煤礦WI-FI無線通信技術研究及應用

【摘要】 本文研究是以徐莊煤礦通信需求為背景，為井下設計建設一套無線調度通信系統。針對當前徐莊煤礦工業信息化的建設情況，對WI-FI無線技術及組網IP技術進行了研究分析，采用將WI-FI無線技術與光纖環網技術有效結合的方式，提出了基于WI-FI技術的井下無線調度通信系統的實現方案，并對方案進行具體的應用分析、設計和研究。

【關鍵詞】 WI-FI 無線通信 煤礦 工業環網

一、緒論

由于煤礦生產環境的特殊性，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、絞車司機、瓦檢員、皮帶維護工等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。煤礦事故的發生是不確定性的，事故發生后必須依據當時情況，采取果斷的措施進行處理，對井下人員進行緊急搶救，但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。目前井下的有線通信遠遠不能適應井下大量流動作業人員及其管理上的需要，因此研究應用一套完善、可靠的井下無線通信系統對于煤礦提高效率和實現安全生產至關重要。

二、 國內外研究現狀

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，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、WI-FI技術。

2.1 WI-FI技術

WI-FI（WirelessFidelity），是一種無線局域網數據傳輸的技術與規格，也就是IEEE定義的無線通信標準IEEE802.11。無線局域網是有線局域網的擴展和替換，是在有線局域網的基礎上通過無線HUB、無線訪問節點（AP）、無線網橋、無線網卡等設備使無線通信得以實現。WI-FI屬于短距離無線技術，覆蓋范圍可達幾百米，使用的是2.4GHz附近的頻段。其整個系統以WI-FI無線網絡和TCP/IP協議為基本架構，以礦井工業以太環網為整個系統的主干傳輸平臺，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。

2.2 Wi-Fi與相關技術比較

漏泄通信系統存在著抗災變能力差、大量的串聯中繼設備導致可靠性差、系統不具備冗余功能等問題，通信終端存在功能單一、信道容量小的缺陷。感應通信系統存在著體積大、重量重、信道容量小、通信距離短等問題。透地通信系統存在著設備體積大、重量重、信道容量小、地面設備功率大、地面天線布置困難、單向通信（地面向井下）等問題。 PHS（小靈通）通信系統與3G（大靈通）通信系統存在著基站控制器和基站非本質安全型防爆、系統不具備冗余功能、抗災變能力差、井下基站至地面最大通信距離不滿足井下通信10公里的要求等問題，通信終端存在功能單一、信道容量小的缺陷。考慮到礦井下的特殊性和經濟性，還是選用Wi-Fi更適合井下局域網的環境。

三、系統設計要求

煤礦井下是一個特殊的工作環境，有潮濕、易燃、易爆和腐蝕性氣體，無線傳輸衰耗大（例如，在地面通信距離可達數幾千米的對講機，在井下通信距離僅有百米）等特點。對于煤礦礦井這一特殊環境，徐莊煤礦井下無線通信系統不同于一般的地面無線通信系統，它應有以下特殊的要求：

⑴無線通信的傳輸技術應適應煤礦井下的工作環境，設備還應有防塵、防水、防潮、防腐、耐機械沖擊等防護性能。

⑵無線通信設備應具有較強的抗干擾能力，應采用安全性能好的本質安全型。

⑷無線通信系統的體積不能很大，通信設備發射功率符合國標。

⑹無線通信設備的電源電壓波動適應能力強，備用電源應維持不小于2小時的正常工作。

⑺無線通信系統應有較強的抗故障能力。

⑻系統應具有較大的信道容量。能滿足礦井生產調度的需要，且可以與煤礦行政、調度通信系統聯網，形成一個統一的、資源共享的通信平臺。

四、工作原理

徐莊煤礦所設計的礦井無線通信系統應由地面監控系統、井下分站和移動通信終端組成。地面監控系統負責整個系統的管理與控制，通過地面監控系統可以對井下人員以及相應設備進行實時的監控。地面監控系統任務可由服務器并配有相應數據庫管理軟件完成。井下分站為整個系統的關鍵部分并負責多項功能。

