煤矿移动通信

煤矿移动通信（共10篇）

煤矿移动通信 篇1

中国作为产煤大国, 煤矿安全一直都是重中之重。如何保证井下和井上之间可靠的实时语音通信, 越来越受到关注和重视。目前煤矿通信系统主要分为两种:一种是调度电话, 包括有线和无线电话;另一种是井下局部扩音电话系统[1]。对于数字通信方式, 目前许多公司仍采用模拟信号来实现煤矿语音系统, 与数字语音通信系统相比, 其存在不稳定、不灵活等缺点, 而现阶段模拟通信系统已逐渐被代替。目前, 现场总线已发展成为集计算机网络、现场控制、生产管理等内容为一体的现场总线控制系统。由于现场总线分布在自动化应用的各个角落, 给设计者和使用者提供了方便, 但这些应用均被限制于数据传输。本设计基于CAN总线构建井下对讲系统, 与其他通信方式相比, 其具有较好的实时性、可靠性和灵活性。

1 系统总体设计

系统结构框图如图1所示, 一语音节点经过麦克风采集声音信号, 以8 k Hz采样进行A/D量化成16位数据, 然后经语音压缩芯片进行数据压缩, 并传输给STM32处理器, 处理器经CAN收发器传输至井下语音CAN总线上。其他语音节点通过CAN收发器接收井下语音CAN总线上的压缩数据, 经语音解码芯片进行解码后通过D/A转换, 再由扩音器播出[2,3,4]。

1.1 硬件设计

本系统应用于井下皮带保护系统, 具有采集井下皮带工作状态信息和控制井下皮带运作, 同时还具有语音通信系统。处理器作为系统核心, 需对语音信息、皮带工作信息及其通信协议进行处理、整合、储存、调度, 因此处理器的选择是关键。系统采用ST公司的互联性系列控制器STM32F107作为模块处理器, 此芯片具有较强的工业性能, 系统时钟最高可达72 MHz, 标准外设有10个定时器、两个12位1-Msample/s AD、两个12位D/A、两个I2C接口、5个USART接口和3个SPI端口以及高质量数字音频接口IIS。另外STM32F107拥有全速USB (OTG) 接口, 两路CAN2.0B接口, 以及以太网10/100 MAC模块, 以此满足皮带保护系统[2]。系统使用其中一路用来实现语音通信;另一路用来实现现场管理及现场控制。处理器部分电路如图2所示。主控芯片除了必须的复位、晶振、电源等电路外, 还包括了与CAN总线收发增强器以及与AMBE-1000语音编码芯片的连接。主控芯片STM32F107与AMBE-1000之间采用SPI同步出口连接, 而AMBE-1000与CSP-1027S之间采用了专用的同步接口连接, 该种接口无需增加额外的单片机驱动便可进行通信。最后将CSP-1027S与麦克风、扬声器之间进行连接。

CAN总线[3]传输距离是以牺牲带宽为代价, 因此需在保证良好语音质量的条件下, 采用较低语音比特率传输, 表1为CAN总线传输距离与波特率关系。

为保证高保真、低带宽语音通信, 系统采用MBE技术进行语音压缩。数字语音压缩目前在多媒体信息技术和网络技术中应用广泛, 而压缩技术也较为成熟。由于采用DSP进行数字语音压缩, 算法复杂且价格昂贵, 故本系统采用单片集成芯片AMBE-1000[5]进行语音压缩。AMBE-1000是一款高性能多速率语音编解码芯片, 采用MBE技术的语音压缩算法, 具有语音音质好和编码速率低等优点, 语音编解码速率可在2.4~9.6 kbit·s-1之间以50 kbit·s-1的间隔变化, 即使在2.4 kbit·s-1时, 仍可保持自然的语音质量和可懂度。所有编码和解码操作均在芯片内部完成, 无需额外的存储器。这些特性使其适用于本系统设计。系统中CAN波特率设为18 kbit·s-1, 传输距离≥2 km。

AMBE-1000集成编码器和解码器, 两者相互独立。编码器接收8 k Hz采样的语音数据流并以一定的速率输出信道数据。相反, 解码器接收信道数据并合成语音数据流。编码器和解码器接口的时序是完全异步的, 其工作信道结构如图3所示。语音信息经过发送方的AMBE-1000编码器被压缩为数字语言编码, 经CAN总线传入接收方的AMBE-1000解码器, 再经由解码器得到发送方的语音信息。同样, 原接收方也可由相同的方式将自身的语言信息传递至原发送方。

AMBE-1000采用A/D-D/A芯片作为语音信号的接口。为满足要求与性能, 系统选用A/D-D/A芯片CSP1027S与AMBE-1000作为接口连接。芯片集成16位串行A/D和D/A, 由低功耗的CMOS技术和低电压数字系统设计而成, 其模拟接口处内置了前置放大器, 因此可以输入较小的语音信号。符合G.712语音频带响应和信噪比规范, 最高采样率可达24 k Hz, 满足AMBE-1000编码要求。其与AMBE接口电路如图4所示。

为提高处理器CAN总线的驱动能力, 需在处理器与现场总线间增加CAN收发器[6]。系统选用周立功的CTM8251, 该芯片内部集成了CAN所必需的隔离及收发器件。该芯片的主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线所必需的差分电平, 并具有DC-DC隔离功能, 其接口电路如图5所示。

1.2 软件设计

系统软件在Keil4开发环境完成设计, 同时该开发环境与Jlink-v8配合可实现在线调试功能, 为本系统的完成提供了方便。

软件基于模块化设计, 不同模块完成相应功能。首先, 开机进入设备初始化功能, 其中包括系统时钟配置、管脚配置、CAN控制器配置、AMBE-1000初始化等。系统时钟配置为72 MHz, 这是主控芯片STM32F107所能达到的最高工作频率, 在该频率下拥有足够高的效率来处理各外设信息。对管脚的配置包括对按键和部分外设I/O口的配置, 对CAN总线控制器的配置主要为传输速度配置。因井下一般两节点距离<3 km, 且语音经过压缩后为8 kbit·s-1, 所以将CAN总线传输速率配置为9 kbit·s-1, 这便满足了3 km的传输要求。AMBE-1000的初始化主要为通信接口的初始化, 其通信接口为SPI同步串口, 可直接与主控芯片的SPI接口连接。

系统启动后进入正常工作模式, 当有语音按钮按下时, 处理器进入语音采集模式, 并通过SPI使能AMBE-1000, AMBE-1000将话音数据每20 ms压缩为一个语音数据包, 再经由STM32主控芯片将压缩包上传至CAN总线。CAN总线接收端配置成中断模式, 当有语音数据接收时, 触发中断并将该数据压缩包经过SPI同步串口传入AMBE-1000, 并控制其进行解压缩并播放。在解码器部分, 当其检测到丢失一帧语音数据时, 能依据上一帧数据尽量真实地预测下一帧语音数据, 同时给出适当的语音信号。系统流程如图6所示, 中断程序流程如图7所示。

1.3 实验结果

系统在实验室的测试方法如图8所示。

测试系统由两个语音节点组成, 两节点之间由20 m线长相连接, 并在一号节点放置信号发生器, 二号节点放置示波器与分贝计。因人声频率范围为300~3 400 Hz之间, 所以信号发生器分别取在该范围内的5个点作为测试点, 测试结果如表2所示。

对应这5个频率点由信号发生器发出响应频率的正弦波, 再由分贝计从节点2的扬声器声响中测得分贝值, 而失真度可通过示波器观察出正弦波的失真情况。测试结果说明, 扬声器声响≥80 d B, 失真度≤12%, 基本满足人声的辨识度。

通过实际测试证明了将语音信号进行压缩并通过CAN总线进行传输工作良好, 实现了低速率数字远程传播。同时本系统具有较好的灵活性, 可实现广播、组播、点对点等多种通信方式, 并具有较好的实时性和抗干扰性。

2 结束语

文中介绍了一种应用于煤矿的井下语音传输系统, 该系统基于MBE语音压缩技术, 且以CAN总线为传输方式。本系统应用于井下皮带保护系统中的语音扩音系统内, 主要用以实现井上与井下, 以及井下各部分进行的相互实时语音通信, 为确保煤矿安全提供保障。文中设计成本较低, 便于维护和修改, 且实用性较强。

摘要：针对煤矿井下安全, 提供了一种数字语音通信解决方案。该方案采用MBE压缩技术实现语音数据的压缩, 并使用了STM32F107作为主控芯片, 用主控芯片自带的CAN总线控制器实现远距离实时语音传输。文中介绍了该系统的软硬件设计, 经测试, 该系统在实际环境中具有良好的稳定性和实时性。

关键词：STM32,CAN总线,MBE压缩技术,语音传输

参考文献

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[2]廖义奎.Cortex-M3之STM32嵌入式系统设计[M]北京:中国电力出版社, 2012.

