蓝牙通信在灾后矿井环境侦测飞行器中的应用

樊明园 童紫原 唐守锋

摘 要：为解决煤矿发生瓦斯爆炸后，救护队员进入巷道后发生二次爆炸事故造成人员伤亡问题，运用基于VoWPAN的蓝牙多跳通信技术，从矿井巷道无线电传输特性、蓝牙通信系统构建和搭载在飞行器上的蓝牙多跳通信系统3个方面，分析将蓝牙多跳通信系统应用在飞行器上进行数据传输的可行性。前面的侦测飞行器负责采集数据，中间飞行器上的蓝牙起中继系统作用，理论研究表明该通信系统对井下侦测飞行器救援有很好的指导作用。

关键词：无线电;蓝牙多跳通信;VoWPAN;侦测飞行器

DOI：10.11907/rjdk.181651

中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号：1672-7800（2019）001-0136-04

Abstract：In order to solve the problem of secondary accidents caused by ambulance members entering the roadway after the gas explosion occurred in the coal mine， which probably causes casualties， we use the VoWPAN-based Bluetooth multi-hop communication technology to analyse the feasibility of using the Bluetooth multi-hop communication system for data transmission on the aircraft from 3 aspects：the transmission characteristics of the radio from the mine roadway， the construction of the Bluetooth communication system and the three-way Bluetooth multi-hop communication system equipped on the aircraft. The front detection aircraft is responsible for collecting data， and the Bluetooth on the middle of the aircraft acts as a relay system. Theoretical research shows that this communication system has a good guiding effect on downhole detection aircraft rescue.

0 引言

藍牙通信技术作为现代广泛使用的近距离无线通信技术，已经广泛应用于日常生活中，但大多数情况下应用在地面等较开阔的场景下。文献[1]介绍了矿井下几种无线通信的可能性，为矿井无线通信研究打下了基础。文献[2]给出了一种油田蓝牙无线语音通信系统，为复杂环境下无线通信提供了一种行之有效的解决方案。文献[3]提出一种基于VoWPAN的新型蓝牙多跳语音通信系统，较好地解决了任意两者之间语音通信问题。目前，矿井下通信大多采用ZigBee或WiFi通信，信息传递也都采用电缆等有线方式，增加了通信难度，特别是矿井发生灾害后，电缆有可能被破坏，影响井下的实时救援。因此，本文采用蓝牙搭载在飞行器上的方式进行无线通信。煤矿在生产过程中，容易发生瓦斯爆炸等事故，二次瓦斯爆炸会造成救护队员伤亡，为了避免这种情况，需进入矿井巷道采集矿井瓦斯浓度等信息，为此研发了灾后矿井环境侦测飞行器。采集的信息通过无线传输方法传到救护队员携带的终端，以判断前方巷道的危险程度，为救援工作提供重要信息。

1 井下巷道无线电传输特性

煤矿井下环境恶劣，巷道结构复杂，多径效应十分明显，电磁波损耗非常大。相对于地面，井下干扰较强，矿井地质环境对通信频率有较大影响，因此在井下进行无线通信比地面要复杂很多。有时为了延长通信距离，需依靠巷道中的导体诱导技术进行远距离传播。

煤矿井下无线电传播方式分为波导模式和单线模式，在矿井巷道没有金属导体情况下，对电磁波的影响为带阻型，如图1所示[4]。

由图1可知，在低频阶段，衰减随频率的增大而增大;在中频阶段，衰减达到最大值，此时的频率最不利于传输;在高频阶段，衰减随着频率的增加反而减小[5-6]。

由于矿井巷道结构比较特殊，电磁波的传输遵循帐篷定律，所以矿井下面的多径效应十分明显，信号的时延性也较大。时延主要是通过码间干扰影响井下无线通信，有时为了保证矿井通信质量，降低通信速率有效可行。矿井下无线电频率的选择既要考虑巷道结构的波导特性，又要考虑矿井下一些物品对电磁波吸收和反射的特性。当电磁干扰比较大时，可采用一些简单方法，如重复发送、交织发送和纠错编码[7]。

根据波导理论，在矿井巷道半封闭空间里，煤的电解质特性使得频率在较高的情况下类似于导体。因为波导是一个高通滤波器，所以频率较高的无线电信号可以在类似于波导的矿井里较为有效地传播。根据光学射线理论，无线电的波长远远小于矿井空间限定的几何尺寸，所以无线电的传播可以看成是光在限定空间里直射、反射、绕射的综合结果[8]。

