基于WIFI技術(shù)的礦用機(jī)車(chē)無(wú)線(xiàn)通信與定位系統(tǒng)研究

【摘要】針對(duì)礦山現(xiàn)有機(jī)車(chē)通信普遍采用的漏泄通信系統(tǒng)可靠性低、功能單一等缺點(diǎn)。本文提出了一種基于WIFI技術(shù)的礦用機(jī)車(chē)無(wú)線(xiàn)通信與定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)礦用機(jī)車(chē)的通信聯(lián)絡(luò)、定位跟蹤、調(diào)度管理功能。具有信號(hào)覆蓋范圍廣、傳輸帶寬高及可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。很好的解決礦用機(jī)車(chē)行駛過(guò)程中噪音大環(huán)境中語(yǔ)音通信質(zhì)量差的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)礦用機(jī)車(chē)的跟蹤定位及實(shí)時(shí)通信調(diào)度，有效地避免了礦用機(jī)車(chē)行駛過(guò)程中的可能產(chǎn)生堵塞甚至碰撞的事故。提高了礦用機(jī)車(chē)的安全生產(chǎn)的效率，具有良好的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】WIFI技術(shù);礦用機(jī)車(chē);無(wú)線(xiàn)通信;定位

1.引言

礦用機(jī)車(chē)的通信聯(lián)絡(luò)和調(diào)度管理是許多煤礦急待解決的一個(gè)難題，礦井下的使用的機(jī)車(chē)主要以架線(xiàn)式及蓄電池式機(jī)車(chē)為主，井下工人、材料、設(shè)備以及煤炭運(yùn)輸還都依賴(lài)礦用機(jī)車(chē)，如何在正常進(jìn)行工作安排，以及井下機(jī)車(chē)的交接班、臨時(shí)調(diào)整運(yùn)人運(yùn)貨班次、緊急情況下的搶險(xiǎn)救援等都需要了解到機(jī)車(chē)所處的位置，在短時(shí)間內(nèi)與目標(biāo)機(jī)車(chē)進(jìn)行通訊聯(lián)絡(luò)。本文對(duì)現(xiàn)有礦用機(jī)車(chē)的通信系統(tǒng)存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析探討，設(shè)計(jì)出基于WIFI技術(shù)的礦用機(jī)車(chē)無(wú)線(xiàn)通信與定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)有效利用WIFI技術(shù)[1]，以礦用機(jī)車(chē)為載體，以光纖網(wǎng)絡(luò)為骨干，在礦用機(jī)車(chē)行駛的沿線(xiàn)設(shè)立若干基站，以無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)為延伸，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信手段，構(gòu)建出實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)的覆蓋面廣的礦用機(jī)車(chē)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)體系，能夠通過(guò)礦調(diào)度指揮中心或機(jī)車(chē)調(diào)度室的調(diào)度管理平臺(tái)監(jiān)控井下所有機(jī)車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)及所處位置，并且對(duì)這些礦用機(jī)車(chē)能夠及時(shí)有效地進(jìn)行調(diào)度管理。

2.現(xiàn)有礦用機(jī)車(chē)通信系統(tǒng)存在的問(wèn)題分析

2.1 井下網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍有限

現(xiàn)有的機(jī)車(chē)通信調(diào)度方式大多數(shù)仍以泄漏通信系統(tǒng)為主，泄漏通信是利用特制的表面連續(xù)開(kāi)孔或疏編的同軸電纜（又稱(chēng)泄漏電纜）沿巷道傳輸無(wú)線(xiàn)信號(hào)的通信方式。由于電磁波在沿泄漏電纜傳輸時(shí)不斷向周?chē)臻g輻射電磁能量，電纜中的電磁信號(hào)變得越來(lái)越弱，因此漏泄通信系統(tǒng)中通信采用大量的雙向中繼器來(lái)延長(zhǎng)通信距離。由于中繼器在放大信號(hào)的同時(shí)，也同時(shí)將噪聲同步放大，將造成通信質(zhì)量的下降，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常使用。而且漏泄通信系統(tǒng)的覆蓋距離受到中繼器加入的數(shù)量影響，只能進(jìn)行局部范圍的信號(hào)覆蓋。

