涂 科 馬大瑋 張 兵

【摘要】文章提出了一種基于Wi-Fi的礦井應急救援無線通信系統(tǒng)，重點介紹了其原理、硬件組成和軟件實現(xiàn)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)井下目標位置環(huán)境等參數(shù)的遠程采集，為救援決策提供科學依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】Wi-Fi井下應急通信背負式救援通信站GS1010u C／OS-II

隨著社會對煤炭需求量的增大。煤礦產(chǎn)能不斷提高，近年我國煤礦事故又有攀升趨勢，煤礦安全狀況令人擔憂。煤礦事故發(fā)生后，為了保證安全、不發(fā)生二次事故，煤礦井下電力供應完全切斷。已有的各種通訊系統(tǒng)無法開啟。為了能夠及時對井下人員進行援救，需要快速建立一條應急通信鏈路來實現(xiàn)井下目標位置環(huán)境參數(shù)和實時影像遠程采集，為救援決策提供科學參考。

近年來由于無線通信技術(shù)的發(fā)展和煤礦信息化的需求。地面無線通信技術(shù)開始應用于井下應急通信，其中便有以Zigbee為代表的SDR(Short Distance Radio，短距離無線通信)技術(shù)。但zigbee技術(shù)有一個明顯的缺點，即隨著傳輸距離的增加其衰減加大，導致其單個節(jié)點只能在幾十米的范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。從而使得在整個救援過程中需要相當多的節(jié)點來保證通信鏈路的建立，為救援人員帶來了很大的不便。

本文所述系統(tǒng)依托IEEE802 11big技術(shù)，基于GSl010芯片和u C／OS-Il軟件平臺，通過搭載環(huán)境參數(shù)傳感器和紅外攝像頭等Wi-Fi前端實現(xiàn)對井下目標位置環(huán)境參數(shù)和視頻圖像的采集。其不僅具備通話、視頻傳輸、環(huán)境參數(shù)傳輸、發(fā)射功率低、低功耗、續(xù)航能力強、易實現(xiàn)煤礦本質(zhì)安全電路設計等特點，還能夠保證500米以上的通信距離和6M的傳輸帶寬。從而改善井下應急無線通信中通信距離短、節(jié)點過多的現(xiàn)狀。

1總體技術(shù)方案

該系統(tǒng)搭載在Wi-Fi網(wǎng)絡上進行無線傳輸，由地面救援指揮車(PC機、救援指揮系統(tǒng)、指揮電話、無線寬帶通信-設備、應急電源)、固定救援通信站(Wi－Fi無線接入器、紅外線防爆攝像機、云臺、環(huán)境探測傳感器、電源)、背負式救援通信站(Wi-Fi無線接入器、環(huán)境探測傳感器、電源)、救援通信終端等部分組成，形成一套以wi Fi網(wǎng)絡為傳輸主干。利用高速無線信號進行快速空間覆蓋的寬帶礦井應急無線通訊系統(tǒng)，可實現(xiàn)語音、視頻傳輸，實時讀取監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用信號設備本安和本安供電的方式，使設備滿足在回風巷道和工作面全天候工作的安全等級和技術(shù)要求。其組成如圖1所示：

2快速組網(wǎng)策略

當?shù)V難發(fā)生時。地面救援指揮車迅速開赴救援現(xiàn)場。救援人員打開背負式救援通信站電源。當背負站上電后，自動與地面救援指揮車建立鏈路，指揮車的控制臺向背負站發(fā)出網(wǎng)絡連接自檢信號，背負站接收到連接信號后，返回應信；否則，報告通信失敗，請求重新建立通信。當通信鏈路建立后，開啟云臺紅外攝像頭自動捕捉現(xiàn)場圖像，并將捕獲的視頻信號送入感知模塊。感知模塊首先將模擬的視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后輸出至Wi—Fi線路接入器，之后以IP包的形式傳送給地面救援指揮車。

地面救援指揮中心根據(jù)實時的視頻信息，通過救援通信站向救援人員發(fā)出相應的控制命令。當救援人員與指揮車的距離大于背負站可通距離時，背負站自動報警以提醒救援人員安裝固定通信站實現(xiàn)信號中繼，固定站除可實現(xiàn)中繼外還能實現(xiàn)云臺攝像頭控制、全程環(huán)境參數(shù)(瓦斯?jié)舛?、溫?的采集和人員定位功能；當救援人員與固定站的距離大于背負站可通距離時，背負站自動報警以提醒救援人員安裝固定站實現(xiàn)信號中繼，通過多個固定站的安裝形成無線通信網(wǎng)絡。同時，救援人員通過救援通信終端將實時的救援情況通過無線網(wǎng)絡傳輸回地面救援指揮車。這樣，地面救援指揮車就能通過井下的救援通信站采集和傳輸目標區(qū)域的語音、視頻及圖像信息，及時了解巷道內(nèi)的災害信息。

