WIFI技術在礦井無線通信中的應用

摘要：本文介紹了WIFI的技術無線通信原理及基于WIFI技術的無線通信系統在礦井應用中實現方案，總結了該技術在實際應用中的優缺點，并提出了該技術在礦井井下無線通信中的發展前景，相信不久的將來該技術在煤炭行業會有廣泛的應用前景。

關鍵詞：WIFI 無線通信

1 概述

由于煤炭礦井生產環境的特殊性，井下作業對生產管理有非常高的實時性要求，作為生產管理人員、電機車司機、皮帶維護工和其它流動人員應能夠與生產調度室及時取得聯系，將生產一線的各種情況上報，實現統一指揮統一調度。雖然煤炭企業對生產安全都非常重視，但事故的發生是不確定性的，事故發生后必須依據當時情況，采取果斷措施進行處理，對井下人員進行緊急搶救。但井上對井下人員的監控由于受各種條件的限制還很不完善，對于井下人員的情況不能及時反映，導致事故發生時，不能及時、準確的得到井下人員的信息，無法做出正確的決策，以致會造成搶險不及時，有可能貽誤對生命的搶救。因而對于現代化的各煤炭企業，實現下井作業人員與調度管理員的實時通訊，使井上人員及時掌握井下人員的動態分布及作業情況，開發建設煤礦井下無線調度通信系統已成為各煤炭企業實現煤炭安全生產調度和保障生產人員安全的迫切需要。

由于煤礦井下的特殊性，制約了井下無線通信系統的發展，我國井下無線通信系統一直主要靠引進吸收國外的相關技術，但隨著近年來地面無線技術的快速發展以及我國科技研發的不斷投入，新型的無線技術越來越多的服務于煤礦井下。目前可用于煤礦井下的無線系統主要有：漏泄通信技術、透地通信技術、井下小靈通技術以及WiFi技術。

漏泄通信技術、透地通信技術信號技術陳舊，目前在井下無線通信系統中已經不再應用，小靈通技術發展時間長，系統成熟可靠，造價低，近年來許多礦井都采用了此類的礦用無線通信方案。然而今年2月工信部門發文，明確要求所有1900—1920MHz頻段無線接入系統應在2011年底前完成清頻退網工作，所使用的頻段也將被收回用于3G使用，因而使用較多的基于小靈通技術的礦井無線通信系統將面臨新技術的更新換代。今年來隨著基于WIFI技術的無線通信的發展，以及適用于礦井防爆環境產品的出現，相信不久的將來，基于WIFI技術的無線通信將在礦井井下無線通信系統中必將占據重要的地位。

2 WiFi技術

WiFi，全稱wireless Fidlity，實際上WiFi是無線局域網聯盟(wLANA)的一個商標，該商標僅保障使用該商標的商品互相之間可以合作，與標準本身實際上沒有關系。但是后來人們逐漸習慣用WIFI來稱呼802.11b協議。IEEE802.11規定的發射功率不可超過100毫瓦，實際發射功率約60～70毫瓦，使這類設備可以設計成符合煤礦安全要求的本質安全型設備。

WiFi系統基于局域網技術，組網方便，易于維護，使用的頻段為公用頻段(ISM頻段)，無須在無委會備案，不用繳納費用，便于地面無線網絡的覆蓋使用，能避免將來出現不必要的麻煩；WiFi技術先進，符合發展趨勢，可利用井下工業環網，不用單獨建網，通話信道較小靈通更多，系統功率可根據環境自動調整，更能保證通話質量，系統建成后帶寬可滿足將來無線視頻等井下其它應用，擴展能力強。

3 WiFi技術在井下無線調度通信系統中應用方案

3.1 礦井工業以太環網

工業以太網，一般來講是指技術上與商用以太網（即IEEE802.3標準）兼容，但在產品設計時，在材質的選用、產品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性和本質安全等方面能滿足工業現場的需要。近年來新開發的適應于煤礦井下環境的環網交換機設備，為工業以太環網在煤礦井下的應用提供了必備條件，使煤礦監控系統傳輸技術在高速率、高可靠性、高兼容性等方面的發展上了一個臺階。礦井工業以太環網的建立為礦井實現基于WiFi技術的井下無線通信提供了網絡傳輸基礎。

3.2 WiFi井下無線通信系統結構及原理

整個系統以礦井工業以太環網為整個系統的主干傳輸平臺，以WiFi無線網絡和TCP／IP協議為基本架構，形成有線主干與無線終端相結合的方式，覆蓋礦井部分或全部巷道及地面相關區域，最終實現煤礦寬帶無線通訊。

WiFi井下無線通信系統結構圖如圖3.1所示。

該系統由位于地面的管理主機通過交換機為進入到無線信號覆蓋區域的每一臺手持機分配一個獨立的IP地址，并自動為其在管理軟件中注冊，將數據存入數據庫。注冊后的手持機即可實現點對點通話。呼叫時對應節點收到手持機發出的無線信號，并將其轉換為數字信號通過礦用網絡交換機發送到地面管理主機，經軟件處理后又經礦用網絡交換機發送到被呼叫手持機所在區域的節點，呼叫目標手持機接收信號后轉換成語音，即完成一次通話過程。所有經軟件處理的通話數據都會存入數據庫作為數據備份。

3.3 IPPBX調度系統結構

IPPBX調度通信系統由IPPBX服務器、PC調度臺、錄音服務器和IP電話終端組成，如圖3.2所示：

IPPBX服務器是IPPBX調度通信系統的核心，它既是VoIP系統的SIP服務器，又是調度系統的PBX，是基于軟交換(soft swich)技術設計的IPPBx的控制系統。軟交換是一個軟件的實體，用于提供呼叫控制功能。軟交換的基本定義為：“軟交換是一種支持開放標準的軟件，能夠基于開放的計算平臺完成分布式的通信控制功能，并且具有傳統的TDM電路交換機的業務功能”。軟交換解決了不同網絡、不同設備、不同技術間的互通問題。IPPBX服務器內置標準E1接口板，可實現與PSTN程控電話網的互聯。