[3]夏春华, 邱选兵, 卜祥军, 等.基于Cortex-M3的数字可调共振源的设计[J].电子科技, 2010, 23 (12) :9-11, 17.

[4]李真花, 崔健.CAN总线轻松入门与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2011.

[5]夏骏, 王甜.基于STM32和GSM的远程遥控定时开关装置[J].电子科技, 2013, 26 (1) :112-114, 130.

[6]黄俊霖, 董洁, 吴垣春, 等.环境参数监测系统设计[J].电子科技, 2013, 26 (4) :53-54, 59.

煤矿移动通信 篇2

领导：

根据党委组织部关于对领导干部进行考核的通知精神要求，下面，我向大家作述职报告，请提出宝贵意见。

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年来，在矿党委正确领导下，在全科干群的支持下，开展了各项工作，我坚持以邓小平理论和“三个代表”重要思想为指导，团结带领全科广大干群，认真贯彻落实党的十六大精神，坚持做好全矿通讯、监控保障工作，团结奋斗、顽强拼搏，有力为全矿安全生产保驾护航，全科党建、精神文明建设也取得了新成绩，各项工作取得了新进步。

一、努力学习,全面提高自身素质

通讯科是一个高技术含量的岗位,它要求永无止境地更新知识和提高素质。为达到这一要求,我十分注重学习提高。向书本学，向领导学，向同事学。工作之余,我总要利用一切可利用的时间给自己充电,除了认真阅读《电子报》、《电脑报》等报刊杂志外,我还经常自费购买一些工作需要的参考书。正是不断地虚心向他们求教,我自身的素质和能力才得以不断提高,工作才能胜任。近一年来,我个人无论是在敬业精神、思想境界,还是在业务素质、工作能力上都有了很大的进步,工作业绩也得到了领导的肯定。

二、勤奋工作，带头做好通讯工作。

通讯科战线长、工作范围广、工作责任大。为此，根据矿领导的讲话精神，结合通讯科实际情况，提出了“勤学多思、吃苦奉献、团结拼搏、锐意进取”的16字工作标准，还及时制订完善了《井下通讯设备管理办法》等近10项工作制度，并狠抓学习宣传教育，带领全科职工学习了《井下小型电器防爆标准》，教育职工做好井下通讯和监控设备的防爆工作，强化全科思想认识的统一，取得了较好效果，使全科在矿组织的各项安全检查中没有出现一次失爆现象。

根据形势发展的需要以及矿领导同志的工作要求，在全科各项工作中始终坚持突出一个“实”字。首先，在制订全科工作计划时，对以后的重点工作细化到时段、细化到责任班组，保证周周有活动，月月有成效。其次，我们把全科工作细化，尤其突出了为兄弟部门及基层单位的服务意识，变通讯科软任务为硬指标。一年来，我和全科人员都能自觉做到急基层所急、想基层所想，经常深入基层，深入井下，了解情况，处理问题。我们坚持科干义务24小时值班制度，无论刮风下雨和节假休息日，从不间断，大家不计报酬，不计个人得失，默默奉献，只要接到矿调度或全矿井下、地面各个岗位有通讯、监控故障的报告，马上组织人员抢修，争取在最短时间内把问题处理掉。推动了全科中心工作的进一步落实。

在日常工作中，我和全体职工不仅仅把工作停留在完成任务的水平上，而是更进一步向工作要质量，要效果，要创新。由于战线长，历史久，我矿井下电缆存在布局复杂，接头较多等问题，随着全矿对质量标准化要求的逐步提高，如何解决电缆接头的防爆问题，成了摆在通讯科面前的一道难题。我们经过科技攻关，首创了电缆接头使用冷补胶浇灌法，既降低成本，又提高了防爆等级，得到了各级领导的好评。

三、廉洁自律，做反腐倡廉的表率。

一个单位的运转状况如何，领导班子是否团结，是否能形成合力往往起到关键性的作用。为此，我科经常召开民主生活会，对每一件涉及全科的重大决策进行讨论，充分发扬民主，开展批评和自我批评。目前，全科分工明确，团结一致，协作精神强，在各项工作中发挥很好的指挥和带头作用，体现了巨大的凝聚力和战斗力。领导班子提出“工作再忙，党风建设不能忘；事情再多，廉政工作不能拖”。广大党员、干部有了共同的认识，自觉形成了反腐防腐的良好氛围，做到两手抓，两手都要硬，在实际工作中，我和通讯科所有工作人员，都确立起强烈的责任意识，在思想上筑起了倡廉反腐的坚固大堤，从而确保了各项工作的顺利开展。按照“内提素质，外树形象”的要求，进一步加强了班子作风建设，规范细化了工作的一言一行，努力以严谨细致的作风，推动全科整体形象的进一步改善。班子成员团结协作，在平时工作中，注意尊重每位同志，坚持民主，以诚待人，工作中对同志们充分放心、放手，发挥大家的积极性，调动同志们的创造性，大家相处和睦、融洽，保持团结紧张、积极向上的工作氛围。全科运转很好，战斗力较强。深入实际。

煤矿移动通信 篇3

关键词：煤矿安全 井下无线通信 WiFi实际应用

1 煤矿井下无线通信系统的实际应用

井下无线通讯系统以有线网络为骨干，以无线网络为延伸，在井下设立若干基站，通过无线局域网覆盖井下巷道，利用矿用本安手机等终端接入设备来实现群呼组呼等功能，从而实现井上对井下语音调度以及井下对井上的信息反馈。井下应急救援，即在紧急情况发生时，能够迅速有效地与井下的现场工作人员进行通讯，可以使井下所有人员在最短的时间内收到紧急警报，采取应急措施或迅速撤离，最大限度地减少伤亡，保障井下人员的生命安全。将有关发生了何种紧急情况及发生在何处、采取何种应急措施等一系列指令覆盖至井下所有相关人员。在日常作业中，借助该系统指令可进行人员调度、指挥生产、通报生产情况等，从而更好地促进安全生产、提高井下作业效率。

2 采用的规程、规范和标准

《煤矿安全规程》2011年版

《煤炭工业矿井设计规范》GB50215-2005

3 系统介绍

3.1 采用何种系统

该系统是根据当前煤矿井下通信系统功能要求的不断增加而开发的一套KT158井下矿用无线通讯系统。该系统本着先进性、稳定性、实用性、经济型、兼容性、灵活性的设计理念，在井下进行合理安装布置，丰富了本矿井下通讯联络方式。

3.2 系统具备功能

①实现井上井下通讯一体化、有线无线一体化、调度通讯行政通讯一体化。

②有调度机（软件）可以实现组呼、群呼、调度强插、强拆、会议功能、录音功能、监听功能。

③通话记录查询功能。

④具有呼叫转移功能。

⑤对手机可进行等级限制，设置不同的呼叫权限用户。

⑥有系统维护功能：系统具备计算机管理及维护、系统测试、远程维护功能。

⑦遗漏电话通知功能：手机关机或不在服务区，所有来电留有记录，一旦手机开机或到达服务区时，以短信形式通知，包括来电号码、拨打时间等信息。

⑧一键拨号。

⑨手机终端功能：

a来电显示；b状态概要显示；c呼叫等待，呼叫保持；d有密码保护功能；e短信息功能：可实现点对点手机短信功能；f对讲功能：可实现对单个手机或手机组群的对讲功能，如同井下对讲机。

4 目前应用情况

该系统在不改变当前网络结构的基础上，实现与井上井下以太环网无缝对接，实现与矿井上下信息化数据网络的互联互通并接受统一管理。每台环网交换机最多能扩展20个分站，单基站可支持16部手机同时使用。

该系统共计地面大功率基站3台，井下矿用本安型基站80台（KT158-F矿用本质安全型无线基站），关联80台隔爆兼本安电源（KDW660/18B矿用隔爆兼本安型电源），交换服务器1台，手机100部（KT158-S矿用本质安全型手机）。

手机分配方案：矿副总级以上领导、各生产专业相关负责人、区队党政负责人、现场跟班安检员及采掘生产班组长，每人1部。

5 系统组成

①KT158-F矿用本质安全型无线基站（简称“基站”） 是无线收发单元，是移动终端与矿用交换机之间的无线通信传输中转站。

②KT158-S矿用本质安全型手机（简称“手机”）是KT158矿用无线通讯系统无线语音终端设备。

③KDW660/18B矿用隔爆兼本安型电源（简称“稳压电”）为基站提供本安电源。

④防爆光缆，采用多芯单模防爆光缆。

⑤服务器，为系统提供各种网络和应用程序等服务。

⑥核心交换机，提供系统整体网络交换。

⑦UPS电源，为系统井上设备提供备用电源。

⑧IP语音网关，为固定电话与以太网络的互联互通提供通讯接口。

6 该系统存在隐患及处理措施

存在隐患：由于井下运输巷现场环境潮湿，基站及相关设备容易腐蚀。

处理措施：专业维护人员加强定期对特殊地点基站及相关设备进行巡查，及时清洁设备及系统维护，保证该系統正常运行。

参考文献：

[1]王金翔.井下无线通信系统中GUI设计与实现[J].煤炭技术，2012（11）.

