基于Wi-Fi的礦井移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究探討

本質(zhì)安全型無線以太網(wǎng)移動(dòng)通信終端通過無線網(wǎng)絡(luò)與礦用多媒體通信接入網(wǎng)關(guān)互聯(lián)；IP調(diào)度臺(tái)通過以太網(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(shí)別卡通過無線網(wǎng)絡(luò)與礦用多媒體通信接入網(wǎng)關(guān)互聯(lián)。數(shù)據(jù)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(tái)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(tái)服務(wù)器均通過以太網(wǎng)與礦用多媒體通信接入網(wǎng)關(guān)連接。

IP調(diào)度臺(tái)內(nèi)置有SIP服務(wù)器，用以實(shí)現(xiàn)VoIP通話；IP調(diào)度臺(tái)通過話音中繼接口與公網(wǎng)市話系統(tǒng)或企業(yè)內(nèi)部電話系統(tǒng)互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)井下人員間、井下到礦區(qū)、井下到公網(wǎng)的全面通話。

井上設(shè)備和井下設(shè)備均安裝有不間斷后備電源系統(tǒng)，在停電或斷電環(huán)境中系統(tǒng)可以正常工作。系統(tǒng)滿足井下爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)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(tǒng)的關(guān)鍵部分，應(yīng)具有多項(xiàng)重要功能。因?yàn)榭紤]到分站的體積重量以及分站內(nèi)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(nèi)，做成隔爆兼本質(zhì)安全型。分站應(yīng)具有的功能有：工作狀態(tài)指示、語音通信、IP語音交換、人員定位、串行數(shù)據(jù)接入與傳輸、以太網(wǎng)接入、Wi-Fi無線局域網(wǎng)接入、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、組網(wǎng)與冗余、網(wǎng)絡(luò)管理、遠(yuǎn)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(nèi)的冗余以太網(wǎng)模塊a通過其冗余端口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通過其電口e1連接無線接入點(diǎn)模塊b，無線接入點(diǎn)模塊b連接發(fā)射天線t1提供基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線以太網(wǎng)絡(luò)覆蓋。冗余以太網(wǎng)模塊a通過其電口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(hào)輸入端口o4連接井下網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。冗余以太網(wǎng)模塊a通過其電口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)井下總線等設(shè)備使用，另一個(gè)串口d1連接射頻識(shí)別讀卡器模塊c，射頻識(shí)別讀卡器模塊c連接發(fā)射天線t2，接收天線t3，提供無線定位網(wǎng)絡(luò)的覆蓋。IP－PBX功能模塊內(nèi)置于IEEE802.11無線接入點(diǎn)模塊中，電源模塊p完成交流到直流的轉(zhuǎn)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(jī)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(shè)備要求采用安全性能好的本質(zhì)安全型防爆措施，手機(jī)必須有防爆許可證。為了保證礦井移動(dòng)通信系統(tǒng)覆蓋全礦井，須選用合適的技術(shù)方案、頻率和設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)。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(shè)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(jī)車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(yīng)考慮這些干擾源，應(yīng)盡量選擇高頻或甚高頻作為系統(tǒng)工作頻率。手機(jī)的鍵盤、麥克和揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)時(shí)要特別考慮其防塵、防水、防潮、防霉、耐機(jī)械沖擊等性能。

本質(zhì)安全型無線以太網(wǎng)移動(dòng)通信終端滿足井下爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備安全技術(shù)要求，終端由以下部分組成：本質(zhì)安全型數(shù)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、天線與外殼；話音信號(hào)通過模擬電路部分轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再傳輸?shù)綌?shù)字電路部分，并按相應(yīng)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，由天線將信號(hào)向空間輻射輸出；由天線接收到的信號(hào)經(jīng)由射頻前端解調(diào)處理后得到相應(yīng)的I/O信號(hào)，再通過數(shù)字電路部分處理后，得到模擬話音電信號(hào)，最終通過模擬電路部分轉(zhuǎn)換出話音信號(hào)，傳遞給收聽者，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(xiàn)GSM與無線以太網(wǎng)的雙模通訊，使用2.4GHz無線以太網(wǎng)Wi-Fi協(xié)議實(shí)現(xiàn)井下移動(dòng)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(shí)現(xiàn)。基帶處理器采用TWL3016處理器芯片實(shí)現(xiàn)。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(hù)電路。

工作流程如下：

發(fā)送時(shí)，信號(hào)經(jīng)TWL3016模擬基帶和OMAP730數(shù)字基帶調(diào)制解調(diào)器中的MAC單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和CRC校驗(yàn)工作?；鶐幚砥鲗x數(shù)據(jù)從MAC中取出，生成適于RF子系統(tǒng)（TRF6151）傳輸?shù)膸瑪?shù)據(jù)。幀形式的數(shù)據(jù)經(jīng)過一個(gè)DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，經(jīng)基帶濾波器濾波后，送到TRF6151。TRF6151對(duì)這個(gè)模擬信號(hào)進(jìn)行放大，接著將這個(gè)信號(hào)上變頻到900MHzor1800MHz頻段，再通過RF3133功放。這個(gè)輸出信號(hào)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(gè)平衡非平衡變壓器（balun）、橋式開關(guān)（bridgeswitch）和復(fù)用器（diplexer）/低通濾波器（LPF）將這個(gè)平衡的差分信號(hào)，變換為非平衡的單端信號(hào)送到天線端。

在接收模式下，天線接收到900MHzor1800MHz的RF信號(hào)，這個(gè)單端信號(hào)經(jīng)過帶通濾波器（BPF）、復(fù)用器（diplexer），橋式開關(guān)（bridgeswitch），并轉(zhuǎn)換成平衡的差分信號(hào)，送到TRF6151的片上低噪放（LNA）。再由TRF6151的片內(nèi)的RF和IF混頻器（mixer）下變頻為基帶信號(hào)并送到放大級(jí)進(jìn)行放大。信號(hào)經(jīng)過一個(gè)A/D變換器變換為數(shù)字信號(hào)，最后輸入到OMAP730數(shù)字基帶調(diào)制解調(diào)器和TWL3016模擬基帶中完成信號(hào)的最終處理。

5 總結(jié)

本文研究設(shè)計(jì)的礦井移動(dòng)通信系統(tǒng)，利用了Wi-Fi無線局域網(wǎng)技術(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單有效，便于部署與運(yùn)維，符合和滿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。