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摘 要：本文介绍了基于工业以太网的无线通信原理及其在煤矿生产中的具体应用。实践证明，该系统为井下的生产调度、应急救援、安全监控提供了有力保障。
关键词：矿井；无线通信；工业以太网
我国是一个煤矿安全事故频发的国家，统计显示，我国平均每周发生一起矿难，每百万吨的煤炭生产就要死亡4人，位列全世界煤矿安全事故和死亡率之首。长期以来，我国煤炭安全生产技术特别落后，尤其是矿井通讯系统，几乎为零，这成为煤矿安全生产的重大隐患！近几年煤炭企业事故频发，给国家经济发展和人民生命安全带来巨大的损失，虽然政府和企业共同努力，将煤矿安全生产的信息化工作提上空前的高度，但煤矿行业的通信系统在经过多年建设和发展之后，仍不成熟。鉴于此，本文特提出一种比较成熟的矿井无线通信系统——WIFI矿用无线通信系统，并将之应用于矿井生产中，收到了良好的效果。该系统能够解决矿井无线通信、人员定位及数据传输等问题，为矿井的安全生产提供了有力保障。
千秋煤矿隶属义煤集团公司，于1955年建井，1958年投产，设计能力为60万吨/年，1976年进行环节改造，2007年核定能力为210万吨/年。至今已开采五十五个年头，但作为一个有着悠久历史的矿井，千秋矿的井下通讯系统却并不发达，成为制约该矿安全生产的重大隐患，鉴于此，本文特提出一种比较成熟的矿井无线通信系统——WIFI矿用无线通信系统，并将之应用于千秋煤矿矿井生产中，收到了良好的效果。该系统能够解决矿井无线通信及数据传输等问题，为矿井的安全生产提供了有力保障。
1系统技术特点
WIFI从开始推出之初就定位为非移动的无线宽带数据通信，主要应用于WLAN无线本地局域网市场，即我们通常所用的无线网卡和无线网桥，本身不支持无线语音业务和移动数据传输，只是近些年为了抢占国际数字无绳电话市场，才推出了WIFI手机和相应的家庭无线子机对讲标准，是针对传统模拟无绳电话的技术升级，缺少手机与基站之间的严格同步切换机制和空口协议保证，不具备大规模移动通信组网的理论基础和技术能力！但作为一种无线通信技术，它有着自身的特点：
1.1基于统一标准的工业以太网结构，实现井下大范围无线信号无缝覆盖
系统采用工业以太网络和WIFI技术相结合，全数字化、网络化，这也是通信技术发展的趋势。系统可与矿井信息化建设（如远程控制、集中调度、安全检测、视频监控、人员定位）共用千兆环网交换机和主干光缆，减少了施工量，节约资金；在没有安装环网的煤矿，可以为远程控制、集中调度、视频监控等提供接口和通信线路。本系统矿用本安型通信分站在内部通信模块方面采用了特有的专利技术，并随机配备了高性能全向天线，使得矿用本安型通信分站和矿用本安型手机在井下环境的通信距离达到最佳匹配，最大限度地提高信号覆盖率，使用户用较低的成本实现了最大范围的无线信号无缝覆盖。基于无缝覆盖的无线信号，本通信系统手机在分站之间的能快速平滑的漫游，即使手机在移动的情况下也能保证正常通信。基于无缝覆盖的无线信号，本通信系统手机在分站之间的能快速平滑的漫游，即使手机在移动的情况下也能保证正常通信。
1.2系统的容量大，兼容性好，经济适用
根据千秋矿的实际生产情况，本系统容量达到2000部手机，200台分站，可同时支持井下超过100个电话呼叫通话；一个分站下，可实现20部手机同时通话。系统采用了模块化开发，有很强的兼容性和扩展性，支持与模拟程控交换机、PBX集团电话或公网电话之间的互通互联。在监控调度中心形成一个集成统一的现场调度指挥通信平台。系统满足矿山现在和未来一个时期内的大部分通信需求，一套系统既可以取代目前大部分单一功能的系统或者与之形成备份系统，使矿山安全生产通信设施综合成本和全寿命周期费用大大降低。也可以灵活配置，与现有系统共存和联网运行，从而极大地降低了运营维护成本。井下系统设备只有分站和相应终端，在每个方向是只引出一跟光缆，方便维护。井下光缆少，并且不需要交换机和中继器等设备，节约了大量资金的同时也减少了安全隐患，保证了系统的高可靠性。
1.3应急救援和远程访问