[2]陈湘源.煤矿无线通信系统的现状与发展[J].工矿自动化，2009（01）.

浅谈煤矿井下通信系统 篇4

1.1 漏泄通信系统

漏泄通信系统, 是一种较为成熟的煤矿井下移动通信系统, 依靠在井下巷道设一条中间电缆屏蔽层的完整性被有规律地破坏的同轴电缆来实现。该电缆称漏泄电缆, 其与漏泄设备输出口相连接, 之后会在周围形成连续、均匀的电磁场, 起天线传输作用。漏泄通信系统是一种井下模拟无线通信产品, 因其采用模拟调制、频分复用的方式, 可能造成噪声累积、工作点漂移等模拟系统的缺点。

目前比较著名的是加拿大矿通公司开发的“飞士”系统, 可提供32个声音与数据控制信道和16个视频信道, 所有信号传输同时进行, 既可与光导纤维网络连接, 又可与普通电线的电话、数据系统连接。我国较著名的是武汉七环的漏泄通信系统。

漏泄通信系统具有拓展性好、敷设灵活、可根据需要增加长度、可调整信道的优点, 也具有信号覆盖不均、易出现盲区、容量较小的缺点。漏泄通信系统在90年代曾经是井下无线通信系统的主导产品, 但现在很多已被取代。

1.2 无线小灵通通信系统

小灵通, 又名“无线市话”, 利用微蜂窝技术, 以无线方式接入, 实现终端通信。井下无线小灵通通信系统的出现, 是井下通信系统的一场技术革命, 实现了特殊环境下的无线通信。

继漏泄通信系统, 小灵通通信系统的发展也已经成熟, 后者基本取代前者成为井下通信的主流, 目前国内大部分矿井都采用小灵通进行通信。小灵通系统在井下主要采用40 m W的基站, 可同时提供3路通话信道, 并能对少量的人员和车辆进行定位。每个小灵通基站有自己的星型有线网络连接, 通过多芯电缆或光缆实现。

小灵通的建设和使用都较为方便, 在实际建设中, 各大矿井大多使用小灵通通信系统作为自己的井下通信系统, 其优势不言而喻。但小灵通系统存在基站通话数偏少的缺点, 且基站不能直接接入高速以太环网。伴随工信部“小灵通退网通知”, 曾经风靡大街小巷的小灵通告别了商业市场, 曾经的中兴、华为等技术型厂家纷纷转战手机通信领域, 小灵通技术几乎走到了尽头。虽然煤矿井下的小灵通系统是可以继续使用的专网, 但其技术已经被市场淘汰, 售后难以保证, 彻底退出通信市场只是时间问题。选用更稳定、更先进的无线井下通信技术, 是未来发展的必然趋势。

1.3 CDMA多功能无线通信系统

CDMA是一种建立在扩频通信技术基础上的无线通信技术, 在煤矿井下的具体应用, 主要是将CDMA的技术控制要点融入煤矿井下的地形与深度。其通过形成原数据信号带宽被扩展的现象, 实现整个信息通道的运用。

煤矿CDMA系统包括地面局端机、井下覆盖网和相应终端设备, 地面局端机为安装有功率受限天线的30m铁塔, 井下覆盖主要通过漏泄电缆、定向天线和全向天线。CDMA系统采用CDMA2000 1X技术, 以软交换技术建立核心网, 通过服务器、子系统、基站等, 建立一种能增强有效对接的控制方式。

CDMA技术可以实现井下人员的语音通信和视频功能, 而且具备设备管理、数据监测、图像传输等功能。系统容量大, 覆盖面广, 适应性好, 与地面无线网不冲突, 特别适用于一矿多井、一局多矿的组网, 能够节省投资。

1.4 Wi-Fi无线通信系统

Wi-Fi是目前应用最广的无线网络通信技术, 其广阔的应用前景值得关注。2004年德国最早将Wi-Fi技术运用于煤矿井下, 2007年中国的Wi-Fi设备也通过了国家安全标准认证, 投入使用。

经过多年发展, 运用于煤矿井下的Wi-Fi语音通讯系统已有了较成熟的发展, 实现了井上井下的通讯一体化, 完善了调度功能。且Wi-Fi的矿用语音系统具有脱网通讯能力, 在出现事故时通讯不会中断, 方便营救被困人员。

Wi-Fi无线通信系统布设简单, 安装方便, 建设成本低, 设备能耗低, 传输效率高, 带宽大, 承载业务多样。是目前煤矿井下通信主要的发展方向。

2 新兴技术在煤矿井下通信系统中的应用

除了上述四种技术, 蓝牙、3G、透地通信等技术也在煤矿井下通信系统中有所应用。其中3G技术是新的热点, 目前已被运用到煤矿井下的3G通信技术主要有采用分布式基站覆盖矿井, 和采用基于微微蜂窝或飞蜂窝基站覆盖矿井两种结构。可实现与调度电话、行政电话的互通, 有可视化功能。

其优势在于核心技术可靠, 厂商众多, 产业链庞大, 潜力无限。但相比于Wi-Fi, 3G技术带宽稍小, 目前建设成本也偏高, 还有待发展。

煤矿井下无线监控与通信系统, 集合了数字通信、传输、传感、控制、网络等多种新技术, 充分考虑到煤矿井下复杂的地质条件和恶劣的工作环境, 体现了低成本、高性能、易操作、易维护的优势, 有效帮助了煤矿的安全生产和管理, 是未来技术发展的重要方向。

3 结语

作为安全生产的一种辅助, 探究煤矿井下通信系统具体选择何种通信技术, 主要考虑的应包括成本控制、距离等客观因素, 最重要的是以安全生产为中心, 利用无线通信技术在煤矿井下形成安全的生产环境, 保障井下工作人员的安全。适用于煤矿生产的通信产品很多, 企业管理者应综合考量, 选择传输能力强、覆盖面广、使用方便灵活的最适合本企业的产品。

摘要：目前已发展成熟的井下无线通信系统主要包括漏泄通信系统、无线小灵通通信系统、CDMA多功能无线通信系统、Wi-Fi无线通信系统四种技术, 从组成、技术、应用、优缺点的角度, 分别对其展开讨论, 并由商用通信发展趋势结合煤矿井下通信系统现状, 对井下通信未来趋势进行分析, 提出选择合适通信技术的依据。

煤矿移动通信 篇5

一、3G通信

3G通信技术的出现推动了煤矿无线通信技术的发展与应用，因为它进一步的提高了数字传输功能，对于煤矿之前所使用的无线通信系统而言，3G无线通信技术所覆盖的业务范围更广阔。目前，煤矿使用的3G无线通信系统在覆盖结构上可以分为分布基站和微微蜂窝。所以，煤矿使用的3G无线通信系统可以通过接口与矿井调度电话、行政电话互相通话，具有组呼、群呼等功能，其中也包括进行可视电话的通信。3G通信系统不仅有先进的技术与完备的功能，而且还有巨大的产业链，具体表现在：职场的商家较多;技术与产品可靠;产品较多，可对其转化为煤矿使用;有明确的发展方向;得到了政府的支持。即使3G无线通信功能强大，但是在无线数字宽带上有一定的局限性，对于工业电视而言，它是需要高宽带的系统，因此在设备集控与瓦斯监测方面得不到满足，3G也就不能替代wifi无线通信的能力。

二、无线通信技术的特点

为了改变前期煤矿通信系统的不足，现阶段国家提倡全程实现无线通信系统，利用无线通信系统实现煤矿信号的稳定传输。从使用无线通信的情况来看，煤矿使用无线通信技术的特点包括以下两个方面：

1、高效。信号传输的效率较低是煤矿通信的常见问题，因为煤矿井下的复杂环境干扰了通信信号的传输效率，引起传输效率较慢。使用无线通信系统后，煤矿的内部信号传输就会得到全面的提升，信号的传递速率就会加快[2]。