2.2 設(shè)備資金投入大，網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定

由于當(dāng)前井下機(jī)車(chē)通信主要依靠漏泄電纜來(lái)傳輸，因此為保障礦用機(jī)車(chē)的正常作業(yè)以及調(diào)度指揮中心或機(jī)車(chē)調(diào)度室能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)車(chē)運(yùn)行情況監(jiān)測(cè)及調(diào)度指揮，就需要在網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋工作區(qū)內(nèi)敷設(shè)全段的漏泄電纜及安裝若干數(shù)量的中繼器，這樣大規(guī)模設(shè)備及漏泄電纜的使用，將會(huì)極大地增加企業(yè)在井下通信方面的資金投入。同時(shí)由于漏泄通信系統(tǒng)極易受干擾，且系統(tǒng)中的任一中繼器出現(xiàn)故障都會(huì)造成該中繼器以后的部分整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓。從而也在無(wú)形中增加了企業(yè)在設(shè)備維護(hù)以及檢修方面的人力財(cái)力投入。除此之外，漏泄通信系統(tǒng)不穩(wěn)定性也增加了機(jī)車(chē)在井下作業(yè)時(shí)的危險(xiǎn)性，安全問(wèn)題得不到全面可靠的保障。

2.3 智能化程度低，可擴(kuò)展性較差

現(xiàn)有的泄漏通信系統(tǒng)設(shè)備科技含量較低，屬于模擬通信。也就導(dǎo)致了其智能化程度有待提高。礦用機(jī)車(chē)司機(jī)通常采用手持對(duì)講機(jī)來(lái)進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)，由于泄漏通信系統(tǒng)極易受干擾且機(jī)車(chē)在運(yùn)輸行駛過(guò)程中的噪音較大，導(dǎo)致手持對(duì)講機(jī)通話(huà)因雜音大而無(wú)法聽(tīng)清楚對(duì)方聲音。該泄漏通信系統(tǒng)的組網(wǎng)方式簡(jiǎn)單，配套設(shè)備較少，不能有效進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化及其他功能的擴(kuò)展，只能夠?qū)崿F(xiàn)單一的語(yǔ)音通信，針對(duì)目前井下機(jī)車(chē)運(yùn)輸?shù)恼{(diào)度管理需要，除了需要可靠的語(yǔ)音通信聯(lián)絡(luò)外，還需要實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車(chē)的定位跟蹤，甚至對(duì)機(jī)車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控。以保障井下機(jī)車(chē)安全高效的服務(wù)于礦井的生產(chǎn)。

3.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

礦用機(jī)車(chē)無(wú)線(xiàn)通信與定位系統(tǒng)架構(gòu)如下圖1所示：

圖1 礦用機(jī)車(chē)無(wú)線(xiàn)通信與定位系統(tǒng)構(gòu)架圖

礦用機(jī)車(chē)無(wú)線(xiàn)通信與定位系統(tǒng)通過(guò)在機(jī)車(chē)運(yùn)行沿線(xiàn)安設(shè)礦用無(wú)線(xiàn)基站，礦用無(wú)線(xiàn)基站之間可采用光纖或雙絞線(xiàn)進(jìn)行傳輸，并可接入工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)與機(jī)車(chē)調(diào)度室內(nèi)的調(diào)度指揮平臺(tái)連接，形成礦用機(jī)車(chē)無(wú)線(xiàn)通信與定位網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)安裝有車(chē)載終端的機(jī)車(chē)在運(yùn)行工作的過(guò)程中，機(jī)車(chē)司機(jī)可采用車(chē)載終端與機(jī)車(chē)調(diào)度員或其他機(jī)車(chē)司機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的語(yǔ)音通信，并且系統(tǒng)能夠?qū)?chē)載終端進(jìn)行跟蹤定位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)井下機(jī)車(chē)進(jìn)行定位[2]。系統(tǒng)具有了抗干擾能力強(qiáng)、通話(huà)音量大且音質(zhì)好、定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，極大提高了機(jī)車(chē)運(yùn)輸?shù)男剩嵘藱C(jī)車(chē)安全管理的水平。

4.系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)

