WiFi通訊技術在煤礦井下的應用

WiFi通訊技術在煤礦井下的應用著者姓名：___________指導老師：___________日期：___________WiFi通訊技術在煤礦井下的應用摘要：WiFi技術應用到煤礦井下是一種新的解決礦井無線通訊方案，其主要是發(fā)展一種低成本的無線網絡，在煤礦有較好的發(fā)展前景，文章著重介紹WiFi通訊技術的特點和WiFi技術如何應用于煤礦井下，實現(xiàn)平安生產及有線、無線結合的信息傳遞。井下通訊系統(tǒng)是煤礦平安防護及生產調度必不行少的設施，目前我國井下主要通汛為有線方式。由于井下環(huán)境差，巷道分布多，干擾信號源多，對無線的發(fā)展障礙多，但隨著技術發(fā)展，近年泄漏技術、小靈通術、無線對講技術及WiFi技術相繼用于煤礦井下。關鍵字：WIFI通信技術無線射頻礦井通訊前言 由于煤炭礦井生產環(huán)境的特別性，井下作業(yè)對生產管理有特別高的實時性要求，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(lián)系，將生產一線的各種狀況上報，實現(xiàn)統(tǒng)一指揮統(tǒng)～調度。雖然煤炭企業(yè)對生產安全都非常重視，但事故的發(fā)生是不確定性的，事故發(fā)生后必需依據當時狀況，實行果斷措施進行處理，對井下人員進行緊急搶救。但井上對井下人員的監(jiān)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(fā)生時，不能剛好、準確的得到井下人員的信息，無法做出正確的決策，以致會造成搶險不剛好，有可能貽誤對生命的搶救。因而對于現(xiàn)代化的各煤炭企業(yè)，實現(xiàn)下井作業(yè)人員與調度管理員的實時通訊，使井上人員及時駕馭井下人員的動態(tài)分布及作業(yè)狀況，開發(fā)建設煤礦井下無線調度通信系統(tǒng)已成為各煤炭企業(yè)實現(xiàn)煤炭平安生產調度和保障生產人員平安的迫切須要。由于煤礦井下的特殊性，制約了井下無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，我國井下無線通信系統(tǒng)始終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(fā)展以及我國科技研發(fā)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(tǒng)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。1WiFi技術介紹WiFi(WirelessFidlity)又稱為802．1lb標準，運用2．4GHz干脆序列擴頻，最大傳輸速率為54bit／s，并可依據信號強弱把傳輸速率調整為5．5bit／s、2bit／s及1bit／s。在2．4GHz及5GHz頻段上免許可，具有成本低、終端便攜、寬帶等特點，組網系統(tǒng)主要包括無線站點、AP節(jié)點及網絡服務器，站點和節(jié)點問可以實現(xiàn)級聯(lián)連接或組建局域網，站點可以實現(xiàn)幾乎Hub的全部功能。WiFi技術在地面的短距離無線通訊中已有多年的應用，相對其他無線寬帶技術來說比較成熟牢靠。由于WiFi協(xié)議本身限制其設備的功率，使這類設備可以設計成符合煤礦平安要求的本質平安型設備，增加在井下的運用范圍，并且可以變更井下無線通訊許久以來始終徘徊在窄頻范圍的現(xiàn)狀，使無線通訊方式在井下得到更多的運用。2將WiFi技術應用到煤礦井下主要解決的關鍵技術 (1)節(jié)點有線信號遠距離傳輸技術。 (2)節(jié)點本安供電技術。 (3)節(jié)點無線信號天線及覆蓋方式。 (4)手持機本安處理及電池平安愛護技術。 (5)適應井下工業(yè)以太環(huán)網傳輸?shù)男盘柟?jié)點技術。 (6)系統(tǒng)組網方式及拓撲結構探討。3寬帶無線通訊系統(tǒng)設計思路及工作原理 整個系統(tǒng)以WiFi無線網絡和TCP／IP協(xié)議為基本架構，以礦井工業(yè)以太環(huán)網為整個系統(tǒng)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(qū)域，最終實現(xiàn)煤礦寬帶無線通訊。系統(tǒng)工作原理簡潔來說就是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(qū)域的每一臺手持機安排一個IP地址，并自動為其在管理軟件中注冊，將數(shù)據存人數(shù)據庫。注冊后的手持機即可正常通話。呼叫季節(jié)點收到手持機發(fā)出的無線信號，并將其調制打包后通過礦J}j嘲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(qū)域的節(jié)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。期間全部經軟件處理的數(shù)據都會存人數(shù)據庫作為查詢依據。 系統(tǒng)數(shù)據流程示意圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)數(shù)據流程示意圖4系統(tǒng)主要設備的設計原理4．1信號節(jié)點 信號節(jié)點采納有線方式與網絡交換機連接，主要包括IP信號調制電路、無線射頻信號調制電路、電源部分j天線等主要組成部分。IP信號調制電路主要作用是將IP信號經調制后，運用載波進行遠距離傳輸，或者反之。信號調制電路采納模塊化設計技術，分為處理器單元、調制解調單元、IP協(xié)議轉換單元、電源電路單元等組成。