煤礦井下發生事故后，井下人數不詳、被困人員位置不清、被困人員生死不明是災后應急救援急切解決的問題。因此，有必要研究抗災變能力強、具有人員位置監測等多功能煤礦井下無線通信系統。本文研究將低成本的新技術——Wi-Fi應用于井下，構建一種新的礦井移動通信系統。
1 Wi-Fi技術簡介
Wi-Fi(WirelessFidelity)，即無線保真或無線相容性認證，是一種無線局域網數據傳輸的技術與規格，也就是IEEE所定義的無線通信標準IEEE802.11。無線局域網是有線局域網的擴展和替換，是在有線局域網的基礎上通過無線HUB、無線訪問節點(AP)、無線網橋、無線網卡等設備使無線通信得以實現。IEEE802.11標準發表于1997年，其中定義了介質訪問接入控制層(MAC層)和物理層。隨后，IEEE又發布了一些補充協議，包括物理層的補充協議IEEE802.lla/b/g和其它一些服務相關協議。總的來說，Wi-Fi屬于短距離無線技術，覆蓋范圍可達幾百米，使用的是2.4GHz附近的頻段。Wi-Fi有著“無線版本以太網”的美稱，世界上至少有80%以上的局域網采用以太網技術，其幾乎可以視為以太網標準在無線領域的延伸。
2 Wi-Fi與相關技術比較
目前國內外礦井無線通信方式主要有漏泄通信、感應通信、透地通信、PHS(小靈通)通信、3G(大靈通)通信系統等。
漏泄通信系統存在著抗災變能力差、大量的串聯中繼設備導致可靠性差、系統不具備冗余功能等問題，通信終端存在功能單一、信道容量小的缺陷。感應通信系統存在著體積大、重量重、信道容量小、通信距離短等問題。透地通信系統存在著設備體積大、重量重、信道容量小、地面設備功率大、地面天線布置困難、單向通信(地面向井下)等問題。PHS(小靈通)通信系統與3G(大靈通)通信系統存在著基站控制器和基站非本質安全型防爆、系統不具備冗余功能、抗災變能力差、井下基站至地面最大通信距離不滿足井下通信10公里的要求等問題，通信終端存在功能單一、信道容量小的缺陷。
WiMAX與Wi-Fi最明顯的區別是覆蓋范圍存在很大差別，WiMAX通常可以覆蓋3～5km，而且WiMAX的安全系數更高，但是WiMAX的組網成本要比Wi-Fi大的多。考慮到礦井下的特殊性和經濟性，還是選用Wi-Fi更適合井下局域網的環境。
3 系統需求分析
所要研究設計的礦井移動通信系統主要由地面監控系統、井下分站和移動通信終端組成。地面監控系統負責整個系統的管理與控制，通過地面監控系統可以對井下人員以及相應設備進行實時的監控。地面監控系統任務可由一臺多功能計算機并配有相應數據庫管理軟件完成。井下分站為整個系統的關鍵部分并負責多項功能。系統應滿足：
(1)在礦井事故前后，地面監控系統能得知井下工人所在的位置;
(2)井下工人與地面監控系統以及井下工人之間能隨時進行雙向數據通信;
(3)地面監控系統能隨時、直接與任何井下工人進行雙向數據/語音通信;
(4)井下工人之間能進行雙向窄帶語音通信;
(5)井下通信網為由若干個分站組成的網狀網絡;
(6)分站能收發無線電信號，為了有較強的穿透能力，采用適合礦井傳輸的波長。
4 方案設計
系統以光纖有線網絡為骨干，以無線網絡為延伸，在井下設立若干礦用分站，通過無線局域網絡覆蓋井下巷道，利用礦用本安手機(IP終端接入設備)來實現群呼、組呼等功能，從而實現井上對井下的語音調度以及井下對井上的數據和語音雙向通信。地面通信與監測中心的軟件能分析、處理和顯示人員位置、生命狀態，可實現人員位置和生命狀態顯示報警和存儲，從而全面實現煤礦安全生產、調度通信、應急救援、安全監控與督察。
4.1 系統架構
系統分為井下設備和井上設備，如圖1所示。
圖1 系統組網拓撲圖
井上設備包括：地面通信與監測中心控制計算機、IP調度臺、數據服務器和交換機;井下設備由井下分站設備、連接光纜、井下手機、識別卡等組成。
本質安全型無線以太網移動通信終端通過無線網絡與礦用多媒體通信接入網關互聯;IP調度臺通過以太網與網關連接;多媒體通信接入網關之間通過光纖互連組成千兆多環型或環型與鏈型或星型的任意組合網絡;識別卡通過無線網絡與礦用多媒體通信接入網關互聯。數據服務器模塊包括網絡管理服務器、人員定位服務器和視頻管理平臺服務器，網絡管理服務器、人員定位服務器和視頻管理平臺服務器均通過以太網與礦用多媒體通信接入網關連接。
IP調度臺內置有SIP服務器，用以實現VoIP通話;IP調度臺通過話音中繼接口與公網市話系統或企業內部電話系統互聯，從而實現井下人員間、井下到礦區、井下到公網的全面通話。
井上設備和井下設備均安裝有不間斷后備電源系統，在停電或斷電環境中系統可以正常工作。系統滿足井下爆炸性氣體環境用電氣設備安全技術要求。
4.2 分站模塊部分
