基于WiFi 技術的井下無線通訊系統在工業以太網上的應用

◆畢道玲

（淮北礦業集團臨渙煤礦 安徽 235000）

我國煤礦井下光纖環網技術已經相對比較理想，但是由于礦井巷道自身具有較為獨特的復雜性，而且一些因素會不斷出現變化，這也使得井下的一些區域在布線的時候具有一定的難度。所以，在井下相關區域設置無線WiFi 通訊設備具有一定的優勢，其自身可以采用AP 進行無線終端數據采集，這樣有利于更好數據進行儲存，從而實現全面的處理與分析，這樣能夠有效克服當前有效傳輸在礦井各方面造成的干擾，從而避免光纖受到的影響，減少其自身帶來的問題。

1 系統組成架構與功能

該系統組成一般包括井下和地面兩個部分，請加部分包含人員定位設備以及無線通信設備和視頻采集設備，在具體過程中還需要眾多的設備進行支持，這樣有利于工作更好展開，具體可以參考下圖1。

圖1 WiFi 通訊系統框架圖

救生引導緊急廣播但是在突發事件時，可以通過其獨特的形式做好分析，同時還能將預案語音文件進行快速引導，這樣可以實現與警報的有效對接，從而實現警報聯動的功能。

視頻+語音的多媒體通信可以有效實現視頻調度和語音調度，這樣能夠將多種監控模式進行有效結合，同時還能形成現場畫面的自由切換與調度，以此實現遠程控制的形式，而且還能夠支撐當前現場環境的監控以及生產的警告等功能。

關于井下定位，一般都是由WiFi 終端和井下WiFi 形成，通過基站進行調度，然后在經商中心進行定位，從而通過平臺組成對應的定位系統，其自身具有人員管理、考勤、定位以及緊急通知等功能。

通話錄音是一項獨特的系統，通過有效的方法記錄整個作業的過程，這樣有利于任務的下達和信息的手機，這樣的情況下形成了信息統一處理和結合，從而為后續的工作提供較好的經驗，并形成良好的依據。

雙機熱備，熱度終端可以實現注冊，同時還能將其做好各項工作，這樣有利于實現調度設備最佳的運用，以此保證井上和井下的最佳通信形式。調度員可以通過撥叫號碼的形式發起會議，允許用戶通過手機或是其他智能終端融入到會議，這樣有利于更好做好現場指揮，同時也不需要調度臺前的一些情況，從而形成對應的決策，這樣有利于各項工作的有效展開，而且該功能還能防止一些其他非授權人員隨意開啟會議，手機和固化也可以作為當前的智能終端，這樣可以提高整體的可用性和兼容性。

緊急呼叫，系統其自身具有一定的優先預備能力，在緊急狀況發生時，可以通過不同的資源做好保障，同時還能確保線路的運用，這樣可以最大程度的確保應急通訊的順暢。

2 人員定位與語音通信系統

目前人員定位通常都是采用2.4GHz 的無線RF 芯片形成的，這一類芯片在傳輸的過程中運用的傳輸寬帶相對比較小，這也導致標識卡片只能通過發送自身的ID 顯示少量的數字信息。在當前WiFi 自身技術的結合下，可以實現系統的整合，具體可以參考下圖2。

圖2 帶語音功能的WiFi 收發信機框圖

（1）定位原理以及實現方法

利用RSSI（接收信號強度）來實現定位的算法相對比較多，采用具體模型算法時，需要明確信號強度與距離之間的關系，從而形成對應的公式，同時還要明確接收信號與其自身的距離，以此形成AP 之間的距離，其中要明確接收信號的功率為dBm，并明確其自身為常數，這樣能夠實現自由空間的損耗系數了解。