系统可实现紧急情况下的应急救援支持能力。综合分站是本安型，可在井下任何地点、任何情况下保持工作。配套的隔爆兼本安电源（KDW16A）具有在断电情况下支持分站工作2小时的能力。在事故特殊情况下，网络不能正常工作，各用户终端（手机）可独立组成MESH网，实现点到点通信和接力通信，确保信息畅通，救援工作順利展开。所以，本系统及终端可以在紧急状态下持续提供覆盖区域的通信和定位能力，为应急救援提供通信保障。系统提供管理人员或其他授权用户通过企业内部网或互联网访问本系统数据库的能力。管理人员可在办公室（不必是调度室）或异地直接查看井下通讯情况，甚至可以从外地直接打电话到井下。
2系统组成
系统由井下网络通信平台、地面核心网络通信平台和用户终端设备三部分组成。井下网络通信平台由井下骨干传输网络/链路和井下无线覆盖网络构成，地面核心网络通信平台可以连接办公自动化网络、长途专用光纤通信线路、互联网或公众电信网等。
地面核心网络通信平台部分包括一个一体化大屏幕电话调度机（含语音主控设备、SIP软交换设备、中继设备、数字录音系统、触摸屏调度台、配电单元和机柜）、光网络交换机、系统服务器、短信服务器、定位服务器、室外基站、室内基站及UPS电源、避雷器等；井下网络通信平台部分由KJ399-F矿用本安型井下通信分站、KDW16A防爆本安型不间断电源箱和矿用光缆组成；用户终端设备由KTW134 -S矿用本安型手机及KJ399-K矿用本安型标识卡组成。
井下传输采用基于100兆速率的光纤以太工业环网，无线覆盖网络采用无线局域网（WiFi）标准。整个系统建立在以TCP/IP协议以包交换为主的基础之上。
系统应用原理图如下： 3系统主要技术指标
3.1系统容量：200台井下分站、2000部手机（根据千秋矿的具体需要，均可扩展）
通信协议；工业以太网
无线频段：2.4GHz
无线传输协议：802.11b/g；
误码率：不大于10-9。
3.2KJ399-F矿用本安型分站
KJ399-F矿用本安型分站具有通信分站（分站）和网络交换机的双重功能，防爆标志为ExibI。本产品为直流供电，可汇集到井下以太网的无线数据传输、转接和路由设备。设备具有宽带通信功能，包括3个光信号接口和一个无线接口（可扩展另一个无线数据接口）。
3.3 KTW134 -S矿用本安型手机
KTW134 -S矿用本安型手机是专门为煤矿井下通信系统使用而设计的无线通话终端设备。本产品采用锂聚合物电池，手机轻巧，携带方便。
主要技术指标
工作电压：DC 3.7V；
手机最大工作电流：≤400mA；
手机待机电流≤100mA ；
防護等级：IP54；
工作频段： 2.4GHz；
通信协议：无线以太网
接收灵敏度：≤-75dBm；
无线通信距离：500米；
振铃响度：大于70dB；
4系统应用
本无线通信系统基于统一标准的工业以太网结构，以网络交换机和光纤组成的有线网络为骨干，以无线网络为延伸，通过无线局域网络覆盖井下巷道，从而实现生产调度管理及信息交流等功能。并为实现位置监测与管理、数字化视频监控以及各种井下传感器数据的统一采集与综合处理，提供了一个共用的平台，为实现语音、视频、数据的三网合一，为生产调度、应急救援、安全监控与督察提供了良好的应用基础，收到了良好效果。
5存在问题及发展前景
尽管WIFI技术已经取得了较大的应用效果，但还不成熟，还存在着不少缺陷，仍需进一步改进。比如：它只有对数据压缩传输的算法，没有语音压缩算法，通话质量失真；同时，手机只能在本基站下通讯，跨基站移动通话会导致掉线；另一方面，空口无线业务信道带宽不稳定，不能保证每部手机的正常通话；只适合对同步要求不高的异步数据传送，不具备对实时性要求极高的移动语音通讯实现严格同步机制； DSSS短码直序扩频的通信体制不适合采用井下定向天线辐射，对手机通信距离影响较大。因此，该技术作为矿井无线通信与生产调度应用，还不成熟，其市场寿命也不会长久！但由于WIFI具有宽带数据接入和以太网传输的强大功能，所以，把它作为煤矿综合自动化监控数据传输、光纤环网对接和多网合一的网关设备应用，就目前来说，应当是煤矿最好的宽带数据通讯解决方案。
参考文献：
[1]胡穗延，煤矿自动化和通信技术现状与发展趋势[J].煤炭科学技术，2007年8期.