4 WiFi技術在礦井無線通信系統中應用實例及優缺點

在調研中，我們了解到，基于WiFi技術的無線通信系統的產品主要有華科力揚科技有限公司的WIFI井下無線通訊調度系統，濟南藍動激光技術有線公司的KT105礦用無線通信系統等等，該技術在兗礦集團興隆莊煤礦、東灘煤礦、北宿煤礦；濟礦集團鹿洼煤礦；山西晉城無煙煤礦業集團曲堤煤礦；遼寧省撫順市四平煤礦、徐家大溝煤礦、中興煤礦有限公司等全國幾十個礦井都得到了應用，在這些礦井的應用中，總結出了WiFi技術在實際應用中的以下幾個主要特點：

①采用以太網絡和VOIP技術，全數字化，是通訊發展的趨勢。

②可以多系統共用主體網絡，可以和礦井信息化建設（如遠程控制、集中調度、安全檢測、視頻監控、人員定位）共用千兆環網交換機和光纜，減少了施工量，節約資金。在沒有安裝環網的煤礦，可以為遠程控制、集中調度、視頻監控等提供接口和光纜線路。

③能夠復用礦務局與煤礦之間、煤礦與煤礦之間的計算機網絡，實現跨區域通訊。

④基站脫網工作，手機脫網通訊。即使井下基站與服務器中斷隔離，手機仍可以用撥打對方IP地址的形式建立通話。

⑤系統頻率2.4G，屬于工業自由頻段，如前文所述，無線局域網使用的ISM頻段是全球開放的頻率使用段，不用向無線電管理委員會申請，使得用戶端無需任何許可就可以自由使用該頻段上的服務。

⑥動態拓撲特性。用戶端可在網絡的覆蓋范圍內任意移動，隨時加入或退出。但拓撲結構的動態變化不會給客戶端帶來任何影響。

⑦組建簡便。無線局域網的組建在硬件設備上的要求與有線網相比，更加簡潔方便，而且目前支持無線局域網的設備已經在市場上得到了廣泛的普及，不同品牌的接入點AP以及客戶網絡接口之間在基本的服務層面上都是可以實現互操作的。

⑧使用方便，設定設備IP地址，安裝了服務器開機即可使用。

⑨調度方便，軟交換管理，調度實施方便，可以管理用戶通話，包括強行拆線，通話記錄，查詢等。

然而，在實際應用的反饋中我們發現，雖然WiFi網絡的特性使其受到越來越廣泛的關注和應用，但其自身也暴露出了一些缺點和不足，主要表現在以下幾個方面：

①電源問題，WiFi系統的基站采用近端供電和遠端供電方式，接入電壓：127V，380V，660V，當井下瓦斯超限時，屬于斷電范圍，只能通過不間斷電源供電。

②WiFi手機在實際通信中，存在跨基站移動通話會導致掉線問題，作為調度指揮應用時，存在安全隱患。

③WiFi系統中只有數據壓縮傳輸算法，沒有語音壓縮算法，通話質量有一定的失真。

④空口無線業務信道帶寬不太恒定，多部手機通話時會有掉線及阻塞的現象。

5 基于WiFi技術的無線通信系統的發展前景

由于無線網絡的方便與高效等顯著的優勢特點，近年來，無線AP的應用迅猛的增長。國內外已經開始著手以無線標準來建設城域網，考慮到其各種優勢，WiFi的無線地位將會日益牢固。

WiFi技術具有為可移動性、價格低廉等眾多優點，理所當然的成為高速有線接入技術的有效補充，且已經廣泛應用于有線接入需無線延伸的領域。由于數據速率、覆蓋范圍和可靠性的差異，WiFi技術在寬帶應用上作為高速有線接入技術的補充。雖然與蜂窩移動通信也存在少量競爭，但WiFi也會成為蜂窩移動通信的補充。3G技術雖是一個比較完美的系統，但不能保證有效的區域和范圍，WiFi可以發揮對3G的重要補充作用，WiFi技術與3G技術的結合將會有廣闊的發展前景。

由于WIFI具有寬帶數據接入和以太網傳輸的強大功能，因此，它也可作為煤礦綜合自動化監控數據傳輸、光纖環網對接和多網合一的網關設備應用，是目前煤礦較好的寬帶數據通訊解決方案。

6 結束語

鑒于在實際應用中存在這些問題，影響了基于WiFi的井下無線通信系統在煤炭企業中的應用效果，因此建議在目前井下無線通信系統設備選型中暫緩使用該項技術，但任何一項新的技術在發展及實踐應用中總是需要一個相對完善的過程，期間技術暴露缺陷的同時也在改進；隨著WiFi廠家對該項技術在實際應用中的不斷改進以及該項技術自身具備的多項優點——寬帶數據接入和以太網傳輸的強大功能，特別是WiFi協議本身以及其網絡的特性，使得基于WiFi無線技術的通信設備可以符合煤礦安全要求，并應用于煤礦的特殊環境，改變井下無線通訊長久以來一直徘徊在窄頻范圍的現狀，相信不久的將來該技術在煤炭行業會有矚目的前景。

參考文獻：

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[2]程德強.礦井無線通信技術及其發展趨勢[J].工礦自動化.2007(5).P36-39.

[3]楊士娟.井下無線通信網絡系統研究[D].青島：山東科技大學，2006.

作者簡介：馮瑾（1988—），女，河北石家莊人，漢江大學物理與信息工程學院07級學生（班號：B07073021），通信工程專業。