無線自組網絡在音頻電透視探測中的應用

劉耀波，張 軍

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

隨著煤礦對安全要求的逐步提高，適合煤礦水害井下精細探測的物探技術越來越受到重視，其中針對工作面水文地質探測的音頻電透視技術應用范圍很廣[1-4]。該技術能夠適用于井下環境，可以在工作面開采前快速預報地質異常體可能發生位置，最大限度地減少災害損失，確保礦井安全。

音頻電透視施工時，需要在同一工作面相鄰巷道的任意位置保持實時通信暢通。隨著技術的進步以及煤礦安全標準的提高，傳統的通信方式已經被逐步淘汰。在礦井現有條件無法滿足音頻電透視施工的條件下，一種能夠實現巷道任意位置實時通信技術顯得尤為迫切[5-9]。

目前相關廠家多是通過LORA、NB-IOT等無線通信技術將地面數據實時發送回云端數據庫，而且大多是應用在畜牧業和農業方面，井下地球物理探測領域應用較少[10-13]。因此，設計一種集成多種數據通信方式，開發標準數據接口平臺軟件，實現井下實時通信的低成本裝備勢在必行。

隨著智慧礦山理念的提出以及物聯網技術的飛速發展，若能將無線自組網技術引入煤礦井下音頻電透視探測技術，也將是智慧礦山理念的一個重要展現。可以解決現有技術問題，無線通信穩定，必將會引領礦井通信技術的變革。

1 音頻電透視探測技術

由于煤礦各種煤(巖)層之間存在電性差異，影響人工激發電場的分布形態。礦井音頻電穿透法就是利用專用儀器，在井下觀測人工激發場源分布規律，達到解決回采工作面水文地質問題的目的。礦井音頻電穿透法是在兩個巷道同時作業，在施工過程需要在工作面其中一個巷道布置信號發射儀器與供電電極，同時移動信號發射儀器與供電(發射)電極；在工作面另一個巷道布置信號接收儀器與接收電極，同時移動信號接收儀器與接收電極，對工作面進行以發射點為中心的扇形掃描，達到探測工作面地質異常體的目的，探測施工方式，如圖1所示。在探測施工中需要發射端儀器與接收端儀器保持實時通信、保持2臺儀器發射—接收信號同步，這就需要能夠在井下使用的便攜式實時通信設備。

圖1 音頻電透探測工作布置Fig.1 Layout of audio frequency penetration detection

目前礦井的通信方式多為有線環網、光纖或4G基站等方式，有線方式攜帶不便，4G基站通信在遇到巷道轉彎時通信信號會受到嚴重影響，因此，這些通信方式都難以應用于音頻電透視施工。

2 無線自組網軟硬件開發

無線自組織網絡具有多跳式無線接力聯接、不依賴于基礎通信設施、攜帶方便、成本較低等特性適應井下音頻電透視施工。可以用視距聯接的方式配置通信節點，實現較好的無線連接。每個通信節點與其相鄰的節點通信，降低了通信節點的功耗，采用電池供電，通信系統靈活，便于安裝和使用[14-16]。

2.1 系統組成與功能

無線自組網模塊具有藍牙功能，可通過藍牙與手機APP通信，APP配置無線模塊成功后，Mesh結構可實現任意組合無線透傳功能，多跳結構可實現低功耗長期運行。具有Mesh自組網和多跳兩種模式。Mesh模式實現無線透傳，通電后任意模塊都可穩定建立無線連接。多跳模式具有低功耗及分支傳輸特點。自組網絡系統硬件組成框架如圖2所示。

圖2 自組網絡系統硬件組成框圖Fig.2 Hardware composition of hoc network system

系統硬件主要分為供電模塊、接口模塊、自組網模塊、功放模塊和物理模塊。①供電模塊采用12 V電池供電，電池自帶充電電路；②接口模塊支持多種接口協議的轉換，包括傳感器的模擬接口；③自組網模塊提供物理層支持，在多跳中繼的應用場景下，通過跳頻圖案切換來保證傳輸帶寬在多跳后不會明顯下降；④功放模塊包含線性功放和大功率開關，保證足夠的通信距離；⑤物理模塊主要完成自組網協議配置、自組網網絡協調、傳感器數據處理、上層應用解析等。