2 蓝牙通信系统设计

矿井移动通信是矿井现代化作业的重要组成部分，可将井下人员有效组织起来，减少事故发生概率，对于保证矿井正常运行和井下人员安全有着重要意义。

2.1 蓝牙技术特点

蓝牙是一个开放的无线通信标准，和其它无线通信技术相比，具有低功耗、低成本、抗干扰能力强和支持数据语音混合传输等特点。蓝牙技术可方便快捷地和其它蓝牙模块建立链接，而且蓝牙的移植性特别强。

跳频技术是蓝牙的关键技术之一。所谓跳频，就是把频带分解成若干个跳频信道，然后在通信过程中，无线电收发器按照一定的码序列发射和接收，双方不停地从一个信道跳转到另一个信道，因此其它信号无法进行干扰。蓝牙采用跳频和短分组技术，这样可减少同频干扰，保证数据的可靠传输。蓝牙采用前向纠错编码技术，降低了信息远距离传输时随机噪声的影响[9]。当采用低功率发送数据时，只适合在10m范围内通信，在功率增加的情况下，传输距离可达到100m。因此，蓝牙这种短距离传输特性适合矿井巷道通信[10-11]。

2.2 蓝牙通信系统构建

蓝牙通信系统采用一种新型的微微网结构，主机以线形形状组合，主机和分机之间采用微微网方式进行拓扑。微微网结构有一个很大的优点是能使通信沿直线的方向传输，进而增加信息传输的距离，非常有利于井下通信。微微网由主机和分機两种拓扑结构组成，完全满足矿井这种特殊环境对通信的要求。

在通信过程中，主机的任务是对信息进行定时，控制分机接入，主机用轮询方法为分机分配无线通道。主机分配信息后，分机接收信息获得同步，并对井下人员声音进行采集编码，然后主机再接收分机信息进行传输。系统控制部分一般在地面，负责整个蓝牙网络的运行、主机之间的切换及控制信息的收发[12]。

2.3 蓝牙硬件组成

蓝牙硬件部分包括控制单元、蓝牙组件、信息编解码模块以及连接电路。

有时为了减轻控制主单元压力，选择硬件模块完成采集信息和编解码工作。由于井下噪声干扰较严重，所以选择抗干扰性强的CVSD编码芯片处理信号的基带。蓝牙组件通常包括语音编码器、蓝牙模块和天线，外加一些辅助电路。数据传送功能需要将信号调制2.45GHz才能通过天线接收。蓝牙模块的初始化通过控制单元完成，并通过与主机之间建立通信完成语音信号的收发。

通常由带射频功能的基带控制芯片加上天线和外围拓展电路构成蓝牙组件模块。蓝牙摸块可同时实现数据和语音传输，并将功能提高至主机控制接口。主控制单元和蓝牙模块之间可通过串口（UART）进行数据传输，传送速率可达到460kbit/s。

2.4 软件设计

主控制单元和软件之间通过HCI（主机控制接口）收发分组包进行数据传输。控制单元向蓝牙模块发送HCI后，蓝牙模块进行接收。蓝牙模块里的上层协议对蓝牙芯片进行初始化、编辑链路管理、建立链路、拆除链路和将数据打包和分包。蓝牙还要接收模块反馈的HCI事件，根据事件包的命令进行相应处理。根据蓝牙协议的通信方法，数据分组格式采用同步面向链路（64kbit/s）[14]。

虽然蓝牙通信距离短，但其完善的协议栈和适合于限定空间使用的特点使其在矿井通信中应用前景良好。

3 基于VoWPAN的蓝牙多跳通信系统

矿井巷道对无线信号有衰减，无线通信距离有限，为解决这个问题，通信方式采用蓝牙多跳通信系统。研发的环境侦测飞行器采用多个编队进入矿井，排在最前方的飞行器负责采集矿井环境信息，通过无线方式向紧跟后面一定距离的飞行器传输信息。后面的飞行器担当中继通信任务，将信号继续向后面的飞行器传输，通过多个飞行器的中继通信，最终将信号传输至救护队员携带的信号接收终端。

3.1 VoWPAN概述

WPAN是一种短距离无线接入网络，它是一种最靠近使用者的信息传递方式。WPAN对网络的要求比较高，硬件设备必须要有链接无线的能力，对个人手持设备的信息传输速率要求很高。VoWPAN是一种无线多跳通信系统，建立在WPAN系统之上，在一些固定场合应用前景良好[15]。