4.1 WIFI技術(shù)

WIFI，全稱(chēng)Wireless Fidelity，是當(dāng)前流行的一種無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)，又稱(chēng)802.11標(biāo)準(zhǔn)，是IEEE定義的一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具有覆蓋范圍廣、可靠性高、傳輸速率快、有效距離長(zhǎng)等特點(diǎn)。IEEE 802.11是IEEE最初制定的一個(gè)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，主要包括802.11a/b/g標(biāo)準(zhǔn)，其中802.11a工作在5GHz頻段上，傳輸速率可達(dá)54Mbps，但是不能兼容802.11b標(biāo)準(zhǔn)。802.11b標(biāo)準(zhǔn)是無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.11規(guī)定的發(fā)射功率在100毫瓦內(nèi)，可使該類(lèi)設(shè)備設(shè)計(jì)成完全符合煤礦安全要求的本安型設(shè)備。

4.2 系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)路由層面的相關(guān)技術(shù)

當(dāng)前，無(wú)線(xiàn)WIFI技術(shù)的開(kāi)展應(yīng)用要以路由器為基本設(shè)備前提，井下無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的構(gòu)建需要面對(duì)多項(xiàng)不同應(yīng)用的路由協(xié)議的共同作業(yè)。首先是路由協(xié)議中的定點(diǎn)協(xié)議，通過(guò)建立龐大的井下與井上聯(lián)通的網(wǎng)絡(luò)，以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)控制中心為定點(diǎn)，然后通過(guò)對(duì)一定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的聯(lián)通形成一個(gè)完善的基于數(shù)據(jù)的封閉梯級(jí)層次的路由，實(shí)現(xiàn)對(duì)范圍內(nèi)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋。這種路由協(xié)議是基于查詢(xún)驅(qū)動(dòng)的，通過(guò)節(jié)點(diǎn)的建立來(lái)發(fā)布查詢(xún)，是被廣泛應(yīng)用的路由協(xié)議之一。其次是自適應(yīng)的分層路由，是將路由覆蓋分層化，把需要覆蓋的范圍劃分成多個(gè)較小的區(qū)域，并且在各個(gè)小區(qū)域內(nèi)設(shè)立節(jié)點(diǎn)，通過(guò)在節(jié)點(diǎn)安裝數(shù)據(jù)感應(yīng)器將區(qū)域內(nèi)的情況傳送到數(shù)據(jù)控制中心。當(dāng)然，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳送要設(shè)定一定的期限規(guī)律，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)井下?tīng)顩r的定期監(jiān)測(cè)。還有一種路由協(xié)議的靈活度、自由度更大，能夠通過(guò)事件在井下的位移實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，并且通過(guò)數(shù)據(jù)篩選，只向井上傳輸需要觀測(cè)的區(qū)域的數(shù)據(jù)情況，而這個(gè)過(guò)程也是一個(gè)建立節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程。

4.3 系統(tǒng)定位技術(shù)

礦用機(jī)車(chē)的定位采用的是單純基于蜂窩小區(qū)標(biāo)識(shí)的定位方法，由于礦井下巷道為條形通道結(jié)構(gòu)，礦井蜂窩結(jié)構(gòu)也就形成了鏈狀小區(qū)覆蓋?；诜涓C小區(qū)標(biāo)識(shí)的定位方法就是通過(guò)借助蜂窩小區(qū)制無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的位置估算，把通信區(qū)域劃分成一個(gè)個(gè)相對(duì)獨(dú)立的小區(qū)，相鄰小區(qū)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫相連，每個(gè)小區(qū)分別由一個(gè)小區(qū)基站來(lái)控制，礦用車(chē)載終端攜帶著身份識(shí)別，并根據(jù)機(jī)車(chē)運(yùn)行過(guò)程中所處位置隸屬相應(yīng)小區(qū)，小區(qū)基站同時(shí)具有不同的小區(qū)編號(hào)，系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)控礦用車(chē)載終端所隸屬的小區(qū)從而可以定位礦用車(chē)載終端的位置，實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)的跟蹤定位。

4.4 礦用車(chē)載終端設(shè)計(jì)

礦用車(chē)載終端是礦用機(jī)車(chē)無(wú)線(xiàn)通信與定位系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，該車(chē)載終端主要由音頻編解碼單元、音頻功放單元、WIFI接口單元、電源管理單元等組成。

礦用車(chē)載終端的原理框圖如圖2所示：

圖2 礦用車(chē)載終端原理框圖

4.5 礦用無(wú)線(xiàn)基站設(shè)計(jì)

礦用無(wú)線(xiàn)基站也是礦用機(jī)車(chē)無(wú)線(xiàn)通信與定位系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，該無(wú)線(xiàn)基站主要由MCU主控單元、以太網(wǎng)接口單元、光端機(jī)接口單元、電源管理單元、射頻單元、天線(xiàn)等組成，實(shí)現(xiàn)橋接及無(wú)線(xiàn)信號(hào)覆蓋。