軟件應用主要有傳感器數據采集、接口協議轉換和自組網網絡協議，根據需求可以配置為星型網、鏈狀網和Mesh網。

無線終端具備無線、藍牙和WiFi通信功能，ID等由藍牙配置；手機可通過藍牙查看設備狀態和配置參數；手機APP可通過設備傳輸語音信息；終端數據可以通過WiFi、以太網RJ45或藍牙通信，井下可視環境下通信距離不小于500 m。無線傳輸模塊傳輸方式如圖3所示。

圖3 自組網絡信息傳輸方式Fig.3 Information transmission mode in ad hoc network

為了適用于礦井音頻電透視探測，無線自組網在傳統通信模塊的基礎上，著重開發了音頻模塊、無線中繼模塊、物聯網模塊及無線終端軟件。

2.2 音頻傳輸模塊

為了保證井下語音實時通信可靠，首先重點設計研發了無線自組網的音頻模塊，系統框圖如圖4所示。音頻模塊硬件系統是以基于Android操作系統的ARM11平臺作為主控制平臺，通過主控制平臺調度子模塊，實現相應的功能。兩個不同巷道使用人員的語音信號經過語音模塊采集、數模轉換、放大濾波后傳到主控制臺；主控制臺進行進一步處理，通過串口控制無線收發模塊，實現語音信號點對點實時傳輸。無線收發模塊實現動態無線自組網絡的組建、消息收發等任務，使用時只需要通過無線終端觸摸屏進行人機交互完成上述操作。

圖4 音頻模塊硬件系統框Fig.4 Hardware system block diagram of audio module

2.3 低功耗無線中繼模塊

無線自組網絡主要由無線中繼模塊與手持式控制終端組成。中繼模塊具有對信號的處理和各節點之間的無線通信功能，是數據的接收者也是轉發者，通過各節點網絡將數據向手持式控制終端發送。

音頻電透探測自組網通信技術可以根據礦井下復雜的環境及作業需求布置無線中繼模塊，達到精確數據穩定傳輸的目的。無線中繼模塊是系統的核心，它的運行狀態和抗干擾能力都對系統有重要的影響。為了保證通信的可靠性，無線中繼模塊之間的通信可以隨著距離的變化選擇不同功率的天線。考慮到音頻電透施工的特點，無線中繼模塊的布置應在探測施工之前進行，只需打開布置的無線中繼模塊電源，便可利用自組網特性自動建立區域無線網絡，為探測工作提供實時通信服務。

基于礦井安全標準的要求、儀器探測施工的特點，需要使用低功耗的無線自組網網絡體系。設計的重點是降低無線中繼模塊的自身功耗，目的是實現以超低功耗工作，完成數據傳輸。這里采用STM設計的信息采集單元，其功耗為192 μA/MHz，工作電壓為1.8 V。實現低功耗的方法主要有處理器多功耗模式以及低功耗軟件兩個方面。多功耗模式主要是運行、休眠、待機3種運行模式。其中休眠模式時1個計時器工作，功耗為6 μA；待機模式為時鐘運行，保存后備寄存器，功耗為1 μA；運行模式以32 kHz頻率運行，功耗為10 μA。同時利用低功耗的振蕩器與處理器，可大幅度降低工作功耗。

根據礦井音頻電透施工的特點，選擇適合的無線中繼模塊通信組網協議，完成無線中繼模塊網絡應用層數據通信協議設計。根據傳輸距離、通信帶寬以及功耗等方面的要求，針對不同通信協議參數特性，對常用的藍牙、WiFi、ZigBee等無線網絡通信協議進行了對比分析[17]，分析結果見表1。

表1 無線通信協議對比Tab.1 Comparison of wireless communication protocols

音頻電透施工通常現場環境較為復雜，為了避免使用過程中能耗過高，使系統維持較長工作時間，無線中繼模塊需要能夠安全可靠地工作，且需要具有大規模組網能力。根據對比認為，ZigBee協議能夠滿足以上要求。

