基于Wi-Fi的礦井移動(dòng)通信系統的研究探討

本質(zhì)安全型無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)移動(dòng)通信終端通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與礦用多媒體通信接入網(wǎng)關(guān)互聯(lián)；IP調度臺通過(guò)以太網(wǎng)與網(wǎng)關(guān)連接；多媒體通信接入網(wǎng)關(guān)之間通過(guò)光纖互連組成千兆多環(huán)型或環(huán)型與鏈型或星型的任意組合網(wǎng)絡(luò )；識別卡通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與礦用多媒體通信接入網(wǎng)關(guān)互聯(lián)。數據服務(wù)器模塊包括網(wǎng)絡(luò )管理服務(wù)器、人員定位服務(wù)器和視頻管理平臺服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò )管理服務(wù)器、人員定位服務(wù)器和視頻管理平臺服務(wù)器均通過(guò)以太網(wǎng)與礦用多媒體通信接入網(wǎng)關(guān)連接。

IP調度臺內置有SIP服務(wù)器，用以實(shí)現VoIP通話(huà)；IP調度臺通過(guò)話(huà)音中繼接口與公網(wǎng)市話(huà)系統或企業(yè)內部電話(huà)系統互聯(lián)，從而實(shí)現井下人員間、井下到礦區、井下到公網(wǎng)的全面通話(huà)。

井上設備和井下設備均安裝有不間斷后備電源系統，在停電或斷電環(huán)境中系統可以正常工作。系統滿(mǎn)足井下爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備安全技術(shù)要求。

4.2 分站模塊部分

井下分站作為礦井移動(dòng)通信系統的關(guān)鍵部分，應具有多項重要功能。因為考慮到分站的體積重量以及分站內部包括多個(gè)功能模塊，不適宜做成本質(zhì)安全型，因此將分站安裝在隔爆殼內，做成隔爆兼本質(zhì)安全型。分站應具有的功能有：工作狀態(tài)指示、語(yǔ)音通信、IP語(yǔ)音交換、人員定位、串行數據接入與傳輸、以太網(wǎng)接入、Wi-Fi無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)接入、數據存儲、組網(wǎng)與冗余、網(wǎng)絡(luò )管理、遠程配置和不間斷工作等。分站的功能原理如圖2所示。

圖2 分站原理框圖

礦用分站內的冗余以太網(wǎng)模塊a通過(guò)其冗余端口o1、o2進(jìn)行網(wǎng)關(guān)與網(wǎng)關(guān)之間，網(wǎng)關(guān)至地面的互聯(lián)，組成冗余網(wǎng)絡(luò )。冗余以太網(wǎng)模塊a通過(guò)其電口e1連接無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)模塊b，無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)模塊b連接發(fā)射天線(xiàn)t1提供基于IEEE802.11標準的無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)絡(luò )覆蓋。冗余以太網(wǎng)模塊a通過(guò)其電口e2連接百兆以太光收發(fā)模塊oe，百兆以太光收發(fā)模塊oe的光信號輸入端口o4連接井下網(wǎng)絡(luò )攝像機。冗余以太網(wǎng)模塊a通過(guò)其電口e7連接串口服務(wù)器模塊d，串口服務(wù)器模塊d的一個(gè)RS485/422/232串口d2供互聯(lián)井下總線(xiàn)等設備使用，另一個(gè)串口d1連接射頻識別讀卡器模塊c，射頻識別讀卡器模塊c連接發(fā)射天線(xiàn)t2，接收天線(xiàn)t3，提供無(wú)線(xiàn)定位網(wǎng)絡(luò )的覆蓋。IP－PBX功能模塊內置于IEEE802.11無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)模塊中，電源模塊p完成交流到直流的轉換，為網(wǎng)關(guān)工作提供電源，其包含的備份電池可在斷電環(huán)境下為網(wǎng)關(guān)提供不間斷供電。