系統工作原理：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正常通話。呼叫時節點收到手持機發出的無線信號，并將其調制打包后通過礦用網絡交換機送到地面管理主機，經軟件處理后又經礦用網絡交換機送到覆蓋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經過振鈴提示并調制成語音給與持機者，完成一次通話。

4.1系統組成

系統由IP交換機、地面環網接入器、礦用環網接入器、礦用本安型光網絡終端、礦用本安型基站、礦用本安型WIFI手機及其它配套設備所組成。系統按實際使用要求，通過增加或減少基站的數量，改變無線覆蓋范圍，可實現全礦井、大區域或小區域的無線通信。

4.2 IP調度交換機

調度交換機是系統的軟交換中心，采用IP語音通信，同時支持語音通信，實現在一個網絡上傳遞語音和數據。集成全套的語音、數據、互聯網服務和多種整合通信功能，滿足礦方的調度通信要求，并能適應未來的發展。

4.3 環網接入器

為系統網絡提供中繼和接口，為礦井信息化提供百兆以太網，實現數據、信息交換。礦用環網接入器與基站連接的接口，傳輸光信號或電信號。

4.4 礦用本安基站

無線網絡的接入點，是無線收發單元，它是從用戶到網絡以及從網絡到用戶之間的通信傳輸站。通過雙絞線與礦用DSL接口連接或通過光纜與礦用環網接入器連接，或直接與礦用環網接入器連接。根據不同的使用環境，可配置不同增益值及方向的天線。井下分站作為礦井移動通信系統的關鍵部分，應具有多項重要功能。因為考慮到分站的體積重量以及分站內部包括多個功能模塊，不適宜做成本質安全型，因此將分站做成隔爆兼本質安全型。

4.5礦用本安WIFI手機

本安手機是無線通信系統的終端設備。完成話音或數據信號與無線信號之間的轉換，與基站間構成無線鏈路，實現無線移動通信。每一臺進入無線AP覆蓋范圍的合法WIFI手機，均通過地面管理服務器分配一個IP地址，并進行注冊。呼叫時，基站將收到的手機無線信號處理后通過以太網交換機送到地面管理服務器，地面管理服務器根據手機的相關信息，處理后再通過以太網交換機送到目標手機所在區域的基站，呼叫手機完成相互通話。

五、設計方案

徐莊煤礦無線通信系統設計方案：將徐莊礦井上的辦公區域采用地面無線基站進行覆蓋，在井上系統信號覆蓋區域，手提電腦和智能手機終端均可自由上網；井下采用防爆無線基站對主要巷道進行覆蓋，井上井下基站通過線纜接入基站控制器，井下防爆基站控制器通過光纜與交換設備連接。設備擁有豐富的中繼接口，可以通過語音交換機與礦上現有的行政交換機以及局端交換設備對接，系統采用模塊化設計，方便后期的擴容。同時該系統遵循信息產業部相關標準，綜合應用智能天線、幀同步等高新技術，通過標準化、開放的接口實現與其他交換設備的對接等，實現終端井上井下以及公網的通話功能；通過調度臺的接入，可以實現井上井下無線終端的一體化調度，極大地提高煤礦安全生產管理效率。

5.1 系統架構

系統分為井下設備和井上設備。井上設備包括：地面通信與監測中心控制計算機、IP調度臺、數據服務器和交換機；井下設備由井下基站、連接光纜、井下手機、識別卡等組成。

無線通信終端通過無線網絡與礦用多媒體通信接入網關互聯；IP調度臺通過以太網與網關連接；多媒體通信接入網關之間通過光纖互連組成千兆多環型、環型、鏈型或星型的任意組合網絡；識別卡通過無線網絡與礦用多媒體通信接入網關互聯。數據服務器模塊包括網絡管理服務器、人員定位服務器和視頻管理平臺服務器，所有管理平臺服務器均通過以太網與礦用多媒體通信接入網關連接。

