基于WiFi技術(shù)的煤礦井下應(yīng)急救援無線通信系統(tǒng)設(shè)計分析

王智

（牡丹江大學(xué)，黑龍江牡丹江，157011）

1 基于WiFi技術(shù)構(gòu)建煤礦井下應(yīng)急救援系統(tǒng)

煤礦井下發(fā)生安全事故之后，煤礦井下電力供應(yīng)完全切斷，所以建立的救援系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可以分為3個部分，分別是災(zāi)變現(xiàn)場救護(hù)人員、地面指揮調(diào)度中心以及井下無線鏈路。其中，井下無線鏈路這一部分主要是由采集終端、無線傳輸鏈路部分、布放裝置以及井下救援基地組成。而基于通信技術(shù)來說，救援通信系統(tǒng)應(yīng)該是無線通信技術(shù)與有信通信技術(shù)的結(jié)合。

在出現(xiàn)煤礦災(zāi)害事故之后，地面救援指揮調(diào)度中心首先需要完成救援預(yù)案論證，及時確定救援方案。其次，在確定井下情況相對明確的預(yù)訂位置后，救護(hù)人員將會配備有線設(shè)備與電纜等進(jìn)入井下，快速鋪設(shè)有線電纜和相關(guān)設(shè)備，迅速搭建井下救援基地平臺，并將地面救援指揮調(diào)度中心與井下救援基地建立信息。第三，災(zāi)變現(xiàn)場周圍情況不明區(qū)域，可能會出現(xiàn)二次事故，而利用WiFi技術(shù)以無線接力的方式，通過自動布放裝置能夠快速建立無線通信信道，使救援災(zāi)變現(xiàn)場擁有通信信道[1]。第四，確定安全區(qū)域之后，救援人員可以逐漸向災(zāi)變現(xiàn)場推進(jìn)，利用救援人員隨身裝配的數(shù)據(jù)設(shè)備、WiFi網(wǎng)絡(luò)等，使救援人員與地面指揮調(diào)度中心、井下救援基地之間實現(xiàn)定位和語音聯(lián)系。最后，通過井下救援基地，向地面救援指揮調(diào)度中心發(fā)送各種數(shù)據(jù)，為地面指揮調(diào)度中心提供災(zāi)變現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息，使地面指揮調(diào)度中心做出正確決策。

1.1 無線通信信道的建立

無線通信信道是實現(xiàn)應(yīng)急救援無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。救援人員在實際工作中，通過將控制命令連接在WiFi鏈路的中心節(jié)點FFD1發(fā)送到小車上的RFD采集終端[2]。而RFD采集終端在運行過程中，在接收到救援基地所發(fā)出的相應(yīng)命令之后，會將命令傳輸?shù)竭\輸小車中，并根據(jù)命令的制定方向逐漸開始推進(jìn)。而在推進(jìn)過程中，采集終端可以將自身實際位置傳遞給運輸小車，并在返回時，各項數(shù)據(jù)信息都帶有采集終端和前一級節(jié)點信號強(qiáng)度信息。而救援人員在進(jìn)行救援過程中，救援人員需要在信號強(qiáng)度的前提下構(gòu)建鏈路。而信號強(qiáng)度在這一過程中，如果達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的門限值，那么此時的系統(tǒng)會停止指令發(fā)送，小車停止前進(jìn)。而通過井下救援基地中的計算機(jī)，救援人員可以對投放鏈路節(jié)點命令進(jìn)行投放，在完成上述操作后，下放指令促使小車?yán)^續(xù)前進(jìn)。但是在實際應(yīng)用過程中，WiFi技術(shù)具有自組網(wǎng)功能，兩節(jié)點通信距離如果超出一定范圍，那么新投入節(jié)點將會自動添加到WiFi網(wǎng)絡(luò)中，從而成為新節(jié)點，促進(jìn)通信鏈路的延伸，保障通信可以順利開展[3]。而在建立鏈路時，采集終端會前端環(huán)境的具體參數(shù)送回，救援人員和救援指揮調(diào)度中心通過分析各項數(shù)據(jù)內(nèi)容，并做好相應(yīng)的處理，開展下一步的救援工作。

1.2 井下個人終端設(shè)計

在煤礦井下，環(huán)境參數(shù)采集模塊、語音模塊、MCU處理模塊、無線功放模塊、鍵盤輸入模塊、WiFi模塊、液晶顯示模塊等眾多模塊組成個人終端硬件。而隨著科技的發(fā)展，鍵盤輸入模塊、圖像采集模塊、液晶顯示模塊以及語音模塊等部件均已經(jīng)獲得了十分成熟的結(jié)果，并不需要獨立研究和開發(fā)?；诖诜绞酵ㄟ^WiFi模塊來采集并讀取煤礦井下的環(huán)境參數(shù)信息，通過G-SPI進(jìn)行通信，即SPI方式、語音模塊以及凸顯采集等。利用GPI0中的I0接口，連接液晶顯示模塊、鍵盤輸入模塊等，連接TX管腳、RX管腳、無線功放模塊等，如下圖1為具體的設(shè)計圖。

