有限空間WIFI無線信號覆蓋測量系統設計研究

嚴屹

【摘要】眾所周知，礦井內的環境空間是有限的，所以要想在有限的礦井空間內將WIFI信號完全覆蓋是有很大的問題存在的。所以設計人員就針對這一難題設計了一種在有限空間內WIFI信號覆蓋的精確的測量系統。這種系統把單片機硬件的技術還有Labview軟件平臺結合在一起，研發出了一種使用USB為總線的便攜形式的功率計，這種設備用來測量WIFI無線信號的強弱度數值，這種設備的點頻信號源是壓控振蕩器，而壓控振蕩器又必須要以精密的電壓來進行控制，把這些集合在一起來完成對WIFI無線信號在有限空間強弱度的測量，并且把測量得到的數據進行收集、記錄并對其進行分析，有必要時還要進行畫圖表進行顯示。

【關鍵詞】有限空間WIFI無線信號覆蓋測量系統

隨著通信技術發展的越來越快，煤礦在信息化技術這方面的要求也有了更高的要求，在較短的距離中的無線通信簡稱為SDR技術，就是以WIFI作為其代表的技術。SDR技術具有很多的優點和性能，比如說：發射功率低、系統容量大、消耗的功能低、傳輸的功率低等除了這些工作上的優點外，還具有很強的抗故障的能力，對故障的維修方便、可以很好地實現煤礦電路安全的設計等自身適合于煤礦本質的特點。因為這些優越的自身性能還有特點，讓煤礦開采行業都在廣泛的使用SDR這門信息化的技術。雖然在煤礦井下WIFI無線信號符合寬帶網絡設計建設的要求，但是由于煤礦井下的空間有限，WIFI網絡信號的全面覆蓋還是存在著很大的問題。因此我們在設計WIFI無線網絡信號在有限空間的覆蓋工程圖紙時，一定要結合實際，使設計能夠更好地適應有限空間里WIFI信號的覆蓋。

一、無線電波的傳播特性

1、無線電波在自由空間的傳播特性

隨著時間變化而產生變化的電場還有磁場是無線電波的組成部分，這兩部分的電場和磁場之間是相互轉化并且兩者是相互依存的，在這種不斷的轉化和依存的條件下，進而漸漸的形成了一個既是統一又具有時變性的電磁場體系。

無線電波傳播分為兩種情況，一種是自由空間傳播，還有一種是有限空間傳播。無線電波在自由空間傳播的形式就是無線電波的自由空間傳播，自由空間在嚴格一點的情況下說就是一種理想的境界，在實際情況下不可能達不到這種超理想的境界。在微波通信里，通常情況下電波發射完信號天線輻射之后，信號的天線輻射里帶有的能量是向輻射周圍的空間不斷擴散的，因此當輻射的能量到達天線的時候就只有一小部分了，信號輻射發射的地點距離天線越近，到達天線的能量就會越多，相反，距離越長，到達天線的能量就會越小，這種情況的出現就被叫做電波信號在自由空間傳播中的衰減，也有專業的人員稱它為自由空間之中電波信號的損耗。

2、無線電波在有限空間之中的傳播特性

有限的空間里的無線電波的傳播特性是非常復雜的，WIFI無線電波在煤礦井之下的傳播形式就可以看做是無線電波在有限的空間環境里傳播的一種情況。工人們煤礦井下的采集和挖掘煤炭的通道都是十分狹小的，通道內的地面有的粗糙還有的坎坷不平，周圍有著煤碳和各種各樣的石頭，還有工人挖掘煤塊所需要要用到的工具、手腳架、吹風機、鋼軌、動力線等等物品，工人們工作的空間十分的狹小。而工人們工作的巷道又有著不同的物理結構，它們的巷口形狀也是各異的，有長方形的還有正方形和梯形的，巷道的表面也是起伏不平的，有的傾斜，有的粗糙，還有的彎曲，深淺也不一樣。所以當無線電波在煤礦井下的有限空間里傳播時主要有以下幾種方式：（1）直射波：是指在眼睛可以看到的范圍內的沒有任何遮攔的傳播，它的損耗就是傳播過程之中路徑的損耗。（2）反射波：任何電波在傳播時都會發生不同程度的反射。（3）繞射波：有一些不規則的物體和物質會存在于發射機和接收機之間，這些不規則的物體還有物質會在電波傳播過程中使電波發生繞射，就是會有二次傳播的情況在障礙物的表面發生。（4）散射波：散射波一般會發生在巷道的壁面，還有巷道的灰塵之中。