礦用無(wú)線(xiàn)基站的原理框圖如圖3所示。

圖3 礦用無(wú)線(xiàn)基站原理框圖

5.系統(tǒng)的應(yīng)用前景分析

5.1 系統(tǒng)定位技術(shù)應(yīng)用

對(duì)于礦用機(jī)車(chē)的定位而言，主要是通過(guò)WIFI技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控礦用機(jī)車(chē)的具體位置，礦車(chē)在井下的行車(chē)軌跡，車(chē)輛當(dāng)前的前進(jìn)方向等方面。車(chē)輛當(dāng)前的上述情況都能夠通過(guò)井下通信傳輸網(wǎng)絡(luò)及時(shí)傳達(dá)給調(diào)度指揮中心或機(jī)車(chē)調(diào)度室的工作人員，從而能夠?qū)ΦV車(chē)在作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)的異常行為進(jìn)行監(jiān)控以便及時(shí)處理。除此之外，還能夠在保障井下產(chǎn)量的同時(shí)通過(guò)對(duì)礦用機(jī)車(chē)的跟蹤定位避免車(chē)輛行駛過(guò)程中的堵塞甚至碰撞的事故。通過(guò)與礦方現(xiàn)有人員定位系統(tǒng)結(jié)合，當(dāng)機(jī)車(chē)在行駛的過(guò)程中遇到前方有人在行走或作業(yè)時(shí)，提前以擴(kuò)音廣播的警示語(yǔ)音播放提醒前方行人注意避讓?zhuān)_保行車(chē)安全，避免事故的發(fā)生。對(duì)于礦用機(jī)車(chē)工作效率的發(fā)揮，提高企業(yè)安全生產(chǎn)管理水平，都具有極其重要作用。

5.2 系統(tǒng)擴(kuò)展性功能應(yīng)用

系統(tǒng)采用WIFI技術(shù)實(shí)現(xiàn)了礦用機(jī)車(chē)司機(jī)的實(shí)時(shí)語(yǔ)音通信及跟蹤定位功能。除此之外，鑒于WIFI具有覆蓋范圍廣、傳輸帶寬高等特點(diǎn)，系統(tǒng)直接接入礦用IP廣播終端可擴(kuò)展IP廣播通信功能;系統(tǒng)直接接入有線(xiàn)/無(wú)線(xiàn)攝像頭可實(shí)現(xiàn)固定或移動(dòng)場(chǎng)所的視頻監(jiān)控;系統(tǒng)直接配備礦用多媒體終端能夠?qū)崿F(xiàn)視頻、語(yǔ)音、環(huán)境數(shù)據(jù)等多媒體通信功能。鑒于以上諸多可擴(kuò)展功能，最終可形成綜合型通信系統(tǒng)，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

6.結(jié)語(yǔ)

礦用機(jī)車(chē)無(wú)線(xiàn)通信與定位系統(tǒng)集通信與定位功能于一體，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了礦用機(jī)車(chē)的通信聯(lián)絡(luò)、定位跟蹤、調(diào)度管理功能，且具有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋范圍廣、傳輸帶寬高及可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，滿(mǎn)足了井下機(jī)車(chē)調(diào)度管理的需求，對(duì)于提高礦用機(jī)車(chē)工作效率及企業(yè)安全生產(chǎn)管理水平，都具有極其重要作用。系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)、性?xún)r(jià)比高，具有廣泛的應(yīng)用前景，對(duì)于建設(shè)現(xiàn)代化礦井具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]程德強(qiáng)，劉偉，錢(qián)建生.礦井無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)[J].工礦自動(dòng)化，2007（5）.

[2]茍怡，郭海軍.精確定位技術(shù)在煤礦井下的應(yīng)用研究[J].機(jī)電與信息化，2010（8）.

[3]姚善化，范駿.礦井跟蹤定位通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2007，35（2）.

[4]祝彥，譚凱，羅劍.基于WIFI技術(shù)的礦用機(jī)車(chē)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的應(yīng)用[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，10（5）.

作者簡(jiǎn)介：曹田兵（1980—），男，江蘇東臺(tái)人，工程師，主要從事礦用通信產(chǎn)品的研制與推廣工作。