IP調度臺內置有SIP服務器，用以實現VoIP通話；IP調度臺通過話音中繼接口與公網市話系統或企業內部電話系統互聯，從而實現井下人員間、井下到礦區、井下到公網的全面通話。井上、下設備均安裝有不間斷后備電源系統，在停電環境中系統可以正常工作。系統滿足井下爆炸性氣體環境用電氣設備安全技術要求。

5.2無線網絡組網設計

徐莊煤礦井下巷道長、復雜，井下基站量偏多，考慮無線網絡的可管理性和將來的擴充性，采用中央控制的無線交換機和基站接入架構。所有的管理都由位于網絡核心的無線交換機來實現，大大簡化了對無線接入點設備的配置管理和維護工作，因此突破了傳統無線網絡的管理和維護瓶頸，實現了“零配置”管理和維護。

無線網絡組網設計如下圖1所示：

5.3基站的無線信號覆蓋設計

5.3.1地面設備配置

地面設備主要由IP/PBX網絡語音交換機、無線交換機、數據處理交換機、大基站、全向大功率天線組成； IP/PBX網絡語音交換機、無線交換機、大基站、維護臺與數據處理交換機通過網線連接；無線交換機通過光纜與井下基站控制器連接。地面用大功率基站進行覆蓋，小基站進行室內補盲。

①大基站：在空曠無格擋的情況下，覆蓋半徑約600米，同時信號可以覆蓋所處樓層下面一層。

②小基站：覆蓋半徑約100米，大基站覆蓋不到的樓層，可以視情況架設小基站，以實現信號的全覆蓋。

5.3.2井下設備配置

井下設備主要由基站控制器、基站、電源、手機、標識卡組成；井下的骨干網由基站控制器之間通過光纜鋪設而成；基站與基站控制器之間可以通過礦用通信電纜或光纜連接，手機、標識卡與基站通過空中接口進行通信，每一個基站和基站控制器都有一個單獨的電源供電。也可根據現場使控制器與某一臺基站共用一臺電源。

一個基站配有兩根高頻的全向或定向天線和4根低頻的全向或定向天線；每一根天線都有主、副天線之分，主天線既可以發射信號也可以接收信號，而副天線只可以接收信號。用有線連接時，基站與基站之間相距400米左右；用無線網橋技術時，基站與基站之間相距300米左右。基站的信號在經過彎道以后，衰減非常厲害，在做全覆蓋時，巷道的每一個拐角都要裝基站。

六、應用情況

根據要求，我礦對主副井、-400井底車場、-750井底車場、-400軌道大巷、II1猴車道、-400皮帶大巷、-750軌道大巷、東九猴車道、II3猴車道、西翼猴車道、II3軌道下山、-750皮帶大巷、皮帶暗斜井、采煤工作面及地面工業廣場等主要人員通過區域地點安裝了無線通信基站。目前系統已安裝無線基站約130臺，并為班組長及管理人員配備了210臺本安型手機。系統自2014年5月初在徐莊礦安裝調試并運行以來，已經達到了預期的目的，整體運行情況穩定。

七、結束語

煤礦提高安全生產管理效率，不僅要有正確的決策機制和決策機構，還要有高效實時的通信手段，特別是日常安全生產管理、緊急事故時的指令能實時傳達到礦井的各個工作地點，確保安全生產，提高生產效率。建立井下無線通信系統，實現對井下工作人員進行實時通信與監測，便于指揮調度中心和其他管理人員與井上下人員之間實時便捷通信，實時調度生產和動態跟蹤，對于提高安全生產管理水平、促進煤礦安全預警體系的建立和完善，使煤礦安全監察由被動式變為預防式具有重要的意義。

本文研究設計的礦井移動通信系統，利用了WI-FI無線局域網技術，系統結構簡單有效，便于部署與運維，符合和滿足礦用特定的使用環境與安全要求，可承載目前井下環境主要的通信業務，必將有廣闊的前景。