[2]王凯敏.基于CDMA技术的矿井无线通信系统的设计与应用[J].工矿自动化，2008年4期.
[3]景兴鹏，王伟峰.矿井安全无线监控系统的研究[J].煤炭工程，2010年2期.
[4]郭枳彤，卢建军.煤矿井下有限空间无线信道特性研究[J].煤炭技术，2010年1期.
[5]陈君兰，周孟然.基于ZigBee无线传感网络的矿井机车定位系统的研究[J].煤炭技术，2010年3期.
[6]唐印伟，张海洋，一种基于Zigbee的适用于煤矿井下无线传感的路由协议研究[J].煤矿机械，2010年3期.
[7] 姜红艳，孙艳军，薄煤层液压牵引采煤机无线遥控系统[J].煤矿机电，2009年6期.
作者简介：
李大锋（1980—）男，2008年7月毕业于厦门大学自动化专业，硕士研究生。研究方向：智能计算、机器学习和数据挖掘；目前在义煤公司千秋煤矿机电科从事矿井自动化工作。
关键词：矿井；无线通信；工业以太网
我国是一个煤矿安全事故频发的国家，统计显示，我国平均每周发生一起矿难，每百万吨的煤炭生产就要死亡4人，位列全世界煤矿安全事故和死亡率之首。长期以来，我国煤炭安全生产技术特别落后，尤其是矿井通讯系统，几乎为零，这成为煤矿安全生产的重大隐患！近几年煤炭企业事故频发，给国家经济发展和人民生命安全带来巨大的损失，虽然政府和企业共同努力，将煤矿安全生产的信息化工作提上空前的高度，但煤矿行业的通信系统在经过多年建设和发展之后，仍不成熟。鉴于此，本文特提出一种比较成熟的矿井无线通信系统——WIFI矿用无线通信系统，并将之应用于矿井生产中，收到了良好的效果。该系统能够解决矿井无线通信、人员定位及数据传输等问题，为矿井的安全生产提供了有力保障。
千秋煤矿隶属义煤集团公司，于1955年建井，1958年投产，设计能力为60万吨/年，1976年进行环节改造，2007年核定能力为210万吨/年。至今已开采五十五个年头，但作为一个有着悠久历史的矿井，千秋矿的井下通讯系统却并不发达，成为制约该矿安全生产的重大隐患，鉴于此，本文特提出一种比较成熟的矿井无线通信系统——WIFI矿用无线通信系统，并将之应用于千秋煤矿矿井生产中，收到了良好的效果。该系统能够解决矿井无线通信及数据传输等问题，为矿井的安全生产提供了有力保障。
1系统技术特点
WIFI从开始推出之初就定位为非移动的无线宽带数据通信，主要应用于WLAN无线本地局域网市场，即我们通常所用的无线网卡和无线网桥，本身不支持无线语音业务和移动数据传输，只是近些年为了抢占国际数字无绳电话市场，才推出了WIFI手机和相应的家庭无线子机对讲标准，是针对传统模拟无绳电话的技术升级，缺少手机与基站之间的严格同步切换机制和空口协议保证，不具备大规模移动通信组网的理论基础和技术能力！但作为一种无线通信技术，它有着自身的特点：
1.1基于统一标准的工业以太网结构，实现井下大范围无线信号无缝覆盖