詳細結構如圖2所示。圖2系統(tǒng)結構4．2無線射頻電路 無線射頻信號調制是系統(tǒng)的重點。采納了WiFi、IEEE802．3以及IEEE802．3u標準，支持CS．MA／CA，CSMA／CD，TCP／IP、DHCP，ICMP，NAT協(xié)議。 WiFi定義了用于無線局域網(WI。AN)進行通信的物理層和媒體訪問限制(MAC)子層。系統(tǒng)采納了其中的IEEE802．11g，在物理層采納2．4GHz的無線頻率，最大的速率達54bit／s。在數(shù)據鏈路層的MAC子層，運用了“載波偵聽多點接Ⅳ沖突避開(CSMA／CA)”媒體訪問限制(MAC)協(xié)議。與有線連接部分采納了IEEE802．3，因為節(jié)點是無線和有線兼顧，所以須要支持802．3。802．3描述了物理層和數(shù)據鏈路層的MAC子層的實現(xiàn)方法，在多種物理媒體上以多種速率采納CSMA／CD訪問方式，對于高速以太網該標準說明的實現(xiàn)方法有所擴展。而IEEE802．3U則是100bit／s以太網的標準。4．3天線設計 天線作為無線設備的信號收發(fā)部分，干脆確定無線設備的通訊實力和運用方式。信號節(jié)點的天線設計借鑒了GSM、CDV～等公共信息網對隧道、樓宇的覆蓋閱歷，選用了旁瓣電平低、波瓣窄、前后比高、方向性強的背設天線，并依據實際狀況設計了拋物面和柵狀背板兩種結構，其中拋物面天線直徑較小，增益較高，覆蓋距離遠。柵狀天線具有較高的抗風實力，適用于礦井風速較高的位置運用。4．4手持機的電池愛護 鋰電池愛護電路圖如圖3所示，該愛護回路由兩個MOSFET(VI、V2)和一個限制IC(N1)外加一些阻容元件構成。限制Ic負責監(jiān)控電池電壓與回路電流，并限制兩個MOSFET的柵極，MOSFET在電路中起開關作用，分別限制著充電同路與放電回路的導通與關斷．c3為延時電容，該電路具有允電愛護、放電愛護、過流愛護與短路愛護功能。圖3鋰電池愛護電路5系統(tǒng)管理軟件 系統(tǒng)管理軟件有號碼管理、實時性通活處理、通話時間記錄、通話強行拆除、監(jiān)聽、錄音等功能。整套軟件采納J2EE(JDK5．0)開發(fā)平臺．以Java為主，實現(xiàn)SIP協(xié)議，低層語音傳輸利用UDP，運用到的協(xié)議還R11P，RTCP，TCP／IP等。數(shù)據庫采納SQL5．0，服務器操作系統(tǒng)wINDOwS2()00／20()3。在軟件開發(fā)中采納多線程并行通訊技術。異步通訊技術等先進技術，系統(tǒng)管理軟件主要由服務管理模塊、號碼管理模塊、實時通話模塊、通話管理模塊、通話日志模塊、系統(tǒng)參數(shù)設置模塊、系統(tǒng)平安管理模塊等組成。這些模塊又可劃分為更細的模塊組。6系統(tǒng)功能特點 (1)系統(tǒng)可與其它設備利用井下工業(yè)以太環(huán)網的信息傳輸平臺，運行穩(wěn)定、牢靠性好，無須鋪設獨立的通訊線路。 (2)將寬帶無線通訊技術引入井下，實現(xiàn)了礦井寬帶無線數(shù)據通汛，通訊帶寬可達到54M。 (3)系統(tǒng)通訊設備采納了標準TCP／IP協(xié)議，具有很強的網管實力。 (4)通過開放的WiFi協(xié)議，可便利接人任何符合WiFi協(xié)議標準的設備，實現(xiàn)全礦井平安生產各環(huán)節(jié)的無線數(shù)據傳輸。 (5)系統(tǒng)憑借寬帶的優(yōu)勢突破了傳統(tǒng)無線通訊類設備頻帶和信令數(shù)量的限制，可同時容納大量用戶在線通訊。 (6)系統(tǒng)采納遠程本質平安供電和通訊設備本質平安的方式，便利使無線通訊的覆蓋范圍延長進回風區(qū)域和工作面。 (7)系統(tǒng)通訊線路采納敏捷便利的星型結合樹型的混合拓撲結構。 (8)系統(tǒng)可通過網關設備與調度系統(tǒng)無縫連接。 (9)系統(tǒng)開關限制功能：系統(tǒng)管理員可以通過系統(tǒng)開關限制功能啟動和關閉管理系統(tǒng)。 (10)系統(tǒng)狀態(tài)顯示功能：系統(tǒng)能顯示管理主機的配置和狀態(tài)。 (11)號碼注冊管理功能：注冊管理功能能顯示管理主機的注冊用戶信息，當管理系統(tǒng)收到注冊懇求，管理主機能同步更新數(shù)據庫，管理員能手動刪除或添加注冊信息。 (12)通話狀態(tài)顯示：通話狀態(tài)顯示功能應包括：參加通話號碼、通話發(fā)起者、通活相應者、通活起先時間、目前會話狀態(tài)。 (13)撥號權限設置及監(jiān)聽、強拆、錄音功能：撥號權限沒置功能應能沒置手持機撥號通話優(yōu)先級、呼叫限制和呼叫權限等．監(jiān)聽、強拆、錄音功能可通過系統(tǒng)軟件設置，對特定號碼進行監(jiān)聽、強拆和錄音。 (14)通話13志功能：通話13志功能應能記錄肯定期限的通活歷史記錄．含通活號碼、通活時間和通話時長等。 (15)參數(shù)沒置功能：參數(shù)設置功能包括：系統(tǒng)基本參數(shù)設置、系統(tǒng)配置設置，管理員登錄權限修改、密碼修改等。結束語:由于無線網絡的便利與高效等顯著的優(yōu)勢特點，近年來，無線APP的應用迅猛的增長。國內外已經起先著手以無線標準來建設城域網，考慮到其各種優(yōu)勢。WIFI的無線地位將會日益堅固。WIFI技術具有為可移動性、價格低廉等眾多優(yōu)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長的領域。由于數(shù)據速率、覆蓋范圍和牢靠性的差異，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備的系統(tǒng)但不能保證有效的區(qū)域和范