矿井发生灾害后的环境复杂，本文采用基于VoWPAN的蓝牙多跳通信系统搭载在飞行器上，以期解决井下特殊环境传递信息问题。

3.2 系统构成与运行

本蓝牙多跳通信系统由网关和中继器等设备组成，系统结构如图3所示。

每个飞行器都搭载蓝牙模块，最前端的飞行器负责数据的采集和处理，中间的飞行器负责中继信号，把信息传送到地面指挥中心。蓝牙多跳通信系统具有信号传输质量好、抗干扰能力强的优点，数据采用点到点通信方式。增加中继器扩大了系统信号传输的有效距离，有利于数据传输。

式中，[Pr]表示接收功率，[Pt]表示发射功率，[Gt]和[Gr]分别表示发射及接收天线的增益，[λ]表示波长，[R]表示一个飞行器到下一个邻近飞行器之间的距离。[Pt]是已知量，[Pr]可由读取与这个飞行器连接的蓝牙设备接收信号的强度RSSI获得，剩下的参数都可通过计算得到。

由式（1）可计算出搭载蓝牙设备的飞行器到另一个搭载中继器的飞行器之间的距离，根据计算出的距离信息和信号强度（RSSI）形成路由表，用于蓝牙设备选择中继器跳转的路径。由于飞行器在飞行过程中相对距离可能会变化，所以路由表间隔一段时间就要更新。

中继器是实现多跳通信的核心，所以设置专门的中继器有利于管理和通信。中继器系统框架如图4所示。

控制模块是中继器的核心单元，主要负责运行系统和监督系统工作状态。矩阵开关采用MT8816芯片，可根据软件指令控制通信的中断和打开。

蓝牙模块由PCM编解码器、射频电路和蓝牙基带等组成。控制端通过串口和中心控制单元连接，矩阵开关和PCM信号互连。蓝牙模块通过接收到的指令控制与它最近的飞行器上的蓝牙模块。与此同时，蓝牙芯片内的处理器负责检验接入的蓝牙是否为注册过的，未注册设备不允许接入。在蓝牙系统中，选用Delta公司的dfbm-cf121蓝牙芯片，把采集到的信息编码成13bit的线性PCM信号进行传输。

搭载在中间飞行器上的中继器（蓝牙设备）负责完成中继路由选择、蓝牙协议栈等功能，分为控制端和应用端两部分。控制端负责维护系统安全，通过中继器实现与其它蓝牙的信息交互，中继器设计流程如图5所示。最前端飞行器采集到信号后，蓝牙模块（接收端）接收转接命令，把信息传输给下一个最近的中继器，接着进行信息传递。路由表包含信号强度、距离、目标设备权重等重要信息，需及时动态更新。其中距离表示本中继器到下一跳可选择中继器之间的距离，信号强度由搭载在该飞行器上的蓝牙设备接收信号强度指示获得。中继器跳转链接失败则返回初始值重新连接，直到跳转成功为止[17]。

蓝牙是双向信号传输，采用时分双工传输方案实现全双工传输。蓝牙多跳技术能在数据跳频通信过程中自适应选择最好的跳频频率，实时去掉周围的干扰频率，获得数据传输的稳定性和效率。

飞行器按顺序线形进入矿井，相邻飞行器上的蓝牙建立ACL（访问控制列表），连接时间[Ti，i+1]主要取决于矿井巷道环境和两个飞行器之间的距离。在矿井巷道环境相同和蓝牙发射功率相同的情况下，接收功率函数可近似概括为距离函数。取[Rs]=50m的基准距离，此时飞行器蓝牙端建立连接的时间[Ts]=0.7s。

由于矿井环境特殊，一般不会有过多频率干扰，而且蓝牙采用跳频传输方式，抗干扰能力强，完全能够实现井下采集数据的传输功能[19-20]。

4 结语

基于VoWPAN的蓝牙多跳通信系统实现了飞行器蓝牙之间的点对点通信。本文蓝牙多跳通信系统充分利用VoWPAN技术，系统功耗低、抗干扰性强。矿井发生灾害后，在电磁干扰、矿井空气环境恶劣等情况下仍具有良好的通信功能。使用一跳中继器可靠通信距离可提高到400m左右，完全满足矿井救援机器人的工作需求。该系统应用在矿井环境侦测飞行器上，不仅提高了矿井救援效率，还保证了救援人员安全，在井下救援方面有很好的应用前景。

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（责任编辑：杜能钢）