2.4 物聯網模塊

由于礦井條件及探測施工的特殊性，通信方式需要采用靈活的、不依賴有線的方式。這里采用物聯網技術作為無線通信的主要手段，物聯網技術集成了網絡技術、數據庫技術、無線通信和傳感技術等多種技術的集合體。根據系統需求，物聯網模塊功能主要考慮基礎功能、信息傳輸、信息查詢、信息錄入、導入導出等功能。

基礎功能主要是指系統的登錄與注銷；信息傳輸指語音信息的實時發送與接收；信息查詢指完成用戶信息、物聯網卡信息的查詢；信息錄入指通過手持式終端將采集的數據信息錄入系統存儲器；導入導出指將本地數據或其他信息導入到系統內部，或將系統數據導出到本地。

物聯網模塊前端采用C#軟件開發，該軟件開發系統主要包括UML、代碼管控等工具。數據庫管理模塊采用SQL Server 2008 Express，虛擬服務器采用Workstation搭建工具。

2.5 手持終端軟件

手持式終端采用防爆智能手機，軟件采用Python語言編寫，支持面向對象開發，并有底層類庫的支持，可以創建對象，具有快速開發的能力。手持式終端管理軟件釆用面向對象的方法設計，其軟件框架如圖5所示。手持式終端管理軟件服務器采用OfficeSIP Server3.6，數據庫采用SQL Server 2008，這也是數據庫管理中常用的數據庫版本。

圖5 手持式控制終端軟件框圖Fig.5 Software block diagram of handheld control terminal

無線自組網絡工作中主要傳輸實時語音信息，同時保證井下數據信息。即系統將語音信息傳輸的信號歸類為主級別信號，其余信號歸類為次級信號。主級信號具有較高的優先級，當檢測有語音信息時切換優先級，保證語音通信的帶寬。ZigBee網絡通過防爆智能手機與網絡中的其他手機通信，包括發送、接收語音通信、文字消息以及數據文件等。

3 功能應用試驗

3.1 測試環境

在煤礦井下巷道中，對無線自組網絡系統的主要功能進行了測試。測試環境如下：系統管理軟件及數據庫在防爆智能手機運行，系統的操作系統采用Andriod6.0。每500 m布置一個無線中繼模塊，在巷道的每個拐彎處布置一個無線中繼模塊，巷道長2 000 m，切眼寬度300 m，共布置10個無線中繼模塊，同時需要2臺防爆智能手機作為終端控制系統。無線自組網絡布置如圖6所示。

圖6 無線自組網絡布置示意Fig.6 Layout of wireless ad hoc network

3.2 功能驗證

系統管理軟件在注冊后，可以查看用戶在線狀態。在2個巷道的用戶同時在線后開始測試系統功能。

測試開始后防爆智能手機系統管理軟件可以呼叫另一個巷道的系統管理軟件，接通后雙方可以開始通話。首先一側終端發起消息，另一側終端收到后與其建立聯系。類似于對講機，可以主動向終端發起語音，也可以等待終端發起語音。如果網內有多個終端，可以根據收到的消息的順序排序，選擇先接通哪個終端請求，其他終端繼續等待或者重新發起。

通過測試對無線自組網絡系統的通信距離測試測試、語音性能測試，驗證了系統能實現語音數據包的傳輸，測試結果達到預期效果。

4 結論

根據音頻電透視探測的特點，設計了適用于該施工特點的無線自組網絡，通過設計、分析、測試基本達到了預期的功能。

主要分析了礦井無線自組網絡的基本構成，主要研究了音頻傳輸模塊、低功耗無線中繼模塊、物聯網模塊以及手持式無線終端系統軟件。通過對自組網絡系統關鍵節點的研究，建立了具有無線連接、雙向語音通話、發送和接收文件等多種功能的無線自組網絡系統。

由于礦井無線自組網絡所處環境的特殊性，不同于其他網絡系統，目前這方面的研究還處于起步階段。還有諸如建立礦井視頻實時聯系、提高語音通話容量以及其他服務質量等技術難題需要攻克。