基于WIFI技術的礦用機車無線通信與定位系統研究

【摘要】針對礦山現有機車通信普遍采用的漏泄通信系統可靠性低、功能單一等缺點。本文提出了一種基于WIFI技術的礦用機車無線通信與定位系統的設計方案，該系統實現對礦用機車的通信聯絡、定位跟蹤、調度管理功能。具有信號覆蓋范圍廣、傳輸帶寬高及可擴展性好等優點。很好的解決礦用機車行駛過程中噪音大環境中語音通信質量差的問題，通過對礦用機車的跟蹤定位及實時通信調度，有效地避免了礦用機車行駛過程中的可能產生堵塞甚至碰撞的事故。提高了礦用機車的安全生產的效率，具有良好的應用前景。

【關鍵詞】WIFI技術;礦用機車;無線通信;定位

1.引言

礦用機車的通信聯絡和調度管理是許多煤礦急待解決的一個難題，礦井下的使用的機車主要以架線式及蓄電池式機車為主，井下工人、材料、設備以及煤炭運輸還都依賴礦用機車，如何在正常進行工作安排，以及井下機車的交接班、臨時調整運人運貨班次、緊急情況下的搶險救援等都需要了解到機車所處的位置，在短時間內與目標機車進行通訊聯絡。本文對現有礦用機車的通信系統存在的問題進行了分析探討，設計出基于WIFI技術的礦用機車無線通信與定位系統。該系統有效利用WIFI技術[1]，以礦用機車為載體，以光纖網絡為骨干，在礦用機車行駛的沿線設立若干基站，以無線網絡為延伸，通過無線通信手段，構建出實時的動態的覆蓋面廣的礦用機車無線通信網絡體系，能夠通過礦調度指揮中心或機車調度室的調度管理平臺監控井下所有機車的運行狀態及所處位置，并且對這些礦用機車能夠及時有效地進行調度管理。

2.現有礦用機車通信系統存在的問題分析

2.1 井下網絡覆蓋范圍有限

現有的機車通信調度方式大多數仍以泄漏通信系統為主，泄漏通信是利用特制的表面連續開孔或疏編的同軸電纜（又稱泄漏電纜）沿巷道傳輸無線信號的通信方式。由于電磁波在沿泄漏電纜傳輸時不斷向周圍空間輻射電磁能量，電纜中的電磁信號變得越來越弱，因此漏泄通信系統中通信采用大量的雙向中繼器來延長通信距離。由于中繼器在放大信號的同時，也同時將噪聲同步放大，將造成通信質量的下降，嚴重時將導致系統不能正常使用。而且漏泄通信系統的覆蓋距離受到中繼器加入的數量影響，只能進行局部范圍的信號覆蓋。

2.2 設備資金投入大，網絡不穩定

由于當前井下機車通信主要依靠漏泄電纜來傳輸，因此為保障礦用機車的正常作業以及調度指揮中心或機車調度室能夠實現對機車運行情況監測及調度指揮，就需要在網絡信號覆蓋工作區內敷設全段的漏泄電纜及安裝若干數量的中繼器，這樣大規模設備及漏泄電纜的使用，將會極大地增加企業在井下通信方面的資金投入。同時由于漏泄通信系統極易受干擾，且系統中的任一中繼器出現故障都會造成該中繼器以后的部分整個系統的癱瘓。從而也在無形中增加了企業在設備維護以及檢修方面的人力財力投入。除此之外，漏泄通信系統不穩定性也增加了機車在井下作業時的危險性，安全問題得不到全面可靠的保障。

2.3 智能化程度低，可擴展性較差

現有的泄漏通信系統設備科技含量較低，屬于模擬通信。也就導致了其智能化程度有待提高。礦用機車司機通常采用手持對講機來進行通信聯絡，由于泄漏通信系統極易受干擾且機車在運輸行駛過程中的噪音較大，導致手持對講機通話因雜音大而無法聽清楚對方聲音。該泄漏通信系統的組網方式簡單，配套設備較少，不能有效進行系統的優化及其他功能的擴展，只能夠實現單一的語音通信，針對目前井下機車運輸的調度管理需要，除了需要可靠的語音通信聯絡外，還需要實現對機車的定位跟蹤，甚至對機車運行過程中的無線視頻監控。以保障井下機車安全高效的服務于礦井的生產。

3.系統總體設計

礦用機車無線通信與定位系統架構如下圖1所示：

圖1 礦用機車無線通信與定位系統構架圖

礦用機車無線通信與定位系統通過在機車運行沿線安設礦用無線基站，礦用無線基站之間可采用光纖或雙絞線進行傳輸，并可接入工業以太環網與機車調度室內的調度指揮平臺連接，形成礦用機車無線通信與定位網絡。當安裝有車載終端的機車在運行工作的過程中，機車司機可采用車載終端與機車調度員或其他機車司機進行實時的語音通信，并且系統能夠對車載終端進行跟蹤定位，從而實現對井下機車進行定位[2]。系統具有了抗干擾能力強、通話音量大且音質好、定位準確等優點，極大提高了機車運輸的效率，提升了機車安全管理的水平。

4.系統關鍵技術與關鍵設備設計

4.1 WIFI技術

WIFI，全稱Wireless Fidelity，是當前流行的一種無線局域網技術，又稱802.11標準，是IEEE定義的一個無線網絡通信的工業標準，具有覆蓋范圍廣、可靠性高、傳輸速率快、有效距離長等特點。IEEE 802.11是IEEE最初制定的一個無線局域網標準，主要包括802.11a/b/g標準，其中802.11a工作在5GHz頻段上，傳輸速率可達54Mbps，但是不能兼容802.11b標準。802.11b標準是無線局域網領域應用最為廣泛的標準。IEEE802.11規定的發射功率在100毫瓦內，可使該類設備設計成完全符合煤礦安全要求的本安型設備。