2、稳定。无线通信系统能记录煤矿的调度指挥过程的语音信息，是煤矿调度指挥的主要设备。无线通信所记录的语音信息，可以作为监督调度、事故发生分析的依据，因此无线通信系统具有稳定性。目前的无线通信系统都具有该特点，对于外界的干扰可选择最优的线路传输，增强了信号的稳定性。

三、发展

3.1构建设计煤矿的无线通信系统构建矿井高速光网络干线上的子系统，是为了不受煤矿井下复杂环境和无线传输特性的局限，这种构建设计具有优化组合的特点，但要对新煤矿和老煤矿的通信系统的.构建设计进行区别对待，在此基础上本着技术改造、充分利用的原则，在技术、投资等方面找到最优的解决方法。线路负载、高压耦合等因素造成载频通信的不稳定，为了此问题的发生，该系统编程无线数据的耦合通道。因为最早的无线通信系统是泄露通信系统，因此，它没有任何的通信功能优势，但是泄露电缆的技术是成为无线通信系统的主要组成，尤其是在煤矿下的小面积通道及在一些特殊的环境下，可以作为天线使用，有着极大的影响。可以通过PHS(小灵通)、CDMA(码分多址)、WIFI(无线保真)这三种无线通信系统的技术特点进行比较，如表1所示：

3.2方向随着社会的进步，我国的煤炭信息化水平逐渐完善，煤矿无线通信技术的使用也在不断的提高。从小灵通技术，无线保真技术到现在的3G与4G技术。将来的煤矿无线通信系统中，语音通信必须是具有较高的质量，但这只是煤矿信息化处理的一方面。随着4G信号的到来，井下视频监控、数据采集、信息发布、视频会议等都会出现在无线通信系统平台上。4G技术的发展为将来的煤矿无线通信系统做出了巨大的贡献，将是煤矿未来信息化的重要平台。此外，将来的无线保真通信系统会与无线局域网标准结合，使无线传输速率达到128Mbps以上，无线局域网标准是使用正交频分复用调制的技术与多入多出的技术，构成MIMO―OFDM通信系统;天线与无线电等技术，可以在一定程度上提升无线保真的性能;天线与传输系统的改进会加大无线通信系统的传输距离[3]。

四、结语

煤矿移动通信 篇6

一、无线通信技术发展概述

1、PHS无线通信系统。PHS无线市话技术是在微蜂窝技术上实现的, 它通过微蜂窝基站达到无线覆盖的目的, 并以无线方式完成用户端和本地电话网的对接, 实质上属于固定电话技术的补充。PHS无线通信系统已于2011年底实现清频退网。2、Wi-Fi无线通信系统。Wi-Fi属于短程无线通信传输技术的一种, 它能在100米范围内实现互联网无线信号接入。Wi-Fi传输带宽受到环境动态影响, 带宽与延时呈反比例增长, 因此常常出现通话杂音、回声等质量问题。3、3G无线通信技术。TD-SCDMA是指时分服用同步满分多址接入, 这是我国第一次提出, 并依靠无线传输技术完成的国际移动通信标准。CDMA2000实在窄带CDMA技术上发展而来的宽带CDMA技术, 属于3G通信标准, 被国际电信联盟的IMT-2000标准认可。4、4G无线通信技术。4G是指第四代通信技术的泛称, 它集合了3G与WLAN的特性, 并能传输高质量视频图像, 其下载速度可达100Mb/s, 上传速度也能达到50Mb/s, 极大限度的提升了无线服务质量, TD-LTE是3GPP基础上发展而来的, 属于LTE的一种。

二、基于4G信技术的煤矿无线通信系统

2.1无线移动通信系统架构

1) 基于TD-LTE通信技术的系统架构。TD-TLE煤矿无线通信系统网络是由基站、接入网关、BRAS和核心网通信组成。其语音通信、数据传输和集群呼叫主要由核心网网元实现, 实现模式则是通过IMS、EPS、DSS集群完成。2) 建立基于TD-LTE通信技术的基站通信系统。以Femto Pico基站为基础建立无线通信系统, 不但能够扩大通信覆盖范围, 还能以IP SEC方式, 通过自身的传输网络统一接入到安全网关中, 提升网络传输的安全性能。在基站通过提供WLAN AP承载数据业务过程中, 一般是以PDG为媒介直接接入网络传输数据业务, 通过接入3GPP核心网来提升通话质量、数据传输的高效率, 实现统一的业务活动。此外, 还可以通过Small Cell基站的网管系统, 形成上下层无线网络通信系统的对接。3) 以IMS、EPC、DSS集群模式为基础的核心网。系统中的核心网主要用于用户连接、系统管理和网络承载, 具体业务包括遥感业务、简单消息传递和监视控制等。TD-LTE无线通信系统采用IMS+EPC+DSS集群构架的融合核心网系统ZXUN i EPC-5。ZXUN i EPC-5小型化产品集合了电信级EPC核心网的特性, 使用5U插箱, 集合MME、SGW、PGW、HSS等功能特性, 为用户提供高速、安全可靠的通信传输。4) 综合应用系统平台。综合应用系统平台是以多场景分布式高性能云计算框架结构为基础, 通过各种业务数据的分析处理引擎等专用支持工具, 对各数据进行高速、可靠、统一处理的平台。它具备灵活性、可裁剪、可适配等多种明显特点, 综合应用系统平台可以实现统一的数据存储、应用接口支撑生产自动化管理、安全管理等多种功能, 它在Wi-Fi网络以及LTE终端基础上, 保障语音、视频和数据等各类业务的有效进行, 为煤矿企业安全生产和数据处理提供技术支持。

2.2无线移动通信系统功能

1) 调度功能。煤矿生产中调度功能是必不可少的, 生产调度员需要实现资源有效调度, 以保障煤矿生产中的各种突发状况和安全生产, 调度功能主要针对生产进程管理、煤矿生产流程、资源整合分配等。2) 语音业务。语音业务包括移动电话和紧急呼叫业务、主叫号码识别显示业务三种。移动电话是煤矿通信系统用户与系统内外其他用户语音通信的重要保障;紧急呼叫业务主要应用于集群用户发起就近紧急, 其余电话业务有类似, 但是比一般电话业务快速;主叫号码显示也即是被叫用户提供主叫用户号码。3) 集群通信。集群通信主要是在无线集群通信系统基础上实现的自动化信息共享, 它主要用于提供系统内部的全呼、组呼和双向通话等。根据事件等级和紧急呼叫功能划分呼叫等级, 确保煤矿生产的安全调度。4) 增值数据服务。增值数据服务主要包括视频通话、物联网介入和手机终端定位等。在4G通信技术支持下, 增值数据服务能够确保信号传输时间的准确性和精密性, 以此了解井下人员的位置和分布, 确保煤矿生产安全和信息的时效性。

参考文献

[1]李美艳.基于LTE技术的煤矿无线通信系统[J].山西电子技术.2014 (02)

浅谈煤矿数据通信及其应用 篇7

一、数据通信技术的概述

数据定义为有意义的实体, 数据涉及到事物的形式, 而信息涉及的是这些数据的内容和解释。信号是数据的电磁或电子编码, 信号发送是指沿传输介质传播信号的动作。传输是指传播和处理信号的数据通信。

在通信系统中, 利用电信号把数据从一个点传到另一个点。模拟信号是一种连续变化的电磁波, 这种电磁波可以按照不同频率在各种介质上传输;用恒定的正电压来表示二进制1, 用恒定的负电压来表示二进制0。数字信号发送的最基本优点是比一般模拟信号发送受噪音干扰的影响小, 但比模拟信号容易衰减。模拟数据和数字数据都可以用模拟信号和数字信号来表示, 因而也可以用这种形式传播。一般来说, 模拟数据是时间的函数, 并且占有一定的频谱范围。这种数据可以直接用占有相同频谱范围的电磁波信号来表示。最好的例子是声音数据。作为声音数据的频率范围在20Hz-20KHz之间, 然而, 大多数语音能量的范围要窄得多, 声音信号的标准频谱是300-3400Hz, 对传播清楚的声音来说, 这个频谱是完全足够的。电话设备就是这样做的。为了使所有的声音以300-3400Hz输入, 需要产生有相同频率幅度的电磁信号。可以用相反的过程把电磁能转换为原来的声音。