還有就是煤礦井內的有限空間環境十分復雜，使得WIFI無線電波的信號在傳播時會受到些限制，會發生損耗，主要有以下幾種情況：（1）路徑傳播的損耗：就是電波在自由空間傳播中的損耗，它的損耗是接受信號信息平均值的直接反映。（2）慢衰落：指的是接收信號的值在較長時間內的緩慢的變化。（3）快衰落：主要與井下有限空間的環境還有多路徑的效應有關。（4）多徑效應：在煤礦井下的有限空間里有很多的反射、散射和折射現象，這使傳播的環境更加的復雜多變了，接收機所接受到的信號是在各個環節過程中的總和量。

二、無線電波在有限空間的測量方法

1、有限空間內WIFI無線信號測量的方法

沒有消耗且均勻的物質構成的空間就是我們所說的自由空間，自由的空間是無限大的空間，電導率在自由空間里為零，與之相對的介電常數還有磁導率也都為1，因此WIFI無線電信號在自由空間里的傳播不會產生吸收，散射還有反射情況和現象。相比之下WIFI無線信號在有限空間里的傳播就會有諸如反射、繞射和散射等的情況發生，所以根據WIFI信號在空間中的分布情況分析得知，我們要想了解WIFI信號在有限空間的分布情況，就一定要進行大量的測試。

2、有限空間無線信號測量設備的開發

WIFI無線信號的測量系統設備在煤礦井內的有限空間里主要有下面幾種：（1）定向發射天線：發射的天線型號為HDJ-2400BKC14的定向天線發射，它有100M的寬帶，是專門用來發射電頻信號源的。（2）電頻信號源：如圖1所示，就是電頻信號源的結構，它的精密電壓源為7.2V的電池電壓，把電壓源內的直流電轉化為直流的電壓，讓輸出的電壓值穩定在5V，再利用精密的電阻儀器對電壓進行分壓，并通過此種方法得到所需要的電壓，然后再通過壓控振蕩器將輸出的信號頻率最終定在WIFI的信號頻點，使用功率放大器將放射的信號功率進行無限的放大，讓信號的強度逐漸增加，以此達到測量的要求。（3）功率計：我們要采用虛擬儀器的思想來進行功率計的設計工作，使設計出的功率計適合于USB的總線，適合于USB總線的這種功率器具有便攜式的優點，功率器的整體結構主要有硬件系統和上位機軟件系統。功率器射頻信號的調理以及數據的采集和存儲主要由功率計的硬件系統負責，通過USB接口來完成通信，采用50歐標準的SMA頭作為射頻信號的輸入接口。由Labview來編寫上位機系統的軟件，使用它來接收數據，并且要對接收到的信號數據進行分析，還要對功率的顯示進行校準，圖2就是基于USB總線便攜式功率計的結構示意圖。（4）硬件系統設計。射頻信號在通過SMA接口之后會進入到衰減網絡里，并且在衰減網絡里會使射頻信號發生衰減，之后再通過檢波電路把射頻信號轉換為低頻信號，將低頻信號在AD電路里實現模塊的轉換，再通過微控制器將模塊逐漸的轉變成模數，并且將得到的數據存儲在外部存儲器里，這樣就可以有效地防止采集到的數據發生再次丟失的情況，最后再將數據從外部存儲器里讀取到USB的接口，這樣一套工序下來之后，硬件系統和上位機之間的通信就完成了。其中上位機的結構如圖3所示。

三、基于USB功率計校準

功率計是一種測量的設計儀器，它的測量的準確度是一項十分重要的指標。基于此，我們必須要采用合適的測量算法，把采集到的數據轉化為對應的功率值，讓測量的精度和我們預定的誤差值不會有太大的差別。功率計工作的校準主要是AD采樣值還有轉換的功率值之間的關系以及轉換值的誤差等。頻率在800M-6GHz范圍之內的所有的射頻信號都是本功率計的測量范圍也就是我們平常所說的-50~+10dBm之間的射頻信號。AD采樣的數據功率可以假定為Pad，實際的功率就可以認為是Pw，我們運用最小二乘法將采樣值的功率和實際的功率擬成這樣的關系公式：Pw=k×Pad+B，其中B是一個定值，然后再對頻響誤差進行補償，但是不同的功率計其所反映的功率值也不相同，所以就會有頻響誤差的存在。

四、有限空間WIFI無線信號的測量

本文之中的設計對于有限空間WIFI信號的測量進行了系統而全面的準備，使人員可以更好的對無線信號進行系統的測量，從而得到WIFI信號覆蓋的數據，更好地為我們完善設計做出貢獻，我們還可以通過測量的結果制作出一個宏觀的系統的圖表，并且將所得到的數據制成一個折線統計圖，我們可以從圖表中得到關于有限空間WIFI無線信號的覆蓋結果。圖表如4：

五、結語

對于有線空間內的WIFI無線信號覆蓋的測量是一項復雜且艱難的工作，我們一定要做好相應的設計，把測量的工作系統化，使有限空間內WIFI無線信號的測量工作的困難可以得到一定的緩解，為煤礦井下的開采工作提供便利，使經濟和科技得到更好的發展。

參考文獻

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