圖1 無線網(wǎng)絡(luò)個人終端涉及圖

1.3 中繼臺設(shè)計

個人終端和井下指揮中心之間之所需要構(gòu)建中繼通道是為了可以有效的延長通信的距離。使用定向天線、雙WiFi芯片、雙功放方案等，中繼臺可以利用定向天線來實現(xiàn)延長通信距離的目的[4]。

1.4 設(shè)計監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)

煤礦井下采用的傳感器主要是頻率信號輸出，如O2、CH4、CO等通常是在200～1000Hz，其所有的系統(tǒng)都是需要在監(jiān)控分站中連接各種傳感器，并通過監(jiān)控分站傳送到地面指揮中心站中，但是這一方式不僅會增加設(shè)備成本，同時還會在傳輸數(shù)據(jù)的過程中，一旦超過2km的范圍距離外，電磁將會干擾數(shù)據(jù)傳輸，導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素增加?；诖?，在傳感器中添加WiFi模塊，并將數(shù)據(jù)與WiFi網(wǎng)絡(luò)連接，能夠使其他的數(shù)據(jù)通過WiFi形式實現(xiàn)傳輸目的，并且還可以使用光纖環(huán)網(wǎng)傳遞數(shù)據(jù)[5]。

1.5 移動數(shù)字視頻的設(shè)計

煤礦井下的監(jiān)控系統(tǒng)以往是安裝攝像儀，而利用WiFi技術(shù)，可以極大的豐富監(jiān)控設(shè)備。例如，應(yīng)用膠帶巡檢攝像儀，需要借助移動視頻。其視頻退下昂的傳輸無限化突破了光纖圖像監(jiān)視、傳統(tǒng)同軸電纜等顯示，具有更高的靈活性、便利性。而WiFi寬帶最夠能達(dá)到300Mbit/s，其十分適合應(yīng)用在高寬帶、高畫質(zhì)以及高碼流的音頻和視頻中，并且抗衰落能力、抗干擾能力都非常強(qiáng)，可以有效的滿足視頻傳輸鏈路[6]。

2 模擬實驗以及性能分析

2.1 NS2仿真軟件

NS2是一種離散時間仿真器，可以免費應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)研究中。NS2的存在可以支持無線網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò)上TCP、網(wǎng)絡(luò)QOs各種隊列、數(shù)據(jù)鏈路以及路由、組播協(xié)議等，并且還可以將仿真結(jié)果顯示出來，提供了跟蹤、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖傻裙ぞ?。NS2仿真軟可以在計算機(jī)上，將一個網(wǎng)絡(luò)運行進(jìn)行動態(tài)仿真[7]。

2.2 模擬實驗與分析

在LNUX系統(tǒng)中，使用模擬工具NS2網(wǎng)絡(luò)仿真器設(shè)置頻率為2.4GHZ物理層使用直接序列擴(kuò)頻（DSSS），路由層采用DSDV。在試驗過程中，每一個結(jié)點表示一個布放裝置，一旦出現(xiàn)礦災(zāi)，系統(tǒng)將會由布放裝置在救援中心站的遙控指揮下自動搭建，并及時對井下救援基地傳輸數(shù)據(jù)?；谕掏铝?、包抖動、延時等方面分析系統(tǒng)性能。平均傳輸速率為0.228KB/s，最大可以達(dá)到4.451KB/s。而包抖動率就是延時時間變化量，因為網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的原因，如果流量較大，那么封包會在節(jié)點隊列中排隊等待。所以，每一個封包的傳送時間都是不同的，這一差異為Jitter，而Jitter越大，意味著網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性越差[8]。

基于仿真實驗結(jié)果可以看出，以WiFi技術(shù)為基礎(chǔ)來設(shè)計煤礦井下應(yīng)急無線通信系統(tǒng)，隨著時間的增加，傳輸速率會更加的穩(wěn)定，并且延時非常小，所以十分適合應(yīng)用在井下應(yīng)急救援通信中。

3 總結(jié)

煤礦災(zāi)害事故的應(yīng)急救援通信系統(tǒng)是第一時間進(jìn)行救援，并獲得良好救援效果的關(guān)鍵組成。而一旦出現(xiàn)事故，為了避免二次事故的發(fā)生，保障救援人員的安全，將會完全切斷煤礦井下電力供應(yīng)?；诖?，通過WiFi技術(shù)來設(shè)計煤礦井下應(yīng)急救援無線通信系統(tǒng)，可以保證煤礦井下5km以內(nèi)實現(xiàn)通信目的。而雖然這一系統(tǒng)在當(dāng)前還在進(jìn)行安標(biāo)送審，但是利用WiFi技術(shù)已經(jīng)可以實現(xiàn)煤礦井下的救援，從而促進(jìn)煤礦井下救援工作效率的提升。