利用调制解调器MODEM (调制器/解调器) , 数字数据也可以用模拟信号来表示。大多数通用的调制解调器都用音频频谱来表示数字数据, 因此能使那些数据在普通的音频电话线上传播。对于远程通信, 数字信号发送不象模拟信号发送那样用途广泛和实用。例如数字信号发送不可能用卫星系统和微波系统。然而, 在质量方面, 数字传输比模拟传输优越, 因此, 远程通信系统正在把声音数据和数字数据逐步转变为数字传输。

煤矿数据通信是通信技术和计算机技术相结合产生的通信方式。能在不同的两地之间传输信息必须有传输信道, 根据传输媒体的不同, 有线数据通信与无线数据通信是有区别的。但它们都是通过传输信道将数据终端与计算机连接起来, 而使不同地点的数据终端实现软件、硬件和信息资源的共享。

二、煤矿数据通信构成原理

数据电路由传输信道和数据电路终端设备组成, 如果传输信道为模拟信道, 通常就用调制解调器, 它的作用是进行模拟信号和数字信号的转换;如果传输信道为数字信道, 是实现信号码型与电平的转换, 以及线路接续控制等。传输信道除有模拟和数字的区分外, 还有有线信道与无线信道、专用线路与交换网线路之分。交换网线路要通过呼叫过程建立连接, 通信结束后再拆除;专线连接由于是固定连接就无需上述的呼叫建立与拆线过程。计算机系统中的通信控制器用于管理与数据终端相连接的所有通信线路。中央处理器用来处理由数据终端设备输入的数据。

三、煤矿数据通信分类

1、有线数据通信是靠有线传输, 适于固定终端与计算机之间的通信。

其可以分数字数据网、分组交换网和帧中继网三大类。

2、无线数据通信是在有线数据通信的基础上发展起来的, 也被称为移动数据通信。

它是通过无线电波的传播来传送数据的, 因而有可能实现移动状态下的移动通信。通过与有线数据网络互相联结, 把有线数据网络应用扩展到无线移动作业。而运用在我们煤矿的无线通信系统是应用漏泄通信原理实现井下无线通信覆盖。

四、网络体系结构及协议

共享计算机网络的资源, 以及在网中交换信息, 需要实现不同系统中的实体通信。实体通信都必须遵从有关实体间某种互相能接受的一些规则。这些规则的集合称为协议, 它可以定义为在两实体间控制数据交换的规则的集合。由于不同系统中的实体间通信的任务十分复杂, 相互不可能作为一整体来处理, 否则任何一方面的改变, 就要修改整个软件包。一种替代的办法是使用结构式的设计和实现技术, 用分层或层次结构的协议集合。在每一对相似的实体中需要一种面向应用的协议, 以协调两个应用模块的行动, 并保证共同的语法和语义。这一协议不用知道有关中间通信网络设施的情况, 但是要利用网络服务实体所提供的服务。网络服务实体与另一个站中的相应实体要有一个进程的协议。这一协议要处理诸如信息流控制和差错控制之类的事务。当采用结构式协议设计时, 我们将用户实现通信功能的硬件和软件称为通信体系结构。

五、煤矿数据通信的应用

1、煤矿有线数据通信的应用

电话网是用于声音通信, 随着电子技术的发展, 电话网提供的连接也可作为计算机之间传送数据的通道。从电话网演化到这种综合服务的网络称为综合业务数字网 (ISDN) , 用户可以用电话线传送声音和数据。

电话会议是最有效提供面对面会议的通信工具, 这种技术涉及到在通常的通信通道上传送图像, 从而建立一种既有声音, 又有图像的系统。

在办公事务中, 需要传送印刷的文本, 传统的方法是用信件, 随着网络技术的发展, 近年来, 我们煤矿系统也采用了最新的ERPⅡ管理思想和最先进的平台化技术架构, 是金碟K/3产品的重大平台升级和管理升级, 是国内第一套“ERP+中间件”的企业管理软件, 涵盖集团管理、财务管理、人力资源管理、供应链管理、生产制造、协同平台等管理领域。为我们通化矿业集团提供最适合企业管理特质的个性化企业管理及电子商务应用解决方案。电子数据交换 (EDI) 是通信、计算机和现代化管理技术相结合的产物, 称为“无纸贸易”。EDI用电子单据凭证代替了纸单据凭证, 由传统的多点对多点的联系变为网络信息传递。EDI技术是我们通化矿业集团发展的极其主要的工具。

2、无线数据通信的应用

无线数据通信也称为移动数据通信。移动数据通信的应用可分为固定式应用、移动式应用和个人应用三种类型。固定式应用是指通过无线接入公用数据网的固定式应用系统及网络。如我们煤矿山区的计算机入网、灾害的遥测、告警系统、人车信号通信系统、矿井巷道漏泄通信系统、机车运输无线通信系统、采掘面无线通信系统、生产调度及广播无线通信系统等等。人车信号通信系统满足矿井斜井、竖井、顺槽、皮带巷等绞车系统行车打点、通信检修和紧急状况下控制停车等功能, 实现双码打铃通话、二级打铃通话、多层面控制、显示等功能。矿井巷道漏泄通信系统具有地面和井下联网及有无线转接功能的单信道或多信道漏泄通信系统。所谓漏泄通信, 就是在需要实现无线通信的地下巷道中铺设一条射频同轴电缆 (即漏泄电缆) 。这种电缆以穿孔, 开槽或疏编等方法, 有规则地破坏电缆屏蔽层的完整性。这样, 当漏泄电缆接在基地电台天线输出口时, 在电缆周围就会形成一个均匀连续的电磁场。即漏泄电缆起了天线的传输作用。利用巷道中电缆周围的电磁场, 就可沿漏泄电缆进行无线电收发信机与漏泄电缆之间的双向移动通信。可以用双向中继器来实现补偿射频信号在漏泄电缆中轴向传输时所产生的损耗, 在井向分叉时功率分配器能够实现信号的分支或汇合, 为了使系统保持阻抗匹配, 负载盒起了很大的作用。机车运输无线通信系统, 是矿井井下机车司机与机车调度间、机车司机与有线电话的自动汇接。采掘面无线通信系统, 采掘面作业人员相互间和与地面调度及有线电话间的实时通信功能, 与有线电话的自动汇接。生产调度、广播无线通信系统, 满足井上、井下各工种间的生产调度通信指挥功能, 实现有线、无线自动汇接, 并可集合井上、井下紧急广播系统功能, 实现双网合一、多功能通信。

移动式应用是指野外勘探、施工、设计部门的运输车为发布指示或记录实时事件, 通过无线数据网络实现业务调度、远程数据访问、报告输入、通知联络、数据收集等均需采用移动式数据终端。个人应用是指专业性很强的业务技术人员通过无线数据终端进行远程打印、传真、访问主机、数据库查询、查证。此外, 电子信箱是我们现代企业应用很广的数据业务, 因此无线数据通信也得到广泛的应用。作为有线数据网的补充和延伸, 在我们煤矿系统, 移动数据通信将具有更广泛的应用前景。

六、总结

煤矿井下可见光通信系统设计 篇8

目前, 用于煤矿井下的通信网络主要可分为有线通信网络、无线通信网络及有线与无线混合的通信网络。有线通信网络主要通过铺设通信电缆或光纤等构成通信线路, 由于巷道纵横交错, 工作面具有移动多变性, 线路敷设复杂且易遭到损坏, 使得有线通信网络在井下应用具有很大的局限性。现有的无线通信网络主要是利用无线射频技术实现通信, 如WiFi、蓝牙、ZigBee、超宽带、红外等。但是, 煤矿井下环境恶劣, 电磁波的传输极易受到特殊的通信环境的干扰, 形成严重的多径效应, 因此, 很大程度上降低了通信质量和传输距离, 而且全网节点的铺设成本较高、安装不易。混合有线和无线通信网络主要是在指一些大巷、泵房等采用有线敷设, 而在一些特殊环境 (如工作面) 利用无线进行通信, 虽然通信效果有所提升, 但由于无线通信技术本身易受外界环境影响, 在井下受限的通信环境根本无法根除多径效应, 而且同样存在铺设安装困难, 成本较高等缺点。因此, 为了解决以上井下通信网络的缺陷, 研究设计了一种煤矿井下LED可见光通信系统。该系统通过电力线载波通信和光载波通信的结合, 实现了矿井工作面等井下场所与地面的通信;与其他传统的井下通信系统相比, 由于是通过改造的井下电力照明系统构成, 铺设安装简单, 成本低廉且安全可靠。同时, LED可见光在井下通信环境中应用具有明显的优势, 无自然光的干扰, 可覆盖整个井下区域, 发射功率高, 可实现照明和通信双重功能, 能在实现正常照明的同时满足通信需求。

