基于WiFi 技術(shù)的井下無線通訊系統(tǒng)在工業(yè)以太網(wǎng)上的應(yīng)用

◆畢道玲

（淮北礦業(yè)集團臨渙煤礦 安徽 235000）

我國煤礦井下光纖環(huán)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)相對比較理想，但是由于礦井巷道自身具有較為獨特的復(fù)雜性，而且一些因素會不斷出現(xiàn)變化，這也使得井下的一些區(qū)域在布線的時候具有一定的難度。所以，在井下相關(guān)區(qū)域設(shè)置無線WiFi 通訊設(shè)備具有一定的優(yōu)勢，其自身可以采用AP 進行無線終端數(shù)據(jù)采集，這樣有利于更好數(shù)據(jù)進行儲存，從而實現(xiàn)全面的處理與分析，這樣能夠有效克服當前有效傳輸在礦井各方面造成的干擾，從而避免光纖受到的影響，減少其自身帶來的問題。

1 系統(tǒng)組成架構(gòu)與功能

該系統(tǒng)組成一般包括井下和地面兩個部分，請加部分包含人員定位設(shè)備以及無線通信設(shè)備和視頻采集設(shè)備，在具體過程中還需要眾多的設(shè)備進行支持，這樣有利于工作更好展開，具體可以參考下圖1。

圖1 WiFi 通訊系統(tǒng)框架圖

救生引導緊急廣播但是在突發(fā)事件時，可以通過其獨特的形式做好分析，同時還能將預(yù)案語音文件進行快速引導，這樣可以實現(xiàn)與警報的有效對接，從而實現(xiàn)警報聯(lián)動的功能。

視頻+語音的多媒體通信可以有效實現(xiàn)視頻調(diào)度和語音調(diào)度，這樣能夠?qū)⒍喾N監(jiān)控模式進行有效結(jié)合，同時還能形成現(xiàn)場畫面的自由切換與調(diào)度，以此實現(xiàn)遠程控制的形式，而且還能夠支撐當前現(xiàn)場環(huán)境的監(jiān)控以及生產(chǎn)的警告等功能。

關(guān)于井下定位，一般都是由WiFi 終端和井下WiFi 形成，通過基站進行調(diào)度，然后在經(jīng)商中心進行定位，從而通過平臺組成對應(yīng)的定位系統(tǒng)，其自身具有人員管理、考勤、定位以及緊急通知等功能。

通話錄音是一項獨特的系統(tǒng)，通過有效的方法記錄整個作業(yè)的過程，這樣有利于任務(wù)的下達和信息的手機，這樣的情況下形成了信息統(tǒng)一處理和結(jié)合，從而為后續(xù)的工作提供較好的經(jīng)驗，并形成良好的依據(jù)。

雙機熱備，熱度終端可以實現(xiàn)注冊，同時還能將其做好各項工作，這樣有利于實現(xiàn)調(diào)度設(shè)備最佳的運用，以此保證井上和井下的最佳通信形式。調(diào)度員可以通過撥叫號碼的形式發(fā)起會議，允許用戶通過手機或是其他智能終端融入到會議，這樣有利于更好做好現(xiàn)場指揮，同時也不需要調(diào)度臺前的一些情況，從而形成對應(yīng)的決策，這樣有利于各項工作的有效展開，而且該功能還能防止一些其他非授權(quán)人員隨意開啟會議，手機和固化也可以作為當前的智能終端，這樣可以提高整體的可用性和兼容性。

緊急呼叫，系統(tǒng)其自身具有一定的優(yōu)先預(yù)備能力，在緊急狀況發(fā)生時，可以通過不同的資源做好保障，同時還能確保線路的運用，這樣可以最大程度的確保應(yīng)急通訊的順暢。

2 人員定位與語音通信系統(tǒng)