系统采用工业以太网络和WIFI技术相结合，全数字化、网络化，这也是通信技术发展的趋势。系统可与矿井信息化建设（如远程控制、集中调度、安全检测、视频监控、人员定位）共用千兆环网交换机和主干光缆，减少了施工量，节约资金；在没有安装环网的煤矿，可以为远程控制、集中调度、视频监控等提供接口和通信线路。本系统矿用本安型通信分站在内部通信模块方面采用了特有的专利技术，并随机配备了高性能全向天线，使得矿用本安型通信分站和矿用本安型手机在井下环境的通信距离达到最佳匹配，最大限度地提高信号覆盖率，使用户用较低的成本实现了最大范围的无线信号无缝覆盖。基于无缝覆盖的无线信号，本通信系统手机在分站之间的能快速平滑的漫游，即使手机在移动的情况下也能保证正常通信。基于无缝覆盖的无线信号，本通信系统手机在分站之间的能快速平滑的漫游，即使手机在移动的情况下也能保证正常通信。
1.2系统的容量大，兼容性好，经济适用
根据千秋矿的实际生产情况，本系统容量达到2000部手机，200台分站，可同时支持井下超过100个电话呼叫通话；一个分站下，可实现20部手机同时通话。系统采用了模块化开发，有很强的兼容性和扩展性，支持与模拟程控交换机、PBX集团电话或公网电话之间的互通互联。在监控调度中心形成一个集成统一的现场调度指挥通信平台。系统满足矿山现在和未来一个时期内的大部分通信需求，一套系统既可以取代目前大部分单一功能的系统或者与之形成备份系统，使矿山安全生产通信设施综合成本和全寿命周期费用大大降低。也可以灵活配置，与现有系统共存和联网运行，从而极大地降低了运营维护成本。井下系统设备只有分站和相应终端，在每个方向是只引出一跟光缆，方便维护。井下光缆少，并且不需要交换机和中继器等设备，节约了大量资金的同时也减少了安全隐患，保证了系统的高可靠性。
1.3应急救援和远程访问
系统可实现紧急情况下的应急救援支持能力。综合分站是本安型，可在井下任何地点、任何情况下保持工作。配套的隔爆兼本安电源（KDW16A）具有在断电情况下支持分站工作2小时的能力。在事故特殊情况下，网络不能正常工作，各用户终端（手机）可独立组成MESH网，实现点到点通信和接力通信，确保信息畅通，救援工作順利展开。所以，本系统及终端可以在紧急状态下持续提供覆盖区域的通信和定位能力，为应急救援提供通信保障。系统提供管理人员或其他授权用户通过企业内部网或互联网访问本系统数据库的能力。管理人员可在办公室（不必是调度室）或异地直接查看井下通讯情况，甚至可以从外地直接打电话到井下。
2系统组成
系统由井下网络通信平台、地面核心网络通信平台和用户终端设备三部分组成。井下网络通信平台由井下骨干传输网络/链路和井下无线覆盖网络构成，地面核心网络通信平台可以连接办公自动化网络、长途专用光纤通信线路、互联网或公众电信网等。
地面核心网络通信平台部分包括一个一体化大屏幕电话调度机（含语音主控设备、SIP软交换设备、中继设备、数字录音系统、触摸屏调度台、配电单元和机柜）、光网络交换机、系统服务器、短信服务器、定位服务器、室外基站、室内基站及UPS电源、避雷器等；井下网络通信平台部分由KJ399-F矿用本安型井下通信分站、KDW16A防爆本安型不间断电源箱和矿用光缆组成；用户终端设备由KTW134 -S矿用本安型手机及KJ399-K矿用本安型标识卡组成。
井下传输采用基于100兆速率的光纤以太工业环网，无线覆盖网络采用无线局域网（WiFi）标准。整个系统建立在以TCP/IP协议以包交换为主的基础之上。
系统应用原理图如下： 3系统主要技术指标
3.1系统容量：200台井下分站、2000部手机（根据千秋矿的具体需要，均可扩展）
通信协议；工业以太网
无线频段：2.4GHz