1系统总体设计

1.1系统架构

煤矿井下可见光通信系统主要包括2个部分: 照明灯基站与移动台 (即矿灯) 之间的光无线通信, 照明灯基站之间以及照明灯基站与地面之间的电力线载波通信, 如图1所示。

井下可见光通信网络在原有电力线的基础上, 通过改造井下现有的电力照明系统, 重新规划照明网络, 以LED可见光通信链路和电力线通信链路为基础, 并将一些必要的主服务器、光检测基站、移动控制台等设备添加到系统中, 其网络结构如图2所示。在井上监控室安装主控制监控服务器装置, 通过相相耦合的方式连接到井下电力线[1]。在井下各个巷道内, 通过电力线系统将许多照明灯基站连接成可见光下行链路通信网络, 再对井下采煤工作面和交错的巷道进行分区, 建立各个小型可见光通信局域网, 并在每个局域网内设定一个光基站控制台, 同样通过相相耦合方式连接到电力线系统, 作为一个小型的局域网服务器, 它不但具有路由转发功能, 而且能够对照明灯基站进行控制和调整。

1.2系统设备组成及功能

(1) 主服务器。对整个可见光通信网络进行监控, 具有与外界通信的以太网接口, 并安装各种监控、定位软件等, 它不但能够对各个光基站控制台和基站进行直接或间接控制, 而且也可用于移动台和基站的通信和定位。

(2) 光基站控制台。只对本区域内的基站网络进行监控, 同时具有计算机网络中的路由功能, 它主要包含本局域网内的各个照明灯基站全部信息和其他的局域网的光基站控制台信息。具体功能包括: 1它可把电力线载波数据帧进行分组并组装成数据包格式, 为上层服务层提供完整的信息;2可将接收到的数据帧进行同层的路由转发, 同时也可向下一层转发;3对数据信息进行处理、识别, 可用于对本局域网内的基站和移动台进行控制等。

(3) 照明灯基站。主要由光信息发射器和接收器构成, 其具体结构如图3所示。其中光信息发射器由LED光调制编码电路、LED驱动电路和LED光源等构成, 用于信息的发送;光信息接收器由光信号检测器、信号调理模块、信号处理器、均衡器、解调判决器和电力线调制编码模块等构成, 用于信号的接收, 同时也可作为光通信的交换机使用。

(4) 移动台。即智能矿灯, 是一个可以提供照明的小型智能终端, 主要结构如图4所示, 包括光信息发射器和接收器, 此外, 还含有电源、控制器、显示器等硬件设备, 主要用于信息的发送、显示等。

2关键技术

目前煤矿井下工作面存在着严重的通信手段单一的问题, 本文将可见光通信与电力线载波通信相结合, 可以有效地提高井下通信的可靠性。

2.1电力线载波通信

电力线载波通信是指将照明电线作为传输媒介, 以载波的方式将信号进行高速传输的通信方式, 电力线在输送电流的同时实现信息传输的功能。目前煤矿井下的电力线载波通信通常用于煤矿电力监控以及安全监测中。本系统中照明灯基站和综保电力载波系统均连接在电力电缆上, 并通过综保设备接入工业以太网, 实现井下与地面之间的通信。综保电力载波设备结构如图5所示。

2.2可见光通信技术

可见光通信作为一种新兴的无线光通信技术, 发射端通过利用LED器件高速亮灭的发光响应特性, 发出人眼无法察觉的高速率调制的光载波信号传输信息, 接收端借助光电转换器件对信号进行接收转换, 从而获取信息[2]。 可见光通信的原理如图6所示。

发射电路包括电力线调制电路、编码电路、电力线解调电路和LED调制驱动电路。其中电力线调制电路将信号调制成适合在电力线上传输的信号后再进行传输。由于LED光源具有照明和通信的双重功能[4], 因此, 当无信号传输时, LED应正常照明。为避免出现长时间的“0”或者“1”, 采用曼彻斯彻编码电路对信号进行编码。然后将输出信号加载到LED调制驱动电路, 调制成随光载波信号强度变化的信号。当有信号传输时, 发射电路将信号加载到LED上实现调制, 当无信号时LED也应该正常发光。

接收电路包括光电检测电路、前置放大电路、功率放大电路、均衡电路、判决电路和解调电路。其中光电检测器采用PIN管, 其响应时间快, 且具有良好的光电转换特性[5]。光电检测器先将光信号转换成电信号, 但由于光电流微弱, 因此, 必须经过前置放大电路将电流转换成电压, 并减小噪声对通信质量的影响。此时的电压值仍然较小, 需进一步通过功率放大电路进行信号放大, 同时保持一个相对稳定的输出功率。均衡电路对在传输过程中发生畸变的信号进行补偿, 从而作出适合下一步的判决。利用时钟提取电路从信号码流中提取时钟信息以精确确定判决的时刻, 并逐个对码元波形进行取样判决, 从而得到原码流。最后通过解调电路得到原始信息, 传送到信宿, 从而实现了信号的传输。

3系统通信模式

煤矿井下可见光通信系统通信模式主要包括广播通信和单线通信方式, 其通信传播线路如图7所示。

(1) 系统广播通信方式设计主要包括主服务器、光基站控制台、移动台的全网广播和它们的局部广播方式。例如主服务器的广播, 由主服务器向移动台发送信息, 经过“线路1”传播, 具体实现:主服务器发送信号后, 通过调制、编码成适合在电力线传播的信号, 经过相相耦合装置把信号输送到电力线上, 传输到各个光基站控制台, 光基站控制台再通过电力线载波通信方式把信号发送到本局域网内的各个照明灯基站, 照明灯基站最后把信号重新调制、编码, 并以可见光为载波输送到各个移动终端节点。 而其他的广播形式中没有主服务器的参与, 它只是通过电力线系统把自己要发送的信息输送到其他的光基站控制台, 然后再发送到各个照明灯基站, 最后输送到各个局域网内的移动终端。局部广播方式利用主服务器、光基站控制台或移动台对部分局域网络进行广播通信。

(2) 单线通信方式主要包括光基站控制台、照明灯基站, 移动台终端和主服务器的单线通信和它们之间的单独通信方式。例如移动台1和2的单独通信路径为移动台1→照明灯基站1→光基站控制台A→光基站控制台B→照明灯基站2→移动台2。

4结语

煤矿井下可见光通信系统利用煤矿井下现有的照明电力线作为传输介质, 通过改造LED照明系统, 建立可见光通信基站, 并配合矿灯移动节点, 从而构成了覆盖巷道和工作面的通信网络。通过所设计的通信结构框架和传输通信模式, 实现了数据的双工通信。可见光通信网络在井下具有能耗低、成本低、传输效率高、可靠稳定等优点, 因此, 设计的井下可见光通信系统对井下监测监控通信系统的发展有很好的推动作用, 且具有广阔的应用前景。

摘要：针对井下现有通信网络存在有线网络易损坏、无线网络通信质量较差等问题, 设计了一种井下LED可见光通信系统。该系统利用煤矿井下现有的照明电力线作为传输介质, 通过改造LED照明系统, 建立可见光通信基站, 并配合矿灯移动节点, 构成了覆盖巷道和工作面的通信网络, 实现了照明和通信双重功能。与井下现有的通信系统相比, 该系统无自然光的干扰, 且不受电磁波干扰, 在安全性、可靠性和稳定性等方面具有明显优势, 同时成本相对较低, 在井下具有较高的实用价值。

关键词：煤矿井下,可见光通信,电力线载波通信,照明,光发射机,接收机

参考文献

[1]云文岳.室内可见光通信系统调制与解调技术[D].长春:长春理工大学, 2008.

[2]臧景峰, 朴燕, 宋正勋, 等.基于白光LED照明光源的室内VLC系统[J].发光学报, 2009, 30 (6) :877-881.

[3]孙建领.LED光源在矿井工作面照明灯中的应用[J].半导体技术, 2008, 33 (12) :1062-1065.