目前人員定位通常都是采用2.4GHz 的無線RF 芯片形成的，這一類芯片在傳輸?shù)倪^程中運用的傳輸寬帶相對比較小，這也導致標識卡片只能通過發(fā)送自身的ID 顯示少量的數(shù)字信息。在當前WiFi 自身技術(shù)的結(jié)合下，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的整合，具體可以參考下圖2。

圖2 帶語音功能的WiFi 收發(fā)信機框圖

（1）定位原理以及實現(xiàn)方法

利用RSSI（接收信號強度）來實現(xiàn)定位的算法相對比較多，采用具體模型算法時，需要明確信號強度與距離之間的關(guān)系，從而形成對應(yīng)的公式，同時還要明確接收信號與其自身的距離，以此形成AP 之間的距離，其中要明確接收信號的功率為dBm，并明確其自身為常數(shù)，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)自由空間的損耗系數(shù)了解。

定位實現(xiàn)：通過標識卡發(fā)出對應(yīng)的信號并由AP 接收，這樣能形成有效的對接，以此實現(xiàn)卡值的計算。

（1）AP={a1，···，an}其自身代表了全部的節(jié)點，而且ai指代第n個信號接收，其中1≤i≤n。

（2）A={0，1}，其神代表節(jié)點的各個階段和對應(yīng)的狀態(tài)，而且其狀態(tài)通過1 和0 的形式進行表達。

（3）R={Ra1，···，Ran}其自身代表了不同節(jié)點之間的結(jié)合，其中節(jié)點ai的收益表示為1≤i≤n。

（4）RSSI={Wai，LWan}則對應(yīng)的表示全部節(jié)點，而且其自身具有能量合集，在任意一個節(jié)點中ai中，其主要的能量參數(shù)為Wcostai∈Wai、Wreaminai∈Wai，其中前者代表節(jié)點所消耗的能量，而后者則表示節(jié)點剩下的能量。

（5）AP 節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸具有一定的概率性，其中Paiaj∈P，同時其自身也代表一個節(jié)點，在朝向aj 進行轉(zhuǎn)發(fā)時，節(jié)點ai 對應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)概率為1。

在對應(yīng)的對應(yīng)的條件下某個節(jié)點可以通過廣播將自身的信息進行傳輸，同時還能傳輸給鄰接點，通過這樣的方式獲取全局的節(jié)點信息，在整個過程中需要對節(jié)點進行分析，而且在傳輸?shù)倪^程中會形成一定的能量，所以在進行傳輸時候需要確保其自身的能量，在對其進行剩余能量的調(diào)節(jié)。

在信號的接受通過對節(jié)點分度以及垂直分量進行分析，還應(yīng)該做好相應(yīng)的考慮工作，在結(jié)合節(jié)點坐標以較好的形式進行表述，可以以（x，y）進行表示，以（x0，y0）作為源點坐標，能夠得出（xe，ye）的節(jié)點坐標。

為了彌補無線信號的不穩(wěn)定性，應(yīng)該將 d 作為最終距離，然后通過有效的方式獲取對應(yīng)的公式AP=πr22-r2，，mq=S’/（πr2）=（πr2/2-r2）進行驗證，從滿足條件（x-x0）2+（y-y0）2≤（xe-x0）2+（ye-y0）2并且（x-xe）2+（y-ye）2≤（xe-x0）2+（ye-y0）2，其自身形成節(jié)點的集合。

在滿足上述條件的參與節(jié)點結(jié)合為Mp=丨Ap丨，其中Ap=AqIAc。

在當前最初的環(huán)境下，Ai 表示的是位于節(jié)點i 通信范圍的全部節(jié)點，在組網(wǎng)階段，節(jié)點可以通過廣播將自身的節(jié)點進行信息傳播，這樣能夠為模型網(wǎng)絡(luò)性能進行全面分析，假定在最初的條件下為了能夠進行信息傳播節(jié)點轉(zhuǎn)換，為[Wcost1，Wcost2.···，Wcostn]，Wcost1≈Wcost2≈···≈Wcostn?？紤]到其自身的節(jié)點自身具有一定的一致性，因此，在消耗[Wcost1，Wcost2.···，Wcostn]后各節(jié)點的剩余能量基本相同，因此，信號接收消耗是可以忽略不計的。