井下分站作為礦井移動通信系統的關鍵部分，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功能模塊，不適宜做成本質安全型，因此將分站安裝在隔爆殼內，做成隔爆兼本質安全型。分站應具有的功能有：工作狀態指示、語音通信、IP語音交換、人員定位、串行數據接入與傳輸、以太網接入、Wi-Fi無線局域網接入、數據存儲、組網與冗余、網絡管理、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模塊a通過其冗余端口o1、o2進行網關與網關之間，網關至地面的互聯，組成冗余網絡。冗余以太網模塊a通過其電口e1連接無線接入點模塊b，無線接入點模塊b連接發射天線t1提供基于IEEE802.11標準的無線以太網絡覆蓋。冗余以太網模塊a通過其電口e2連接百兆以太光收發模塊oe，百兆以太光收發模塊oe的光信號輸入端口o4連接井下網絡攝像機。冗余以太網模塊a通過其電口e7連接串口服務器模塊d，串口服務器模塊d的一個RS485/422/232串口d2供互聯井下總線等設備使用，另一個串口d1連接射頻識別讀卡器模塊c，射頻識別讀卡器模塊c連接發射天線t2，接收天線t3，提供無線定位網絡的覆蓋。IP-PBX功能模塊內置于IEEE802.11無線接入點模塊中，電源模塊p完成交流到直流的轉換，為網關工作提供電源，其包含的備份電池可在斷電環境下為網關提供不間斷供電。
4.3 手機模塊部分
由于煤礦井下是特殊的工作環境，移動通信設備要求采用安全性能好的本質安全型防爆措施，手機必須有防爆許可證。為了保證礦井移動通信系統覆蓋全礦井，須選用合適的技術方案、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，移動通信設備的體積不能很大，終端的天線長度不能太長。由于在礦井中，50Hz和其諧波的干擾和電機車火花所造成的干擾大，所以移動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、麥克和揚聲器設計時要特別考慮其防塵、防水、防潮、防霉、耐機械沖擊等性能。
本質安全型無線以太網移動通信終端滿足井下爆炸性氣體環境用電氣設備安全技術要求，終端由以下部分組成：本質安全型數字電路、本質安全型模擬電路、本質安全型RF前端、本質安全型電池與電源管理電路、天線與外殼;話音信號通過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行I/O編碼輸入到射頻前端電路最終饋入到天線，由天線將信號向空間輻射輸出;由天線接收到的信號經由射頻前端解調處理后得到相應的I/O信號，再通過數字電路部分處理后，得到模擬話音電信號，最終通過模擬電路部分轉換出話音信號，傳遞給收聽者，整個電路安裝在一個外殼中。
終端采用多模式處理器實現GSM與無線以太網的雙模通訊，使用2.4GHz無線以太網Wi-Fi協議實現井下移動話音通信，具有定位功能。終端的中央處理器采用OMPA730處理器芯片實現。基帶處理器采用TWL3016處理器芯片實現。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作為保護電路。
工作流程如下：
發送時，信號經TWL3016模擬基帶和OMAP730數字基帶調制解調器中的MAC單元對數據進行加密和CRC校驗工作。基帶處理器將Tx數據從MAC中取出，生成適于RF子系統(TRF6151)傳輸的幀數據。幀形式的數據經過一個DAC轉換為模擬信號，經基帶濾波器濾波后，送到TRF6151。TRF6151對這個模擬信號進行放大，接著將這個信號上變頻到900MHzor1800MHz頻段，再通過RF3133功放。這個輸出信號通過匹配電路與PCB上的50歐姆阻抗RF線匹配，接著使用一個平衡非平衡變壓器(balun)、橋式開關(bridgeswitch)和復用器(diplexer)/低通濾波器(LPF)將這個平衡的差分信號，變換為非平衡的單端信號送到天線端。
在接收模式下，天線接收到900MHzor1800MHz的RF信號，這個單端信號經過帶通濾波器(BPF)、復用器(diplexer)，橋式開關(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行放大。信號經過一個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通信系統，利用了Wi-Fi無線局域網技術，系統結構簡單有效，便于部署與運維，符合和滿足礦用特定的使用環境與安全要求，可承載目前井下環境主要的通信業務，必將有廣闊的前景。