4.2 系統無線路由層面的相關技術

當前，無線WIFI技術的開展應用要以路由器為基本設備前提，井下無線網絡通信的構建需要面對多項不同應用的路由協議的共同作業。首先是路由協議中的定點協議，通過建立龐大的井下與井上聯通的網絡，以網絡數據控制中心為定點，然后通過對一定范圍內的數據節點的聯通形成一個完善的基于數據的封閉梯級層次的路由，實現對范圍內的無線網絡覆蓋。這種路由協議是基于查詢驅動的，通過節點的建立來發布查詢，是被廣泛應用的路由協議之一。其次是自適應的分層路由，是將路由覆蓋分層化，把需要覆蓋的范圍劃分成多個較小的區域，并且在各個小區域內設立節點，通過在節點安裝數據感應器將區域內的情況傳送到數據控制中心。當然，節點數據傳送要設定一定的期限規律，從而能夠實現對井下狀況的定期監測。還有一種路由協議的靈活度、自由度更大，能夠通過事件在井下的位移實現網絡覆蓋，并且通過數據篩選，只向井上傳輸需要觀測的區域的數據情況，而這個過程也是一個建立節點網絡的過程。

4.3 系統定位技術

礦用機車的定位采用的是單純基于蜂窩小區標識的定位方法，由于礦井下巷道為條形通道結構，礦井蜂窩結構也就形成了鏈狀小區覆蓋。基于蜂窩小區標識的定位方法就是通過借助蜂窩小區制無線通信系統實現目標的位置估算，把通信區域劃分成一個個相對獨立的小區，相鄰小區實現無縫相連，每個小區分別由一個小區基站來控制，礦用車載終端攜帶著身份識別，并根據機車運行過程中所處位置隸屬相應小區，小區基站同時具有不同的小區編號，系統通過監控礦用車載終端所隸屬的小區從而可以定位礦用車載終端的位置，實現機車的跟蹤定位。

4.4 礦用車載終端設計

礦用車載終端是礦用機車無線通信與定位系統的關鍵設備，該車載終端主要由音頻編解碼單元、音頻功放單元、WIFI接口單元、電源管理單元等組成。

礦用車載終端的原理框圖如圖2所示：

圖2 礦用車載終端原理框圖

4.5 礦用無線基站設計

礦用無線基站也是礦用機車無線通信與定位系統的關鍵設備，該無線基站主要由MCU主控單元、以太網接口單元、光端機接口單元、電源管理單元、射頻單元、天線等組成，實現橋接及無線信號覆蓋。

礦用無線基站的原理框圖如圖3所示。

圖3 礦用無線基站原理框圖

5.系統的應用前景分析

5.1 系統定位技術應用

對于礦用機車的定位而言，主要是通過WIFI技術實時監控礦用機車的具體位置，礦車在井下的行車軌跡，車輛當前的前進方向等方面。車輛當前的上述情況都能夠通過井下通信傳輸網絡及時傳達給調度指揮中心或機車調度室的工作人員，從而能夠對礦車在作業過程中出現的異常行為進行監控以便及時處理。除此之外，還能夠在保障井下產量的同時通過對礦用機車的跟蹤定位避免車輛行駛過程中的堵塞甚至碰撞的事故。通過與礦方現有人員定位系統結合，當機車在行駛的過程中遇到前方有人在行走或作業時，提前以擴音廣播的警示語音播放提醒前方行人注意避讓，確保行車安全，避免事故的發生。對于礦用機車工作效率的發揮，提高企業安全生產管理水平，都具有極其重要作用。

5.2 系統擴展性功能應用

系統采用WIFI技術實現了礦用機車司機的實時語音通信及跟蹤定位功能。除此之外，鑒于WIFI具有覆蓋范圍廣、傳輸帶寬高等特點，系統直接接入礦用IP廣播終端可擴展IP廣播通信功能;系統直接接入有線/無線攝像頭可實現固定或移動場所的視頻監控;系統直接配備礦用多媒體終端能夠實現視頻、語音、環境數據等多媒體通信功能。鑒于以上諸多可擴展功能，最終可形成綜合型通信系統，具有較好的推廣應用價值。

6.結語

礦用機車無線通信與定位系統集通信與定位功能于一體，該系統實現了礦用機車的通信聯絡、定位跟蹤、調度管理功能，且具有網絡信號覆蓋范圍廣、傳輸帶寬高及可擴展性好等優點，滿足了井下機車調度管理的需求，對于提高礦用機車工作效率及企業安全生產管理水平，都具有極其重要作用。系統實用性強、性價比高，具有廣泛的應用前景，對于建設現代化礦井具有重要的意義。

參考文獻

[1]程德強，劉偉，錢建生.礦井無線通信技術及其發展趨勢[J].工礦自動化，2007（5）.

[2]茍怡，郭海軍.精確定位技術在煤礦井下的應用研究[J].機電與信息化，2010（8）.

[3]姚善化，范駿.礦井跟蹤定位通信系統的設計與應用[J].煤炭科學技術，2007，35（2）.

[4]祝彥，譚凱，羅劍.基于WIFI技術的礦用機車無線通信系統的應用[J].遼寧工程技術大學學報，2012，10（5）.

作者簡介：曹田兵（1980—），男，江蘇東臺人，工程師，主要從事礦用通信產品的研制與推廣工作。