（2）語音采樣及編解碼

根據(jù)當前對語音構(gòu)成的分析，多采取不同的音頻好進行解壓，一般會用到CELP、RELP、VESELP、MP 等，通過不同的算法，實現(xiàn)音頻信號的壓縮。這些壓縮編碼算法在壓縮率和語音質(zhì)量上各有千秋，其中美國相應(yīng)的公司表示采取有效的對應(yīng)解壓編碼算法能夠?qū)崿F(xiàn)較好的整合，這樣可以確保AMBE 的整體特率，從而確保高質(zhì)量的語音算法，這也是當前語音音質(zhì)編碼速率的最大優(yōu)點，其中AMBE-1000 是一款高性能的多速率的編碼語言，其自身的語音編碼調(diào)節(jié)速率高達2400-9600bit/s 內(nèi)，并且以50bit/s 的間隔變化實現(xiàn)改善，及時在2400bit/s 時，仍然能保持自然的聲音質(zhì)量和語音調(diào)控。在芯片內(nèi)部能夠形成互相獨立的語音編碼單元和解碼單元，這樣可以實現(xiàn)芯片的內(nèi)部完成，而且不需要其他的設(shè)備支持。

3 工業(yè)以太網(wǎng)

工業(yè)以太網(wǎng)是指技術(shù)上與商用以太網(wǎng)的融合，在產(chǎn)品設(shè)計的過程中需要結(jié)合實際情況做好產(chǎn)品材質(zhì)的選擇，同時還要明確產(chǎn)品自身的強度和實用性，這樣能夠滿足當前多方面的工業(yè)現(xiàn)場需求。工業(yè)以太網(wǎng)是將以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)控制和管理之中。工業(yè)以太網(wǎng)的融入可以整合當前一些環(huán)形技術(shù)，從而形成最為先進的玩過技術(shù)，這樣能夠確保相關(guān)的煤礦數(shù)據(jù)以最佳的效果進行傳輸，以此提高整體的可靠性和實效性。當前系統(tǒng)下的設(shè)定子系統(tǒng)可以為他們進行改善，而且系統(tǒng)通過選用赫斯曼千兆交換機可以實現(xiàn)較好的調(diào)整，一般情況下會由2 臺MACH3000 作為核心交換機，其中每個子系統(tǒng)交換機需要采用2 臺MS4128 作為主要交換機，這樣可以采取RS30 作為交換，同時還能實現(xiàn)環(huán)繞的光纜形式，以確保其自身的設(shè)定，并在相應(yīng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)較好的改善，以及確保工業(yè)以太網(wǎng)的有效運用，同時還能全面提高其整體的速率。

不過目前來看，以太網(wǎng)的應(yīng)用還存在一定的不足，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）在具體的開展過程中大部分廠家提供的都是交換機光口，而當前一部分千兆工業(yè)的以太網(wǎng)交換機智能提供電口。（2）現(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)接入網(wǎng)絡(luò)攝像儀以及變電信息集成等功能，從而形成對應(yīng)的系統(tǒng)，在介入后需要采取有效的方法避免存在的干擾問題。（3）部分交換機電口雖然擁有，但是沒有較好的辦法接入。（4）如何實現(xiàn)系統(tǒng)和生產(chǎn)以及形成電話的胡同是當前的重點。