煤矿应急通信保障系统的设计 篇9

煤矿井下生产过程极其复杂,环境条件相当恶劣,再加上一些自然灾害因素,时常引发矿难,严重影响煤矿安全生产[1,2,3]。因此,当矿难即将发生或者矿难刚刚发生时,如何快速有效地通知井下工作人员尽快撤离和通知指挥中心第一时间展开救援工作,是目前急需解决的问题。

现有的大多数应急通信保障系统主要针对地面应急通信,如固定电话等[4],这些系统能很好地完成地面应急通信的任务,但不能覆盖到井下。同时,煤矿井下正常的通信网络,如同轴电缆及无线通信等[5,6],在事故中也会受到破坏,导致煤矿井下在事故后无法正常通信。

鉴此,笔者开发了一种便捷可靠的煤矿应急通信保障系统。该系统是在预防为主的前提下,能够迅速、准确、有序地对井下作业人员进行紧急通知、疏散和救援的煤矿井下通信系统,在煤矿发生灾难时可及时通知人员撤离并可与避险人员通话。

1 系统设计

1.1 总体架构

煤矿应急通信保障系统为基于工业以太网的有线/无线相结合的通信系统,通过统一的应急救援软件平台,即综合指挥救援中心,实现扩播通信、调度通信及无线通信等功能,其拓扑结构如图1所示。

1.2 应急救援软件平台设计

应急救援软件平台采用Java平台开发,可通过中继网关、专用转换器等通信网关设备整合扩播电话机、小灵通、WiFi手机、调度电话机、井下广播系统等既有资源。如图2所示,煤矿各通信系统通过应急救援软件平台可实现联络通信功能。

应急救援软件平台主要功能:

(1)整合现有的语音通信系统,统一界面,统一管理;

(2)调度室可直接对扩播电话机、调度电话机、手机各点进行紧急呼叫或广播;

(3)显示各分机点、线状态;

(4)分级管理,分级监控。

1.3 系统特点

(1)广播及应急救援通信

可对单个或多个区域以及整个区域进行广播,按下井下分控站或报警点的“紧急呼叫”按钮,可立即中断广播内容,实现井上井下紧急救援通信。

(2)一键通

提供一键通功能,在紧急情况下单键操作便可调度所有的通信节点。灾难发生前,可在1 min内通知到井下各作业区的所有员工;灾难发生后,可为抢险救援提供通信保障(可与井下救生舱实现对话)。

(3)全覆盖

覆盖了井下生产作业区、管理办公区、休息区等包含井上井下在内的全部重要区域。

(4)全兼容

与现有的广播系统、程控电话、井下无线通信系统兼容,可以实现各系统的互联互通,满足管理、巡检、安全、救急人员等通信联络的需求。

(5)人员定位紧急呼叫

与矿井人员定位系统互联,通过人员定位卡上的紧急按钮实现紧急呼叫功能。

2 关键技术分析

2.1 与矿井人员定位系统互联互通的关键技术

煤矿应急通信保障系统中的应急救援软件平台将矿井人员定位系统与通信联络系统互联,如图3所示。正常情况下,煤矿应急通信保障系统能够实时了解井下人员的准确数量、流动情况及分布情况,从而提高矿井生产效率;当发生矿难事故时,井下人员通过人员定位卡上的紧急按钮实现对井上调度室的紧急呼叫,救援人员可根据矿井人员定位系统提供的数据,迅速了解有关人员的位置情况并与之进行有效的通信联络,从而及时采取相应的救援措施,提高应急救援工作的效率。

2.2 与矿井工业以太网综合接入的关键技术

早期的语音通信系统与音频信号的采集、传输、存储均为模拟形式,没有实现数字化,更不能通过网络交换数据,这些模拟语音通信系统具有较好的实时性和语音质量,但存在灵活性极差、占用线路资源多、语音通信范围小等缺点。近几年,随着井下综合业务数字网的提出及发展,数字语音通信系统逐渐应用于煤矿井下。目前,井下语音通信系统正处于模拟系统与数字系统混合应用并向数字系统过渡的阶段。相对于模拟语音通信系统,数字语音通信系统主要具有使用方便、传输距离不受限制、方便扩展升级等优点[7,8]。

针对实际情况,笔者研发了一种具有多种接入方式的矿用综合语音接入网关。该网关采用先进的数字语音通信技术,基于IP通信协议,支持静态、动态IP地址及IP地址智能学习功能,支持SIP协议或者H323协议;语音编码支持G.711、G723.1、G.729A,语音清晰,适应各种网络环境;可将从调度台由工业以太网传来的网络信号转换成适合RS485传输的数据,并发送到各个扩播电话机,以便在井下实现扩播功能。该网关用于矿井扩播对讲系统的主要目的是在保留矿井老式模拟电话机的基础上将语音传输IP化,从而改善井下布线的安全性,提高传输距离,方便调度控制,并为井下通信系统的进一步升级改造打好基础。

3 系统相关功能测试

煤矿应急通信保障系统在平顶山天安煤业股份有限公司八矿进行了实际测试,主要测试系统的线路管理、音频播放、通话打点、一键通、广播及应急通信救援等功能。测试结果表明,该系统可对线路进行分级管理、分级监控,如图4所示;通话打点音质好,音量高达97 dB,能够满足大巷及胶带巷等环境嘈杂地区的扩音通信要求;音频播放功能指可以在地面调度室的软件上选播歌曲,也可以播放井下扩播电话机中SD卡内存储的歌曲和音乐;一键通功能是指发生紧急情况时,按下一键通键,系统可在1 min内快速接通井下所有的通信系统,以告知井下人员快速撤离,如图5所示;广播及应急通信救援功能测试结果如图6所示。

4 结语

针对煤矿井下通信环境设计的煤矿应急通信保障系统,通过应急救援软件平台实现了与矿井人员定位系统的互联互通、与矿井工业以太网的综合接入,从而实现了矿井的扩播通信、调度通信及无线通信。现场实际测试结果表明,该系统具有线路管理、音频播放、通话打点、一键通、广播及应急通信救援等功能,提高了应急救援工作的效率。

参考文献

[1]丁延龙.矿井灾害事故避灾系统研究[D].阜新:辽宁工程技术大学,2007.

[2]张艳.我国煤矿事故多发原因及对策探讨[J].矿业安全与环保,2008,12(35):99-101.

[3]崔兆华.2001—2008年我国煤矿瓦斯事故统计及原因分析[J].科技情报开发与经济,2009,19(21):139-141.

[4]郑万波,吴燕青,谢成梁,等.新型矿井应急救援通信系统关键技术研究[J].煤炭科学技术,2009(8):100-102.

[5]杨维,冯锡生,程时听,等.新一代全矿井无线信息系统理论与关键技术[J].煤炭学报,2004,29(4):506-509.

[6]刘伟.新型集团化煤矿企业如何打造一套完善的煤矿应急通信系统[EB/OL].(2009-09-24)[2011-09-27].http://www.cww.net.cn/exhibit/html/2009/9/24/2009925163118030_2.htm.

[7]杨然,门汝静.国外应急通信历经考验走向成熟[J].网络电信,2009(5):46-48.

煤矿移动通信 篇10

随着煤矿井下高速通信网络的推广应用,作为“六大系统”之一的通信联络系统[1,2]已经突破功能单一且系统孤立的调度电话或数字广播系统,正在向具备交互可视及全双工语音通信功能、支持标准多媒体交换协议体系并满足煤矿生产管理系统综合调度应用集成需求的多功能通信联络系统发展。

Android操作系统是谷歌公司于2007年底发布的基于Linux 内核的开源操作系统,由于其开放性能得到业界众多公司的认可和支持,目前已经成为全球主流的手机和平板电脑系统平台。Android操作系统主要支持基于ARM体系的嵌入式低功耗硬件平台,具有开放性和丰富的应用层软件支持,对于开发具有本质安全性能的多媒体矿用设备,Android操作系统相对于目前应用较多的Windows系统具备比较明显的优势[3,4,5,6]。

SIP(Session Initiation Protocol,会话初始协议)是IP网络中的一种重要的控制信令协议[7,8],用于实现网络通信中会话的申请、建立、更改和释放。SIP作为一种应用层会话协议,具有简洁、灵巧、互操作和可扩展性强等特点。针对矿井通信功能单一和系统孤立的现状,将SIP协议与Android平台相结合实现煤矿可视语音通信,具有良好的开放性和可扩展性能。因此,本文提出一种基于Cortex-A8内核的具有多媒体功能的煤矿井下Android可视语音通信终端设计方案。该终端同时具备数字扩音广播与可视对讲功能,支持RFC3261 SIP信令、RFC 3550 RTP协议及G.711、G.723、G.729标准的话音交互和H.264标准的视频交互[9,10,11,12,13]。

1 可视语音通信终端总体设计

1.1 功能设计

(1) 扩播通信。

可视语音通信终端可以作为普通IP广播终端接入IP广播系统,实现调度中心与终端之间、终端与终端之间的扩播喊话和语音对讲。

(2) 视频交互。

可视语音通信终端可作为一个视频监控节点,煤矿调度中心可以随时查看终端所处环境的实时视频图像。

(3) 媒体宣传。

可视语音终端可以按照事先编排的播放计划播放各种视频和音频媒体文件,支持AVI、MPEG4、MP3、WAV等多种标准格式,可实现煤矿安全教育、企业宣传等多媒体功能。