定位實現：通過標識卡發出對應的信號并由AP 接收，這樣能形成有效的對接，以此實現卡值的計算。

（1）AP={a1，···，an}其自身代表了全部的節點，而且ai指代第n個信號接收，其中1≤i≤n。

（2）A={0，1}，其神代表節點的各個階段和對應的狀態，而且其狀態通過1 和0 的形式進行表達。

（3）R={Ra1，···，Ran}其自身代表了不同節點之間的結合，其中節點ai的收益表示為1≤i≤n。

（4）RSSI={Wai，LWan}則對應的表示全部節點，而且其自身具有能量合集，在任意一個節點中ai中，其主要的能量參數為Wcostai∈Wai、Wreaminai∈Wai，其中前者代表節點所消耗的能量，而后者則表示節點剩下的能量。

（5）AP 節點的數據傳輸具有一定的概率性，其中Paiaj∈P，同時其自身也代表一個節點，在朝向aj 進行轉發時，節點ai 對應的轉發概率為1。

在對應的對應的條件下某個節點可以通過廣播將自身的信息進行傳輸，同時還能傳輸給鄰接點，通過這樣的方式獲取全局的節點信息，在整個過程中需要對節點進行分析，而且在傳輸的過程中會形成一定的能量，所以在進行傳輸時候需要確保其自身的能量，在對其進行剩余能量的調節。

在信號的接受通過對節點分度以及垂直分量進行分析，還應該做好相應的考慮工作，在結合節點坐標以較好的形式進行表述，可以以（x，y）進行表示，以（x0，y0）作為源點坐標，能夠得出（xe，ye）的節點坐標。

為了彌補無線信號的不穩定性，應該將 d 作為最終距離，然后通過有效的方式獲取對應的公式AP=πr22-r2，，mq=S’/（πr2）=（πr2/2-r2）進行驗證，從滿足條件（x-x0）2+（y-y0）2≤（xe-x0）2+（ye-y0）2并且（x-xe）2+（y-ye）2≤（xe-x0）2+（ye-y0）2，其自身形成節點的集合。

在滿足上述條件的參與節點結合為Mp=丨Ap丨，其中Ap=AqIAc。

在當前最初的環境下，Ai 表示的是位于節點i 通信范圍的全部節點，在組網階段，節點可以通過廣播將自身的節點進行信息傳播，這樣能夠為模型網絡性能進行全面分析，假定在最初的條件下為了能夠進行信息傳播節點轉換，為[Wcost1，Wcost2.···，Wcostn]，Wcost1≈Wcost2≈···≈Wcostn?？紤]到其自身的節點自身具有一定的一致性，因此，在消耗[Wcost1，Wcost2.···，Wcostn]后各節點的剩余能量基本相同，因此，信號接收消耗是可以忽略不計的。

（2）語音采樣及編解碼

根據當前對語音構成的分析，多采取不同的音頻好進行解壓，一般會用到CELP、RELP、VESELP、MP 等，通過不同的算法，實現音頻信號的壓縮。這些壓縮編碼算法在壓縮率和語音質量上各有千秋，其中美國相應的公司表示采取有效的對應解壓編碼算法能夠實現較好的整合，這樣可以確保AMBE 的整體特率，從而確保高質量的語音算法，這也是當前語音音質編碼速率的最大優點，其中AMBE-1000 是一款高性能的多速率的編碼語言，其自身的語音編碼調節速率高達2400-9600bit/s 內，并且以50bit/s 的間隔變化實現改善，及時在2400bit/s 時，仍然能保持自然的聲音質量和語音調控。在芯片內部能夠形成互相獨立的語音編碼單元和解碼單元，這樣可以實現芯片的內部完成，而且不需要其他的設備支持。

3 工業以太網

工業以太網是指技術上與商用以太網的融合，在產品設計的過程中需要結合實際情況做好產品材質的選擇，同時還要明確產品自身的強度和實用性，這樣能夠滿足當前多方面的工業現場需求。工業以太網是將以太網應用于工業控制和管理之中。工業以太網的融入可以整合當前一些環形技術，從而形成最為先進的玩過技術，這樣能夠確保相關的煤礦數據以最佳的效果進行傳輸，以此提高整體的可靠性和實效性。當前系統下的設定子系統可以為他們進行改善，而且系統通過選用赫斯曼千兆交換機可以實現較好的調整，一般情況下會由2 臺MACH3000 作為核心交換機，其中每個子系統交換機需要采用2 臺MS4128 作為主要交換機，這樣可以采取RS30 作為交換，同時還能實現環繞的光纜形式，以確保其自身的設定，并在相應的基礎上實現較好的改善，以及確保工業以太網的有效運用，同時還能全面提高其整體的速率。

