無線自組網(wǎng)絡(luò)在音頻電透視探測中的應(yīng)用

劉耀波，張 軍

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

隨著煤礦對安全要求的逐步提高，適合煤礦水害井下精細(xì)探測的物探技術(shù)越來越受到重視，其中針對工作面水文地質(zhì)探測的音頻電透視技術(shù)應(yīng)用范圍很廣[1-4]。該技術(shù)能夠適用于井下環(huán)境，可以在工作面開采前快速預(yù)報(bào)地質(zhì)異常體可能發(fā)生位置，最大限度地減少災(zāi)害損失，確保礦井安全。

音頻電透視施工時，需要在同一工作面相鄰巷道的任意位置保持實(shí)時通信暢通。隨著技術(shù)的進(jìn)步以及煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)的提高，傳統(tǒng)的通信方式已經(jīng)被逐步淘汰。在礦井現(xiàn)有條件無法滿足音頻電透視施工的條件下，一種能夠?qū)崿F(xiàn)巷道任意位置實(shí)時通信技術(shù)顯得尤為迫切[5-9]。

目前相關(guān)廠家多是通過LORA、NB-IOT等無線通信技術(shù)將地面數(shù)據(jù)實(shí)時發(fā)送回云端數(shù)據(jù)庫，而且大多是應(yīng)用在畜牧業(yè)和農(nóng)業(yè)方面，井下地球物理探測領(lǐng)域應(yīng)用較少[10-13]。因此，設(shè)計(jì)一種集成多種數(shù)據(jù)通信方式，開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口平臺軟件，實(shí)現(xiàn)井下實(shí)時通信的低成本裝備勢在必行。

隨著智慧礦山理念的提出以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，若能將無線自組網(wǎng)技術(shù)引入煤礦井下音頻電透視探測技術(shù)，也將是智慧礦山理念的一個重要展現(xiàn)?？梢越鉀Q現(xiàn)有技術(shù)問題，無線通信穩(wěn)定，必將會引領(lǐng)礦井通信技術(shù)的變革。

1 音頻電透視探測技術(shù)

由于煤礦各種煤(巖)層之間存在電性差異，影響人工激發(fā)電場的分布形態(tài)。礦井音頻電穿透法就是利用專用儀器，在井下觀測人工激發(fā)場源分布規(guī)律，達(dá)到解決回采工作面水文地質(zhì)問題的目的。礦井音頻電穿透法是在兩個巷道同時作業(yè)，在施工過程需要在工作面其中一個巷道布置信號發(fā)射儀器與供電電極，同時移動信號發(fā)射儀器與供電(發(fā)射)電極；在工作面另一個巷道布置信號接收儀器與接收電極，同時移動信號接收儀器與接收電極，對工作面進(jìn)行以發(fā)射點(diǎn)為中心的扇形掃描，達(dá)到探測工作面地質(zhì)異常體的目的，探測施工方式，如圖1所示。在探測施工中需要發(fā)射端儀器與接收端儀器保持實(shí)時通信、保持2臺儀器發(fā)射—接收信號同步，這就需要能夠在井下使用的便攜式實(shí)時通信設(shè)備。

圖1 音頻電透探測工作布置Fig.1 Layout of audio frequency penetration detection

目前礦井的通信方式多為有線環(huán)網(wǎng)、光纖或4G基站等方式，有線方式攜帶不便，4G基站通信在遇到巷道轉(zhuǎn)彎時通信信號會受到嚴(yán)重影響，因此，這些通信方式都難以應(yīng)用于音頻電透視施工。

2 無線自組網(wǎng)軟硬件開發(fā)

無線自組織網(wǎng)絡(luò)具有多跳式無線接力聯(lián)接、不依賴于基礎(chǔ)通信設(shè)施、攜帶方便、成本較低等特性適應(yīng)井下音頻電透視施工?？梢杂靡暰嗦?lián)接的方式配置通信節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)較好的無線連接。每個通信節(jié)點(diǎn)與其相鄰的節(jié)點(diǎn)通信，降低了通信節(jié)點(diǎn)的功耗，采用電池供電，通信系統(tǒng)靈活，便于安裝和使用[14-16]。