針對上述的問題解決方案有以下幾點：（1）利用光纖收發(fā)器，不過利用光纖收發(fā)器其自身需要提供發(fā)器電源，而且光前熔點相對較多，可能會給后續(xù)的工作帶來極大的影響，光前收發(fā)器占據(jù)的空間較大。（2）改變當前的無線通訊交換機，并將其接口進行更改，將其接口變?yōu)殡娍?。而且在具體的開展中需要做好思考工作，需要結(jié)合實際情況將VLAN 口進行劃分，可以將其分化為“1”信息采集和化集控，這樣可以更好的用于生產(chǎn)系統(tǒng)和傳輸?！?”將其有效應(yīng)用于井下無線通訊系統(tǒng)以及安全語音廣播系統(tǒng)之中?！?”用于視頻和井下各變電所，一般是生產(chǎn)中的重要區(qū)域，可以實現(xiàn)監(jiān)控。（3）增加耦合器的合成方法，先將入換網(wǎng)交換機的光纜進行抽出，然后放入對應(yīng)的設(shè)備，這樣可以實現(xiàn)無線通訊，并將其融入到設(shè)備之中，從而通過設(shè)備實現(xiàn)整合，再將其融入光纜之中，這樣不僅能夠解決當前光纜的問題，還能改善其自身存在的問題，不過其缺點是只能使用光纖收發(fā)器。（4）將網(wǎng)關(guān)設(shè)備與程控交換機進行銜接，再利用數(shù)字中繼器進行連接，通過相應(yīng)的SIP 協(xié)議，實現(xiàn)了無線通訊系統(tǒng)的銜接，從而形成對應(yīng)的行政電話和生產(chǎn)電話互相聯(lián)通。

4 監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)

目前煤礦井下的各種CH4和CO 以及O2，都會采用傳感器進行接收，一般情況下都采用頻率信號進行輸出，多采用200-1000Hz，現(xiàn)有的系統(tǒng)都是將各種傳感器接入監(jiān)控分站之中，再由監(jiān)控分站傳輸至地面中心，這樣能夠確保其有效的傳輸，同時還能節(jié)省一定的設(shè)備成本，而且傳感器數(shù)據(jù)通過2km 的傳輸引入電磁干擾，能夠給系統(tǒng)形成一定的改善，從而確保其自身的不確定因素。因此，在具體的開展需要增加一個WiFi 模塊，再將傳感器數(shù)量融入網(wǎng)絡(luò)之中，這樣有利于將傳感器的數(shù)據(jù)以WiFi 的形式傳輸給附近的AP 熱點，以此形成對應(yīng)的監(jiān)控效果。

5 移動數(shù)字視頻

現(xiàn)有的煤礦視頻監(jiān)控系統(tǒng)都是在井下特定的位置進行安裝，然后在固定的區(qū)域使用攝像儀器，通過這樣的方式實現(xiàn)銜接，而且這種方式采用的WiFi 是十分高效的，再采用膠帶的巡查攝像儀進行銜接，以此實現(xiàn)移動視頻的采集。視頻圖像傳輸無線化打破了傳統(tǒng)電纜和光前的限制，從而解決當前硬件連接不利的局面，其自身具有較好的靈活性和方便性，而且網(wǎng)絡(luò)傳輸最高速度可達到300Mbit/s，能夠適用于高差運輸、高碼流、高畫質(zhì)的音頻，而且在抗干擾等方面也具備一定的優(yōu)勢。

綜上所述，現(xiàn)階段組建工業(yè)以太網(wǎng)無線通訊系統(tǒng)尤為重要，而且還需要重視其WiFi 系統(tǒng)的建立，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)無線通訊系統(tǒng)與行政電話的胡同，在當前數(shù)字化時代的背景下，應(yīng)該總是信息化礦井的建設(shè)工作，同時還要采取有效的方法做好銜接，以此確保無線網(wǎng)絡(luò)平臺的穩(wěn)定性，并發(fā)揮其自身的重要意義。不過目前來看，由于多方面的問題導致其自身的使用不夠理想。因此，相關(guān)人員應(yīng)該給予一定的重視，并采取有效的方法做好改善，以此形成全面的規(guī)劃。