn)生的干擾行為，通過闡述原理和工作過程，以及對比分析實驗結(jié)果，說明該方法的可行性。

1 藍牙技術(shù)在礦用無線通信中的應(yīng)用及問題

1.1 藍牙技術(shù)在礦用無線通信中的應(yīng)用

目前大部分煤礦現(xiàn)有的應(yīng)急救援指揮系統(tǒng)中用來監(jiān)測救護人員身體狀態(tài)的礦用體征參數(shù)傳感器與礦用數(shù)據(jù)采集終端之間通過藍牙傳輸信息。藍牙技術(shù)成本低、功耗小，用于短距離傳輸極為合適[13]，基于Mesh 多跳和FHSS 技術(shù)的無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。但是當某一地點聚集多名救護人員時，不同救護人員攜帶的礦用體征參數(shù)傳感器與礦用數(shù)據(jù)采集終端之間的就會產(chǎn)生傳輸干擾問題，影響身體狀態(tài)信息的高效、實時監(jiān)測。

圖1 基于Mesh 多跳和FHSS 技術(shù)的無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Wireless communication system structure based on Mesh multi-hop and FHSS Technology

藍牙技術(shù)基于無需授權(quán)并全球通用的2.45 GHz 開放頻段。在傳播特性方面，藍牙信號相比于傳統(tǒng)紅外無線傳輸受障礙物阻擋的影響更小，因此在井下較為復(fù)雜的環(huán)境下具有更大的傳播優(yōu)勢[14-15]。2.4 GHz 頻段專用工作擴頻電話通信試驗表明，功率100 dBm 的藍牙信號有效傳輸距離為100 m。通過在現(xiàn)場布置若干個藍牙接入點（AP：Access Point）并將有線和無線相結(jié)合，可以有效克服藍牙傳輸距離較短的弱點。另外藍牙標準定義12.5、100 mW 3種功率級別的無線發(fā)射器，同時，藍牙支持Hold 模式、Park 模式、Sniff 模式等節(jié)能工作模式，可以顯著地降低礦井電耗，降低經(jīng)濟成本。

1.2 問題分析

一般而言，對于藍牙信號的干擾存在2 種情況：弱信號接收干擾和同頻干擾。

在通信系統(tǒng)中干擾和噪聲不可避免，對于功率較小的藍牙信號而言這種效應(yīng)更為明顯。通信中常用信號的超越干擾值H (簡稱超擾值)來表征信號所必須的相對強度：

式中：Ps為信號功率應(yīng)；Pn為噪聲功率，信噪比定義為Ps/Pn。

另外1 個指標為信道超擾值Hk：

通過信噪比的定義可以看出，通信的可靠與否和信噪比的值成正比。在井下若希望解決弱信號接收干擾的問題，其基本途徑可從以下3 方面考慮：

1）提高發(fā)射功率Ps以提高信噪比，用功率換取可靠性。但鑒于井下特殊的環(huán)境以及防爆要求，功率提高有一定的上限值。

2）增大發(fā)射信號的帶寬，用帶寬換取可靠性。但是增大帶寬的一個結(jié)果是頻率干擾的產(chǎn)生。

3）延長發(fā)送信號的持續(xù)時間，用時間換取可靠性。通過減小信號的有效帶寬和接收機的通頻帶減少噪聲干擾的效果。

2 基于跳頻解決多終端藍牙同頻干擾的方法

基于藍牙同頻傳輸中的干擾問題，提出了一種用于解決多終端藍牙同頻干擾的方法，實現(xiàn)了礦用體征參數(shù)傳感器與礦用數(shù)據(jù)采集終端之間的高效、實時傳輸。

在該方法中，系統(tǒng)硬件包括礦用體征參數(shù)傳感器、礦用數(shù)據(jù)采集終端與礦用無線基站，其中礦用體征參數(shù)傳感器與礦用數(shù)據(jù)采集終端相連，其連接方式為藍牙；礦用數(shù)據(jù)采集終端與礦用無線基站相連，其連接方式為Wi-Fi，根據(jù)藍牙建立的連接結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 根據(jù)藍牙建立的連接結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Establish connection structure chart according to Bluetooth

當數(shù)據(jù)采集終端監(jiān)測到與體征參數(shù)傳感器開始連接或者開始數(shù)據(jù)傳輸時，獲取所述體征參數(shù)傳感器當前的頻道信息，并將所述頻道信息發(fā)送給礦用無線基站，礦用無線基站根據(jù)所述頻道信息從藍牙頻道列表中查詢體征參數(shù)傳感器當前的頻道狀態(tài)，并將頻道狀態(tài)反饋給數(shù)據(jù)采集終端。當頻道狀態(tài)為占用時，數(shù)據(jù)采集終端控制體征參數(shù)傳感器更改頻道。更改頻道可采用跳頻方式，即當前頻道已被占用時，數(shù)據(jù)采集終端將經(jīng)過無線基站查詢當前的藍牙頻道狀態(tài)表，根據(jù)藍牙頻道狀態(tài)表按順序遞增搜索未占用的頻道。