4.3 手機模塊部分

由于煤礦井下是特殊的工作環(huán)境，移動(dòng)通信設備要求采用安全性能好的本質(zhì)安全型防爆措施，手機必須有防爆許可證。為了保證礦井移動(dòng)通信系統覆蓋全礦井，須選用合適的技術(shù)方案、頻率和設計合理的結構。由于煤礦井下空間狹小，礦井最大尺寸也就4m左右，因此，移動(dòng)通信設備的體積不能很大，終端的天線(xiàn)長(cháng)度不能太長(cháng)。由于在礦井中，50Hz和其諧波的干擾和電機車(chē)火花所造成的干擾大，所以移動(dòng)通信的工作頻率選擇上應考慮這些干擾源，應盡量選擇高頻或甚高頻作為系統工作頻率。手機的鍵盤(pán)、麥克和揚聲器設計時(shí)要特別考慮其防塵、防水、防潮、防霉、耐機械沖擊等性能。

本質(zhì)安全型無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)移動(dòng)通信終端滿(mǎn)足井下爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備安全技術(shù)要求，終端由以下部分組成：本質(zhì)安全型數字電路、本質(zhì)安全型模擬電路、本質(zhì)安全型RF前端、本質(zhì)安全型電池與電源管理電路、天線(xiàn)與外殼；話(huà)音信號通過(guò)模擬電路部分轉換成數字信號，再傳輸到數字電路部分，并按相應的通信模式進(jìn)行I/O編碼輸入到射頻前端電路最終饋入到天線(xiàn)，由天線(xiàn)將信號向空間輻射輸出；由天線(xiàn)接收到的信號經(jīng)由射頻前端解調處理后得到相應的I/O信號，再通過(guò)數字電路部分處理后，得到模擬話(huà)音電信號，最終通過(guò)模擬電路部分轉換出話(huà)音信號，傳遞給收聽(tīng)者，整個(gè)電路安裝在一個(gè)外殼中。

終端采用多模式處理器實(shí)現GSM與無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)的雙模通訊，使用2.4GHz無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)Wi-Fi協(xié)議實(shí)現井下移動(dòng)話(huà)音通信，具有定位功能。終端的中央處理器采用OMPA730處理器芯片實(shí)現?；鶐幚砥鞑捎肨WL3016處理器芯片實(shí)現。電池采用錳酸鋰材料做電池芯中采用電阻或恒流二極管串聯(lián)作為保護電路。

工作流程如下：

發(fā)送時(shí)，信號經(jīng)TWL3016模擬基帶和OMAP730數字基帶調制解調器中的MAC單元對數據進(jìn)行加密和CRC校驗工作?；鶐幚砥鲗x數據從MAC中取出，生成適于RF子系統（TRF6151）傳輸的幀數據。幀形式的數據經(jīng)過(guò)一個(gè)DAC轉換為模擬信號，經(jīng)基帶濾波器濾波后，送到TRF6151。TRF6151對這個(gè)模擬信號進(jìn)行放大，接著(zhù)將這個(gè)信號上變頻到900MHzor1800MHz頻段，再通過(guò)RF3133功放。這個(gè)輸出信號通過(guò)匹配電路與PCB上的50歐姆阻抗RF線(xiàn)匹配，接著(zhù)使用一個(gè)平衡非平衡變壓器（balun）、橋式開(kāi)關(guān)（bridgeswitch）和復用器（diplexer）/低通濾波器（LPF）將這個(gè)平衡的差分信號，變換為非平衡的單端信號送到天線(xiàn)端。

在接收模式下，天線(xiàn)接收到900MHzor1800MHz的RF信號，這個(gè)單端信號經(jīng)過(guò)帶通濾波器（BPF）、復用器（diplexer），橋式開(kāi)關(guān)（bridgeswitch），并轉換成平衡的差分信號，送到TRF6151的片上低噪放（LNA）。再由TRF6151的片內的RF和IF混頻器（mixer）下變頻為基帶信號并送到放大級進(jìn)行放大。信號經(jīng)過(guò)一個(gè)A/D變換器變換為數字信號，最后輸入到OMAP730數字基帶調制解調器和TWL3016模擬基帶中完成信號的最終處理。

5 總結

本文研究設計的礦井移動(dòng)通信系統，利用了Wi-Fi無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)，系統結構簡(jiǎn)單有效，便于部署與運維，符合和滿(mǎn)足礦用特定的使用環(huán)境與安全要求，可承載目前井下環(huán)境主要的通信業(yè)務(wù)，必將有廣闊的前景。