基于WiFi技术的煤矿井下应急救援无线通信系统设计分析

王智

（牡丹江大学，黑龙江牡丹江，157011）

1 基于WiFi技术构建煤矿井下应急救援系统

煤矿井下发生安全事故之后，煤矿井下电力供应完全切断，所以建立的救援系统从结构上可以分为3个部分，分别是灾变现场救护人员、地面指挥调度中心以及井下无线链路。其中，井下无线链路这一部分主要是由采集终端、无线传输链路部分、布放装置以及井下救援基地组成。而基于通信技术来说，救援通信系统应该是无线通信技术与有信通信技术的结合。

在出现煤矿灾害事故之后，地面救援指挥调度中心首先需要完成救援预案论证，及时确定救援方案。其次，在确定井下情况相对明确的预订位置后，救护人员将会配备有线设备与电缆等进入井下，快速铺设有线电缆和相关设备，迅速搭建井下救援基地平台，并将地面救援指挥调度中心与井下救援基地建立信息。第三，灾变现场周围情况不明区域，可能会出现二次事故，而利用WiFi技术以无线接力的方式，通过自动布放装置能够快速建立无线通信信道，使救援灾变现场拥有通信信道[1]。第四，确定安全区域之后，救援人员可以逐渐向灾变现场推进，利用救援人员随身装配的数据设备、WiFi网络等，使救援人员与地面指挥调度中心、井下救援基地之间实现定位和语音联系。最后，通过井下救援基地，向地面救援指挥调度中心发送各种数据，为地面指挥调度中心提供灾变现场的数据信息，使地面指挥调度中心做出正确决策。

1.1 无线通信信道的建立

无线通信信道是实现应急救援无线通信系统的关键所在。救援人员在实际工作中，通过将控制命令连接在WiFi链路的中心节点FFD1发送到小车上的RFD采集终端[2]。而RFD采集终端在运行过程中，在接收到救援基地所发出的相应命令之后，会将命令传输到运输小车中，并根据命令的制定方向逐渐开始推进。而在推进过程中，采集终端可以将自身实际位置传递给运输小车，并在返回时，各项数据信息都带有采集终端和前一级节点信号强度信息。而救援人员在进行救援过程中，救援人员需要在信号强度的前提下构建链路。而信号强度在这一过程中，如果达到系统设定的门限值，那么此时的系统会停止指令发送，小车停止前进。而通过井下救援基地中的计算机，救援人员可以对投放链路节点命令进行投放，在完成上述操作后，下放指令促使小车继续前进。但是在实际应用过程中，WiFi技术具有自组网功能，两节点通信距离如果超出一定范围，那么新投入节点将会自动添加到WiFi网络中，从而成为新节点，促进通信链路的延伸，保障通信可以顺利开展[3]。而在建立链路时，采集终端会前端环境的具体参数送回，救援人员和救援指挥调度中心通过分析各项数据内容，并做好相应的处理，开展下一步的救援工作。

1.2 井下个人终端设计

在煤矿井下，环境参数采集模块、语音模块、MCU处理模块、无线功放模块、键盘输入模块、WiFi模块、液晶显示模块等众多模块组成个人终端硬件。而随着科技的发展，键盘输入模块、图像采集模块、液晶显示模块以及语音模块等部件均已经获得了十分成熟的结果，并不需要独立研究和开发。基于串口方式通过WiFi模块来采集并读取煤矿井下的环境参数信息，通过G-SPI进行通信，即SPI方式、语音模块以及凸显采集等。利用GPI0中的I0接口，连接液晶显示模块、键盘输入模块等，连接TX管脚、RX管脚、无线功放模块等，如下图1为具体的设计图。

图1 无线网络个人终端涉及图

1.3 中继台设计

个人终端和井下指挥中心之间之所需要构建中继通道是为了可以有效的延长通信的距离。使用定向天线、双WiFi芯片、双功放方案等，中继台可以利用定向天线来实现延长通信距离的目的[4]。

1.4 设计监测监控系统

煤矿井下采用的传感器主要是频率信号输出，如O2、CH4、CO等通常是在200～1000Hz，其所有的系统都是需要在监控分站中连接各种传感器，并通过监控分站传送到地面指挥中心站中，但是这一方式不仅会增加设备成本，同时还会在传输数据的过程中，一旦超过2km的范围距离外，电磁将会干扰数据传输，导致系统的不稳定因素增加。基于此，在传感器中添加WiFi模块，并将数据与WiFi网络连接，能够使其他的数据通过WiFi形式实现传输目的，并且还可以使用光纤环网传递数据[5]。

1.5 移动数字视频的设计

煤矿井下的监控系统以往是安装摄像仪，而利用WiFi技术，可以极大的丰富监控设备。例如，应用胶带巡检摄像仪，需要借助移动视频。其视频退下昂的传输无限化突破了光纤图像监视、传统同轴电缆等显示，具有更高的灵活性、便利性。而WiFi宽带最够能达到300Mbit/s，其十分适合应用在高宽带、高画质以及高码流的音频和视频中，并且抗衰落能力、抗干扰能力都非常强，可以有效的满足视频传输链路[6]。

2 模拟实验以及性能分析

2.1 NS2仿真软件

NS2是一种离散时间仿真器，可以免费应用在网络研究中。NS2的存在可以支持无线网络、有线网络上TCP、网络QOs各种队列、数据链路以及路由、组播协议等，并且还可以将仿真结果显示出来，提供了跟踪、网络拓扑生成等工具。NS2仿真软可以在计算机上，将一个网络运行进行动态仿真[7]。

2.2 模拟实验与分析

在LNUX系统中，使用模拟工具NS2网络仿真器设置频率为2.4GHZ物理层使用直接序列扩频（DSSS），路由层采用DSDV。在试验过程中，每一个结点表示一个布放装置，一旦出现矿灾，系统将会由布放装置在救援中心站的遥控指挥下自动搭建，并及时对井下救援基地传输数据。基于吞吐量、包抖动、延时等方面分析系统性能。平均传输速率为0.228KB/s，最大可以达到4.451KB/s。而包抖动率就是延时时间变化量，因为网络状态的原因，如果流量较大，那么封包会在节点队列中排队等待。所以，每一个封包的传送时间都是不同的，这一差异为Jitter，而Jitter越大，意味着网络的稳定性越差[8]。

基于仿真实验结果可以看出，以WiFi技术为基础来设计煤矿井下应急无线通信系统，随着时间的增加，传输速率会更加的稳定，并且延时非常小，所以十分适合应用在井下应急救援通信中。

3 总结

煤矿灾害事故的应急救援通信系统是第一时间进行救援，并获得良好救援效果的关键组成。而一旦出现事故，为了避免二次事故的发生，保障救援人员的安全，将会完全切断煤矿井下电力供应。基于此，通过WiFi技术来设计煤矿井下应急救援无线通信系统，可以保证煤矿井下5km以内实现通信目的。而虽然这一系统在当前还在进行安标送审，但是利用WiFi技术已经可以实现煤矿井下的救援，从而促进煤矿井下救援工作效率的提升。