2.1 系統(tǒng)組成與功能

無線自組網(wǎng)模塊具有藍(lán)牙功能，可通過藍(lán)牙與手機(jī)APP通信，APP配置無線模塊成功后，Mesh結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)任意組合無線透傳功能，多跳結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)低功耗長期運(yùn)行。具有Mesh自組網(wǎng)和多跳兩種模式。Mesh模式實(shí)現(xiàn)無線透傳，通電后任意模塊都可穩(wěn)定建立無線連接。多跳模式具有低功耗及分支傳輸特點(diǎn)。自組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件組成框架如圖2所示。

圖2 自組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件組成框圖Fig.2 Hardware composition of hoc network system

系統(tǒng)硬件主要分為供電模塊、接口模塊、自組網(wǎng)模塊、功放模塊和物理模塊。①供電模塊采用12 V電池供電，電池自帶充電電路；②接口模塊支持多種接口協(xié)議的轉(zhuǎn)換，包括傳感器的模擬接口；③自組網(wǎng)模塊提供物理層支持，在多跳中繼的應(yīng)用場景下，通過跳頻圖案切換來保證傳輸帶寬在多跳后不會明顯下降；④功放模塊包含線性功放和大功率開關(guān)，保證足夠的通信距離；⑤物理模塊主要完成自組網(wǎng)協(xié)議配置、自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)、傳感器數(shù)據(jù)處理、上層應(yīng)用解析等。

軟件應(yīng)用主要有傳感器數(shù)據(jù)采集、接口協(xié)議轉(zhuǎn)換和自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，根據(jù)需求可以配置為星型網(wǎng)、鏈狀網(wǎng)和Mesh網(wǎng)。

無線終端具備無線、藍(lán)牙和WiFi通信功能，ID等由藍(lán)牙配置；手機(jī)可通過藍(lán)牙查看設(shè)備狀態(tài)和配置參數(shù)；手機(jī)APP可通過設(shè)備傳輸語音信息；終端數(shù)據(jù)可以通過WiFi、以太網(wǎng)RJ45或藍(lán)牙通信，井下可視環(huán)境下通信距離不小于500 m。無線傳輸模塊傳輸方式如圖3所示。

圖3 自組網(wǎng)絡(luò)信息傳輸方式Fig.3 Information transmission mode in ad hoc network

為了適用于礦井音頻電透視探測，無線自組網(wǎng)在傳統(tǒng)通信模塊的基礎(chǔ)上，著重開發(fā)了音頻模塊、無線中繼模塊、物聯(lián)網(wǎng)模塊及無線終端軟件。

2.2 音頻傳輸模塊

為了保證井下語音實(shí)時通信可靠，首先重點(diǎn)設(shè)計(jì)研發(fā)了無線自組網(wǎng)的音頻模塊，系統(tǒng)框圖如圖4所示。音頻模塊硬件系統(tǒng)是以基于Android操作系統(tǒng)的ARM11平臺作為主控制平臺，通過主控制平臺調(diào)度子模塊，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。兩個不同巷道使用人員的語音信號經(jīng)過語音模塊采集、數(shù)模轉(zhuǎn)換、放大濾波后傳到主控制臺；主控制臺進(jìn)行進(jìn)一步處理，通過串口控制無線收發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)語音信號點(diǎn)對點(diǎn)實(shí)時傳輸。無線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)動態(tài)無線自組網(wǎng)絡(luò)的組建、消息收發(fā)等任務(wù)，使用時只需要通過無線終端觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互完成上述操作。

圖4 音頻模塊硬件系統(tǒng)框Fig.4 Hardware system block diagram of audio module

2.3 低功耗無線中繼模塊

無線自組網(wǎng)絡(luò)主要由無線中繼模塊與手持式控制終端組成。中繼模塊具有對信號的處理和各節(jié)點(diǎn)之間的無線通信功能，是數(shù)據(jù)的接收者也是轉(zhuǎn)發(fā)者，通過各節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)向手持式控制終端發(fā)送。