(4) 应用集成。

可视语音通信终端作为一个具有交互功能的本质安全型多媒体终端平台,可以实现与煤矿安全监控系统、人员定位系统、紧急避灾系统等的应用集成,在终端上以多媒体界面的形式实现现场环境参数查询、人员定位考勤信息统计、紧急信息发布、避灾路线指引等综合应用功能。

1.2 硬件组成

可视语音通信终端采用Freescale iMX535 Cortex-A8嵌入式处理器为核心,内核运行速率达到1.2 Gbit/s,终端硬件组成如图1所示。终端的显示输出采用1块分辨率为800×600的40 cm真彩工业屏,该显示屏通过LVDS接口与ARM连接;输入模块采用2组共15个键的金属防爆键盘;支持SD Card2.0标准的SD存储卡通过SDIO接口与ARM处理器相连;网络接口为LAN8720 10/100 Mbit/s自适应以太网络,可扩展WiFi和WCDMA;音视频采用ARM内核支持的音频接口和CMOS摄像头接口。

1.3 软件模块

可视语音通信终端的软件系统基于Android嵌入式操作系统实现,采用了分层架构,包括Linux 系统内核层、Android运行时与函数库层、Android应用框架层和终端应用系统层,如图2所示。

Linux系统内核层是系统软件和硬件之间的抽象层,提供系统级内存管理、任务管理、安全管理和各类硬件驱动(包括键盘、显示、音视频、网络等)。

Android运行时基于Linux系统内核层,包括核心库和Dalvik虚拟机。Dalvik虚拟机可以并发高效运行多个虚拟系统,每个应用程序都可以拥有独立的Dalvik虚拟机。Android函数库是一套用C/C++编写的类库,包括Surface Manager、Media Framework、SQLite、OpenGLES、FreeType、WebKit、SGL、SSL、Libc等。

Android应用框架层是为应用程序开发者提供的一个高度灵活并可复用的组件设计模型,其中的组件可以复用、修改和扩展,包括Activity Manager、Window Manager、Content Provider、View System、Notification Manager、Package Manager、Telephony Manager、Resource Manager、Location Manager、XMPP Service等。

终端应用系统层是基于Android应用框架开发的一套软件,除可实现音视频交互以及各类应用集成外,还可依托终端后台独立任务实现文件上下载、软件升级、运行状态监控等远程管理维护功能。

2 基于Android平台的可视语音交互实现

2.1 可视语音通信架构

可视语音通信架构如图3所示,其关键功能模块包括语音编解码模块、视频编解码模块、SIP信令接口和音视频交互控制中心。

2.2 语音编解码

可视语音通信终端通过Android类库中的AudioRecord实现输入语音数据的采集,采样频率设置为8 kHz,通道配置为CHANNEL_CONFIGURATION_MONO, 采样格式为ENCODING_PCM_16BIT。阻塞方式调用AudioRecord::read方法循环读取语音数据流并放入语音数据包队列。

语音回放通过Android类库中的AudioTrack完成,播放通道配置和音频格式设置与语音采集相同,播放模式为MODE_STREAM,解码线程阻塞等待网络语音包并使用AudioTrack::write方法不断向播放缓冲中填写线性PCM数据。

2.3 视频编解码

终端的视频采集采用android.hardware.camera类实现,视频图像显示采用PreviewCallback回调函数实现。Camera类中定义了摄像头控制和数据传输的接口函数,控制部分包括拍摄开始、停止、对焦等,数据传输接口包括照片预览、视频流获取等。

因为视频数据量巨大,所以在传输过程中需要进行编解码。软编解码算法复杂,需要占用大量的CPU处理时间,本文采用硬编解码方式,并选用了包含H.264标准编解码功能的iMX535 处理器,提高了视频处理效率。为了保证视频流的显示输出效果,终端没有选择直接调用Graphics 类库,而是在Linux系统平台上用C语言编程,采用内存映射技术直接操作显示驱动的显示缓冲。Android下的应用程序通过JNI(Java Native Interface,Java本地调用)技术实现对Linux显示输出模块的功能调用。

2.4 SIP信令接口

SIP共定义了6类基本报文类型:① INVITE报文,用于主动发起呼叫;② ACK报文,用于确认呼叫;③ BYE报文,用于终止会话;④ OPTIONS报文,用于查询代理服务器设置;⑤ CANCEL报文,用于取消呼叫;⑥ REGISTER报文,用于向代理服务器注册。

由于Android2.3之后的版本包含了对SIP协议的支持,终端调用android.net.sip下的类库管理会话。SIP信令接口模块首先调用SipManager::newInstance方法创建SipManager类实例来管理所有多媒体会话,使用SipProfile.Builder类来初始化服务器IP、用户名和密码等信息,创建SipProfile实例并载入SipManager;然后创建SipAudioCall,调用SipManager::makeAudioCall方法来主动发起并建立会话;通过IncomingCallReceiver类来监听外部呼入的会话请求。

2.5 音视频交互控制中心

音视频交互控制中心负责多媒体交互子任务的创建、终止和内部信息流转,共包括6个工作线程,线程间通过消息队列传递数据。

(1) 语音编码线程。

音频采样初始化,分包采样语音数据,采样格式为线性PCM,实时压缩成G.723或G.729格式,加上时间戳,放入上行交互线程的语音消息队列。

(2) 语音解码线程。

音频播放初始化,从语音解码队列中取语音压缩包,执行语音合成,并向语音播放缓冲填写数据。

(3) 视频编码线程。

视频采集初始化,分帧采样终端视频图像,调用iMX535视频压缩接口,实时压缩成H.264格式,加上时间戳,放入上行交互线程的视频消息队列。

(4) 视频解码线程。

低层显示驱动接口初始化,从视频解码队列中取视频压缩包,调用iMX535视频解压接口,向低层显示缓冲刷新图像数据。

(5) 上行交互线程。

执行SIP会话呼出与媒体格式协商,从语音消息队列和视频消息队列中读取数据,根据时间戳生成同步媒体流,向目标网络端口发送。

(6) 下行交互线程。

执行SIP会话呼入与媒体格式协商,接收远端发送来的媒体流,从中分离出语音与图像数据,分别发送到语音解码队列和视频解码队列。

消息队列采用先入先出的生产者消费者模型,不同线程对同一消息对象数据结构的访问使用信号量Semaphore来进行同步。

3 性能测试

为了检验本文所述设计方案的可行性和有效性,分别对可视语音通信终端进行功耗测试与CPU性能测试。

功耗测试主要分成2个部分进行:主控显示部分包含核心板、液晶显示模块、视频采集模块、网络、SD卡控制等,音频功放仅包括音频功率放大电路部分,测试基准信号为1 kHz、90 dB。终端功耗测试结果见表1。

主控显示部分因为40 cm液晶显示屏功率较大,虽然ARM控制部分的功率极小,但显示屏在开机阶段的功耗也达到了13.41 W;音频功放部分平均功率为4 W左右,但由于功放输出与语音音量、频率关系密切,所以功率波动较大,最大达6.3 W。整机功耗可控制在20 W以内,能够实现本质安全设计。

CPU性能测试主要测试终端进行在线可视语音交互时的相关性能。测试时,上端为1台工业计算机,终端与计算机进行双工对讲,同时向计算机实时传送终端摄像头图像;语音压缩采用G.723标准,图像压缩采用H.264格式,分辨率为640×480,每秒钟传送24帧。 CPU性能测试结果见表2。

从表2可看出,当终端只进行语音对讲时,Cortex-A8 1.2 GB的处理器负荷很轻;在处理视频压缩和显示时,CPU的负荷明显上升,但平均使用率能够保持在50%以下,该结果很大程度上依赖于处理器对视频编解码的硬件支持。

4 结语

提出了一种基于Cortex-A8内核的可视语音通信终端设计方案,实验证明该方案能够实现低功耗本质安全设计,终端性能满足可视对讲需求。后续工作将对移动可视化对讲、集群调度等方面做进一步研究。

摘要：提出了一种基于低功耗ARM Cortex-A8内核的煤矿井下可视语音通信终端设计方案,详细讨论了可视语音通信终端的功能、硬件组成和软件模块。该方案在Android嵌入式操作系统平台上,结合SIP协议和语音视频编解码器实现井下终端的可视语音通信功能。测试结果表明,可视语音通信终端整机功耗可控制在20W以内,能够实现本质安全设计;终端进行语音对讲时CPU负荷很轻,处理视频压缩和显示时,CPU平均使用率能够保持在50%以下,性能满足可视对讲需求。