不過目前來看，以太網的應用還存在一定的不足，具體體現在以下幾個方面：（1）在具體的開展過程中大部分廠家提供的都是交換機光口，而當前一部分千兆工業的以太網交換機智能提供電口。（2）現有的工業以太網已經接入網絡攝像儀以及變電信息集成等功能，從而形成對應的系統，在介入后需要采取有效的方法避免存在的干擾問題。（3）部分交換機電口雖然擁有，但是沒有較好的辦法接入。（4）如何實現系統和生產以及形成電話的胡同是當前的重點。

針對上述的問題解決方案有以下幾點：（1）利用光纖收發器，不過利用光纖收發器其自身需要提供發器電源，而且光前熔點相對較多，可能會給后續的工作帶來極大的影響，光前收發器占據的空間較大。（2）改變當前的無線通訊交換機，并將其接口進行更改，將其接口變為電口。而且在具體的開展中需要做好思考工作，需要結合實際情況將VLAN 口進行劃分，可以將其分化為“1”信息采集和化集控，這樣可以更好的用于生產系統和傳輸?！?”將其有效應用于井下無線通訊系統以及安全語音廣播系統之中?！?”用于視頻和井下各變電所，一般是生產中的重要區域，可以實現監控。（3）增加耦合器的合成方法，先將入換網交換機的光纜進行抽出，然后放入對應的設備，這樣可以實現無線通訊，并將其融入到設備之中，從而通過設備實現整合，再將其融入光纜之中，這樣不僅能夠解決當前光纜的問題，還能改善其自身存在的問題，不過其缺點是只能使用光纖收發器。（4）將網關設備與程控交換機進行銜接，再利用數字中繼器進行連接，通過相應的SIP 協議，實現了無線通訊系統的銜接，從而形成對應的行政電話和生產電話互相聯通。

4 監測監控系統

目前煤礦井下的各種CH4和CO 以及O2，都會采用傳感器進行接收，一般情況下都采用頻率信號進行輸出，多采用200-1000Hz，現有的系統都是將各種傳感器接入監控分站之中，再由監控分站傳輸至地面中心，這樣能夠確保其有效的傳輸，同時還能節省一定的設備成本，而且傳感器數據通過2km 的傳輸引入電磁干擾，能夠給系統形成一定的改善，從而確保其自身的不確定因素。因此，在具體的開展需要增加一個WiFi 模塊，再將傳感器數量融入網絡之中，這樣有利于將傳感器的數據以WiFi 的形式傳輸給附近的AP 熱點，以此形成對應的監控效果。

5 移動數字視頻

現有的煤礦視頻監控系統都是在井下特定的位置進行安裝，然后在固定的區域使用攝像儀器，通過這樣的方式實現銜接，而且這種方式采用的WiFi 是十分高效的，再采用膠帶的巡查攝像儀進行銜接，以此實現移動視頻的采集。視頻圖像傳輸無線化打破了傳統電纜和光前的限制，從而解決當前硬件連接不利的局面，其自身具有較好的靈活性和方便性，而且網絡傳輸最高速度可達到300Mbit/s，能夠適用于高差運輸、高碼流、高畫質的音頻，而且在抗干擾等方面也具備一定的優勢。

綜上所述，現階段組建工業以太網無線通訊系統尤為重要，而且還需要重視其WiFi 系統的建立，這樣能夠實現無線通訊系統與行政電話的胡同，在當前數字化時代的背景下，應該總是信息化礦井的建設工作，同時還要采取有效的方法做好銜接，以此確保無線網絡平臺的穩定性，并發揮其自身的重要意義。不過目前來看，由于多方面的問題導致其自身的使用不夠理想。因此，相關人員應該給予一定的重視，并采取有效的方法做好改善，以此形成全面的規劃。