音頻電透探測自組網(wǎng)通信技術(shù)可以根據(jù)礦井下復(fù)雜的環(huán)境及作業(yè)需求布置無線中繼模塊，達(dá)到精確數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸?shù)哪康?。無線中繼模塊是系統(tǒng)的核心，它的運(yùn)行狀態(tài)和抗干擾能力都對系統(tǒng)有重要的影響。為了保證通信的可靠性，無線中繼模塊之間的通信可以隨著距離的變化選擇不同功率的天線?？紤]到音頻電透施工的特點(diǎn)，無線中繼模塊的布置應(yīng)在探測施工之前進(jìn)行，只需打開布置的無線中繼模塊電源，便可利用自組網(wǎng)特性自動建立區(qū)域無線網(wǎng)絡(luò)，為探測工作提供實(shí)時通信服務(wù)。

基于礦井安全標(biāo)準(zhǔn)的要求、儀器探測施工的特點(diǎn)，需要使用低功耗的無線自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系。設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是降低無線中繼模塊的自身功耗，目的是實(shí)現(xiàn)以超低功耗工作，完成數(shù)據(jù)傳輸。這里采用STM設(shè)計(jì)的信息采集單元，其功耗為192 μA/MHz，工作電壓為1.8 V。實(shí)現(xiàn)低功耗的方法主要有處理器多功耗模式以及低功耗軟件兩個方面。多功耗模式主要是運(yùn)行、休眠、待機(jī)3種運(yùn)行模式。其中休眠模式時1個計(jì)時器工作，功耗為6 μA；待機(jī)模式為時鐘運(yùn)行，保存后備寄存器，功耗為1 μA；運(yùn)行模式以32 kHz頻率運(yùn)行，功耗為10 μA。同時利用低功耗的振蕩器與處理器，可大幅度降低工作功耗。

根據(jù)礦井音頻電透施工的特點(diǎn)，選擇適合的無線中繼模塊通信組網(wǎng)協(xié)議，完成無線中繼模塊網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計(jì)。根據(jù)傳輸距離、通信帶寬以及功耗等方面的要求，針對不同通信協(xié)議參數(shù)特性，對常用的藍(lán)牙、WiFi、ZigBee等無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議進(jìn)行了對比分析[17]，分析結(jié)果見表1。

表1 無線通信協(xié)議對比Tab.1 Comparison of wireless communication protocols

音頻電透施工通?，F(xiàn)場環(huán)境較為復(fù)雜，為了避免使用過程中能耗過高，使系統(tǒng)維持較長工作時間，無線中繼模塊需要能夠安全可靠地工作，且需要具有大規(guī)模組網(wǎng)能力。根據(jù)對比認(rèn)為，ZigBee協(xié)議能夠滿足以上要求。

2.4 物聯(lián)網(wǎng)模塊

由于礦井條件及探測施工的特殊性，通信方式需要采用靈活的、不依賴有線的方式。這里采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為無線通信的主要手段，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、無線通信和傳感技術(shù)等多種技術(shù)的集合體。根據(jù)系統(tǒng)需求，物聯(lián)網(wǎng)模塊功能主要考慮基礎(chǔ)功能、信息傳輸、信息查詢、信息錄入、導(dǎo)入導(dǎo)出等功能。

基礎(chǔ)功能主要是指系統(tǒng)的登錄與注銷；信息傳輸指語音信息的實(shí)時發(fā)送與接收；信息查詢指完成用戶信息、物聯(lián)網(wǎng)卡信息的查詢；信息錄入指通過手持式終端將采集的數(shù)據(jù)信息錄入系統(tǒng)存儲器；導(dǎo)入導(dǎo)出指將本地?cái)?shù)據(jù)或其他信息導(dǎo)入到系統(tǒng)內(nèi)部，或?qū)⑾到y(tǒng)數(shù)據(jù)導(dǎo)出到本地。

物聯(lián)網(wǎng)模塊前端采用C#軟件開發(fā)，該軟件開發(fā)系統(tǒng)主要包括UML、代碼管控等工具。數(shù)據(jù)庫管理模塊采用SQL Server 2008 Express，虛擬服務(wù)器采用Workstation搭建工具。