跳頻傳輸工作流程如圖3。

圖3 跳頻傳輸工作流程Fig.3 Work flow of FH transmission

建立連接的具體工作流程如下：

1）當救護隊員的礦用體征參數(shù)傳感器與礦用數(shù)據(jù)采集終端開始連接時，礦用數(shù)據(jù)采集終端將該連接所采用的頻道傳遞給礦用無線基站。

2）礦用無線基站查詢的藍牙頻道狀態(tài)表，藍牙頻道狀態(tài)表見表1。查看該頻道是否已經(jīng)被占用，并將結(jié)果返回至數(shù)據(jù)采集終端。

表1 藍牙頻道狀態(tài)表Table 1 Bluetooth channel status

3）若返回結(jié)果為被占用，則數(shù)據(jù)采集終端則控制藍牙通信模塊跳頻；更換頻道后，重復(fù)步驟1）、步驟2）。

4）若返回結(jié)果為未占用，則礦用生命體征傳感器與礦用數(shù)據(jù)采集終端建立連接，并將藍牙頻道狀態(tài)表中的對應(yīng)頻道狀態(tài)更改為占用。

5）當救護隊員的礦用體征參數(shù)傳感器與礦用本安型數(shù)據(jù)采集儀斷開連接后，將藍牙頻道狀態(tài)表中的對應(yīng)頻道狀態(tài)更改為未占用。

3 驗證測試

3.1 實驗場景搭建

應(yīng)急救援通信系統(tǒng)在井下進行現(xiàn)場測試時，更多情況下需要跳頻來步進地尋找未占用的頻道。跟蹤了5 位救援人員在同一地點附近進行救援的場景，礦山應(yīng)急救援系統(tǒng)示意圖如圖4。

圖4 礦山應(yīng)急救援系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of mine emergency rescue system

在井上布設(shè)監(jiān)控主機，通過RJ45 接口接入地面交換機，在井下巷道處依次布設(shè)10 個無線基站至災(zāi)變現(xiàn)場，基站與基站之間的距離≥1 000 m，遇到巷道拐彎處，為提高通信的質(zhì)量，需增設(shè)1 個無線基站，快速建立1 條應(yīng)急傳輸通道；5 名救護隊員下井時將體征參數(shù)傳感器綁在各自胸部中央，每人攜帶1 個數(shù)據(jù)采集終端，使用數(shù)據(jù)采集終端內(nèi)置藍牙設(shè)備讀取救護隊員心率、體溫、姿態(tài)等生命體征信息，體征參數(shù)傳感器同時通過無線藍牙連接數(shù)據(jù)采集終端，并與井下和地面調(diào)度中心進行數(shù)據(jù)傳輸。

當需要跳頻傳輸時，實驗處理流程為：

1）當5 名救護隊員的礦用體征參數(shù)傳感器與礦用數(shù)據(jù)采集終端建立連接后，礦用無線基站接收到藍牙占用的頻道信息。

2）礦用無線基站通過比對藍牙頻道狀態(tài)表，查看占用狀態(tài)。

3）若頻道占用，數(shù)據(jù)采集終端對藍牙進行跳頻處理，并根據(jù)步驟1）、步驟2）進行狀態(tài)的再次確認。

4）若頻道未占用，藍牙連接正常，并將藍牙頻道狀態(tài)表進行更新為占用。

5）連接斷開后，將藍牙頻道狀態(tài)表進行更新為未占用。

3.2 測試數(shù)據(jù)

通過上述的跳頻傳輸測試，得到5 名救護隊員的藍牙頻道的對應(yīng)數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)如圖5。

圖5 測試數(shù)據(jù)Fig.5 Test data

測試過程中，分別進行了5 次體征參數(shù)傳感器與數(shù)據(jù)采集終端連接的測試。由圖5 可以看出，5 名救護隊員所攜帶的體征參數(shù)傳感器在2 402～2 414 MHz 藍牙頻率范圍內(nèi)隨機“占用”某一頻率來進行數(shù)據(jù)傳輸，并且5 名救援人員所攜帶的設(shè)備經(jīng)由不同的藍牙頻道跳頻建立連接，互不干擾。

基于跳頻解決多終端藍牙同頻干擾方法，能夠準確、穩(wěn)定地將救護隊員體溫、心率、姿態(tài)、呼吸頻率等生命體征數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)采集終端，能夠?qū)崟r準確掌握救護隊員身體健康狀況，保障救護隊員自身安全。

4 結(jié) 語

針對基于藍牙傳輸?shù)牡V井應(yīng)急救援無線通信中出現(xiàn)的同頻干擾問題，提出了一種利用跳頻技術(shù)控制體征采集終端更改頻道，實現(xiàn)生命體征傳感器與數(shù)據(jù)采集終端之間的高效、實時、無干擾傳輸?shù)姆椒?，可有效地解決由于傳輸干擾所導(dǎo)致的救援效率受限的實際情況，在保障救援隊員安全的同時，提升了應(yīng)急救援能力。