无线传输协议：802.11b/g；
误码率：不大于10-9。
3.2KJ399-F矿用本安型分站
KJ399-F矿用本安型分站具有通信分站（分站）和网络交换机的双重功能，防爆标志为ExibI。本产品为直流供电，可汇集到井下以太网的无线数据传输、转接和路由设备。设备具有宽带通信功能，包括3个光信号接口和一个无线接口（可扩展另一个无线数据接口）。
3.3 KTW134 -S矿用本安型手机
KTW134 -S矿用本安型手机是专门为煤矿井下通信系统使用而设计的无线通话终端设备。本产品采用锂聚合物电池，手机轻巧，携带方便。
主要技术指标
工作电压：DC 3.7V；
手机最大工作电流：≤400mA；
手机待机电流≤100mA ；
防護等级：IP54；
工作频段： 2.4GHz；
通信协议：无线以太网
接收灵敏度：≤-75dBm；
无线通信距离：500米；
振铃响度：大于70dB；
4系统应用
本无线通信系统基于统一标准的工业以太网结构，以网络交换机和光纤组成的有线网络为骨干，以无线网络为延伸，通过无线局域网络覆盖井下巷道，从而实现生产调度管理及信息交流等功能。并为实现位置监测与管理、数字化视频监控以及各种井下传感器数据的统一采集与综合处理，提供了一个共用的平台，为实现语音、视频、数据的三网合一，为生产调度、应急救援、安全监控与督察提供了良好的应用基础，收到了良好效果。
5存在问题及发展前景
尽管WIFI技术已经取得了较大的应用效果，但还不成熟，还存在着不少缺陷，仍需进一步改进。比如：它只有对数据压缩传输的算法，没有语音压缩算法，通话质量失真；同时，手机只能在本基站下通讯，跨基站移动通话会导致掉线；另一方面，空口无线业务信道带宽不稳定，不能保证每部手机的正常通话；只适合对同步要求不高的异步数据传送，不具备对实时性要求极高的移动语音通讯实现严格同步机制； DSSS短码直序扩频的通信体制不适合采用井下定向天线辐射，对手机通信距离影响较大。因此，该技术作为矿井无线通信与生产调度应用，还不成熟，其市场寿命也不会长久！但由于WIFI具有宽带数据接入和以太网传输的强大功能，所以，把它作为煤矿综合自动化监控数据传输、光纤环网对接和多网合一的网关设备应用，就目前来说，应当是煤矿最好的宽带数据通讯解决方案。
参考文献：
[1]胡穗延，煤矿自动化和通信技术现状与发展趋势[J].煤炭科学技术，2007年8期.
[2]王凯敏.基于CDMA技术的矿井无线通信系统的设计与应用[J].工矿自动化，2008年4期.
[3]景兴鹏，王伟峰.矿井安全无线监控系统的研究[J].煤炭工程，2010年2期.
[4]郭枳彤，卢建军.煤矿井下有限空间无线信道特性研究[J].煤炭技术，2010年1期.
[5]陈君兰，周孟然.基于ZigBee无线传感网络的矿井机车定位系统的研究[J].煤炭技术，2010年3期.
[6]唐印伟，张海洋，一种基于Zigbee的适用于煤矿井下无线传感的路由协议研究[J].煤矿机械，2010年3期.
[7] 姜红艳，孙艳军，薄煤层液压牵引采煤机无线遥控系统[J].煤矿机电，2009年6期.
作者简介：
李大锋（1980—）男，2008年7月毕业于厦门大学自动化专业，硕士研究生。研究方向：智能计算、机器学习和数据挖掘；目前在义煤公司千秋煤矿机电科从事矿井自动化工作。