2.5 手持終端軟件

手持式終端采用防爆智能手機(jī)，軟件采用Python語言編寫，支持面向?qū)ο箝_發(fā)，并有底層類庫的支持，可以創(chuàng)建對象，具有快速開發(fā)的能力。手持式終端管理軟件釆用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計(jì)，其軟件框架如圖5所示。手持式終端管理軟件服務(wù)器采用OfficeSIP Server3.6，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2008，這也是數(shù)據(jù)庫管理中常用的數(shù)據(jù)庫版本。

圖5 手持式控制終端軟件框圖Fig.5 Software block diagram of handheld control terminal

無線自組網(wǎng)絡(luò)工作中主要傳輸實(shí)時語音信息，同時保證井下數(shù)據(jù)信息。即系統(tǒng)將語音信息傳輸?shù)男盘枤w類為主級別信號，其余信號歸類為次級信號。主級信號具有較高的優(yōu)先級，當(dāng)檢測有語音信息時切換優(yōu)先級，保證語音通信的帶寬。ZigBee網(wǎng)絡(luò)通過防爆智能手機(jī)與網(wǎng)絡(luò)中的其他手機(jī)通信，包括發(fā)送、接收語音通信、文字消息以及數(shù)據(jù)文件等。

3 功能應(yīng)用試驗(yàn)

3.1 測試環(huán)境

在煤礦井下巷道中，對無線自組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主要功能進(jìn)行了測試。測試環(huán)境如下：系統(tǒng)管理軟件及數(shù)據(jù)庫在防爆智能手機(jī)運(yùn)行，系統(tǒng)的操作系統(tǒng)采用Andriod6.0。每500 m布置一個無線中繼模塊，在巷道的每個拐彎處布置一個無線中繼模塊，巷道長2 000 m，切眼寬度300 m，共布置10個無線中繼模塊，同時需要2臺防爆智能手機(jī)作為終端控制系統(tǒng)。無線自組網(wǎng)絡(luò)布置如圖6所示。

圖6 無線自組網(wǎng)絡(luò)布置示意Fig.6 Layout of wireless ad hoc network

3.2 功能驗(yàn)證

系統(tǒng)管理軟件在注冊后，可以查看用戶在線狀態(tài)。在2個巷道的用戶同時在線后開始測試系統(tǒng)功能。

測試開始后防爆智能手機(jī)系統(tǒng)管理軟件可以呼叫另一個巷道的系統(tǒng)管理軟件，接通后雙方可以開始通話。首先一側(cè)終端發(fā)起消息，另一側(cè)終端收到后與其建立聯(lián)系。類似于對講機(jī)，可以主動向終端發(fā)起語音，也可以等待終端發(fā)起語音。如果網(wǎng)內(nèi)有多個終端，可以根據(jù)收到的消息的順序排序，選擇先接通哪個終端請求，其他終端繼續(xù)等待或者重新發(fā)起。

通過測試對無線自組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信距離測試測試、語音性能測試，驗(yàn)證了系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)語音數(shù)據(jù)包的傳輸，測試結(jié)果達(dá)到預(yù)期效果。

4 結(jié)論

根據(jù)音頻電透視探測的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了適用于該施工特點(diǎn)的無線自組網(wǎng)絡(luò)，通過設(shè)計(jì)、分析、測試基本達(dá)到了預(yù)期的功能。

主要分析了礦井無線自組網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)成，主要研究了音頻傳輸模塊、低功耗無線中繼模塊、物聯(lián)網(wǎng)模塊以及手持式無線終端系統(tǒng)軟件。通過對自組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的研究，建立了具有無線連接、雙向語音通話、發(fā)送和接收文件等多種功能的無線自組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

由于礦井無線自組網(wǎng)絡(luò)所處環(huán)境的特殊性，不同于其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，目前這方面的研究還處于起步階段。還有諸如建立礦井視頻實(shí)時聯(lián)系、提高語音通話容量以及其他服務(wù)質(zhì)量等技術(shù)難題需要攻克。