3硬件設計

3.1救援通信站

救援通信站分為固定通信站和背負式救援通信站，都是由Wi-Fi無線接入模塊、感知模塊、圖像處理模塊和電源組成，固定通信站增加了云臺和視頻采集模塊。其組成框圖如圖2所示：

(1)Wi-Fi通信模塊

wi—Fi通信模塊在GS1010芯片平臺上，采用IEEE802.11b／g技術(shù)，提供至少2Mb／s的通信帶寬，在滿足語音通話的同時，也能夠滿足視頻的傳輸要求。它能夠提供4路圖像和8路語音傳輸，每個無線通信節(jié)點的傳輸距離可以做到不小于500米。通過RSSI技術(shù)，它能夠?qū)崿F(xiàn)人員定位功能，其準確度可以達到10m以內(nèi)。

Wi-Fi芯片GSl010是以兩個經(jīng)典ARM7微控制器為內(nèi)核的32位“ARM射頻SoC(ARM無線片上系統(tǒng))”。將兩個ARM7 32位微處理器、384k閃存、224k SRAM多種外圍電路、A／D、RTC和802.11無線芯片等集成到一只非常小的QFN封裝微型單芯片中，實現(xiàn)Wi-Fi系統(tǒng)的單片機化、無線化、微型化。該芯片功耗非常低。GS1010能夠確保在一節(jié)AA電池供電下有長達5～10年的使用時間。GS1010芯片內(nèi)部框圖如圖3所示：

(2)視頻采集模塊

視頻采集模塊采用紅外線防爆攝像機，其采用Sony機芯，水平清晰度為420電視線，紅外照射距離為25m，最低照度為0，能夠提供彩色圖片，同時增加機殼、鏡頭防護和本安電路。

(3)感知模塊

感知模塊主要由瓦斯、濕度、溫度等環(huán)境傳感器和基于達芬奇技術(shù)的新型數(shù)字媒體處理器組成。環(huán)境傳感器是在常規(guī)傳感器的基礎上增加一個基于IEEE802.15.4(Zigbee)技術(shù)的無線適配器。新型數(shù)字媒體處理器能夠?qū)φZ音和圖像進行處理，對于語音主要采取將模擬話轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字話的形式，通過IP數(shù)據(jù)包進行語音傳輸；對于圖像主要采取將模擬圖像快速轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像的形式，并在不影響圖像質(zhì)量的狀況下對其進行至少5：1的壓縮，從而大大提高傳輸效能。

3.2救援通信終端

救援通信終端包括通信模塊、感知模塊、耳麥和紅外防爆攝像頭，耳麥和紅外防爆攝像頭通過Zigbee技術(shù)進行信息傳輸。救援人員將耳麥和紅外防爆攝像頭安裝在安全頭盔上，以便在完成救援工作的同時，能夠?qū)⒕仍畔鬟f給指揮中心。其組成框圖如圖4所示：

4軟件設計

應急通信系統(tǒng)的軟件主要包括2部分：救援指揮中心軟件、救援通信站的軟件。

救援指揮中心站可以由一臺便攜式筆記本電腦擔當，中心站軟件的開發(fā)平臺使用Windows下的Visual C++6.0。該軟件包括3大功能：其一，對從串口接收到的數(shù)據(jù)進行解析和處理，對數(shù)據(jù)庫進行管理，還有圖像的顯示；其二，通過串口給前端Wi-Fi設備發(fā)送控制命令，控制其工作方式；其三，鏈路信號質(zhì)量報警、環(huán)境參數(shù)報警等。

救援通信站的軟件采用u C／OS-112.76v作為底層平臺支持應用軟件開發(fā)。u C／OS-II是源碼公開的實時內(nèi)核，專為嵌入式應用設計，可用于各類8位、16位和32位單片機或DSP，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到廣泛使用。該軟件包括以下幾個功能：圖像和各種環(huán)境參數(shù)的采集、數(shù)據(jù)的發(fā)送和命令的接收、信號強度檢測、人員定位和節(jié)電。軟件流程如圖5所不。

5結(jié)語

基于Wi-Fi的井下應急通信系統(tǒng)采用即鋪即用的無線措建網(wǎng)絡技術(shù)，利用傳輸網(wǎng)絡通信站進行雙向數(shù)字信號傳輸，提供了一種可實時監(jiān)視和直接聯(lián)絡事故現(xiàn)場的先進技術(shù)手段。該系統(tǒng)能夠為事故救援提供高可信的、重要的數(shù)據(jù)資料，減少事故發(fā)生的可能性，降低人員的傷亡，將更有利于救援工作的實施。