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摘要:WiFi 是当前流行的一种无线局域网技术，具有组网方便、易于扩展等特点。通过对WiFi 技术的研究，本文提出了一种基于WiFi 的矿井通信系统。该系统采用infrastructure 模式组网，可实现语音通话、视频检测和多参数检测功能，适合井下应急救援指挥需要。
关键词：WiFi；无线局域网；矿井通信
中图分类号：O741+.2 文献标识码：A 文章编号：
0 引言
煤炭生产作为我国能源生产的一个支柱产业，在国民经济中占有十分重要的地位。近年来，我国煤炭企业重特大安全生产事故时有发生，给国家和人民带来巨大的损失。煤矿事故发生后，为了保证安全，不发生二次事故，井下电力供应完全切断，井下已有的各种通讯设备无法开启。目前，由于我国矿井救援设备比较落后，救援技术发展比较缓慢，致使救援指挥通信不畅，在一定程度上影响了救援任务的指挥决策。在矿井救援工作中，指挥调度状况在很大程度上决定着救援效果，许多事故发生后出现救援工作开展不及时或进展不顺利的现象，错过了最佳救灾时机。
所以，为了确保救援人员的人身安全，让救援基地与灾区的救援人员保持实时语音通讯，把灾区的视频信息和环境参数及时传回救援基地，需要快速建立一套应急通信链路来进行井下情况的监测。近年来由于无线通信技术的发展和煤矿信息化的要求，以WiFi为代表的SDR ( Short Distance Radio，短距离无线通信) 技术由于具备网络铺设简单、发射功率低、低功耗、续航能力强、易实现煤矿本质安全电路设计等特点，开始在煤矿行业中得到应用。本文根据矿井救援工作的实际需要，设计了一种基于WiFi 无线技术的矿井救灾无线通信系统。
1 WiFi 技术介绍
目前，无线接入技术主要包括I EEE 的802.11、802.15、802. 16 和802. 20 标准，分别为无线局域网WLAN、无线个域网WPAN、蓝牙、无线城域网WMAN等。其中基于802.11 协议的无线局域网接入技术又被称为无线保真技术WiFi ( Wireless Fidelity) 。
WiFi 是由AP( Access Point ) 和无线网卡组成的无线网络。AP 一般称为网络桥接器或接入点，它是当作传统的有线局域网络与无线局域网络之间的桥梁，因此任何一台装有无线网卡的PC均可透过AP 去分享有线局域网络甚至广域网络的资源。I EEE 802.11 协议规定了WiFi 的基本网络结构包括物理层、介质访问接入控制层（MAC层）及逻辑链路控制层（LLC层）。物理层定义了工作在2. 4 GHz 的ISM频段上的2 种无线调频方式和1 种红外传输方式。
I EEE802.11 标准定义了两种基本操作模式：Infrastructure 模式和Ad hoc 自组网络模式。
（1）Ad hoc 自组网络模式
由一组客户终端组成，该模式不需要任何基础设施（如接入点AP 或到分布系统的连接）的支持就可以实现其覆盖范围内的站点之间的通信。每个站点不需通过接入点AP 就可以与相同BSS 下的任何其他站点建立通信，如图一所示。
图一 Ad hoc 模式
（2）Infrastructure 模式
组成结构至少包括一个无线接入点AP 和多个无线的终端站点，这些终端站点可通过接入点AP 实现之间的相互通信。Infrastructure 模式也可以通过AP 与有线网络或因特网相连，如图二所示。
图二 Infrastructure 模式
2 矿井通信的组网模式
基于WiFi 的矿井通信救援系统包括：地面指挥调度中心、井下救援基地和灾变现场救护队。井下无线通信由井下救援基地、无线传输链路部分及运输小车等几部分组成。
如图三所示，地面指挥调度中心和井下救援基地之间采用有线连接方式传输数据。应急救援开始后，地面救援指挥调度中心完成相关救援预案论证，确定救援方案，进行有线电缆的快速铺设和相关设备的快速架设，迅速建立起井下救援基地与地面救援指挥调度中心的信息联系，完成井下救援基地平台的搭建。井下救援基地和WiFi 射频模块之间采用无线连接方式。为了保证人員安全，在靠近灾变现场的情况不明区域，通过自动布放装置快速建立无线通信信道，并采用基于WiFi 技术的无线接力方式实现通信信道向灾变现场的逐渐延伸，直至到达救援灾变现场，快速建立起采用有线加无线射频的混合组网煤矿应急救援信息传输通道。
由于WiFi 技术的自组网功能，当2 个节点通信距离超过其通信范围后，新投放的节点会自动加入WiFi 网络成为中间路由节点，使通信链路长度延伸，保证通信的正常进行。其余节点依次进行投放。链路建立过程中，采集前端同时也送回救援前端的各种环境参数，救援人员和救援指挥调度中心分析和处理各种采集到的环境参数后，作出进一步的救援工作安排。安全可靠时，救援人员可以直接进入已探测到的区域，然后作进一步的深入探测或救援。否则，进行必要的排险工作，排除险情，为下一步救援工作做准备。同时，救援人员随身装配的数据设备，依靠已经搭建的WiFi 网络，可完成救援人员之间或使救援人员与地面指挥调度中心之间的语音联系和救援人员定位功能。
图三 井下救援无线通信系统
3 WiFi 在矿井应用的主要优势
WiFi 就是基于802.11 标准建立的，它具有部署方便、成本低、传输速率高、抗干扰能力强、灵活性好等优点。
(1)无线电波的覆盖范围广
WiFi 的覆盖半径基本上能达到100 米左右，而普通的蓝牙技术基本上只能覆盖15 米左右的半径区域。
(2)价格低廉
WiFi 网络的建设成本相对于传统的局域网布线成本要低，WiFi 网络只需安装一定数量的无线网络节点（AccessPoint）就可以满足指定区域信号的覆盖，可以避免固定局域网繁琐的布线工程。
(3)传输速率快，网络可靠性高
WiFi 最高带宽为11Mbps，在信号较弱或有干扰的情况下，带宽可调整为5.5 或2.1Mbps，带宽的调整有效地保障了网络的稳定性和可靠性。
4 结束语
WiFi无线传输技术是当前信息领域的研究热点，基于WiFi 技术的开发应用层出不穷。这种基于WiFi 无线技术的矿用救灾无线通信系统可以有效地将井下数据信息传递到地面调度中心。凭借WiFi技术的无线节点可以移动、组网快速简单、成本低、网络易维护等特点，该系统在矿井应急救灾中有着很大的推广应用价值。
参考文献
[1]周伟，孙弋。 煤矿井下应急救援无线通信系统研究[D]。西安:西安科技大学，2007。
[2] 王娜。 基于WiFi 的无线远程视频监控系统[J]。安防科技，2010，（1）:16-18。
[3]邱国良。浅谈WiFi 技术的发展和应用[J]。黑龙江科技信息，2009，（10）：65。
[4]孙仁锋，桂鹏，王春光。 基于WiFi 的井下通讯系统在矿山企业中的应用[J]。矿山机械，2009，（6）:70-71。
作者介绍
陈超，男，义马煤业集团孟津煤矿有限责任公司机电科，学士，毕业于河南理工大学电气工程及其自动化专业。
关键词：WiFi；无线局域网；矿井通信
中图分类号：O741+.2 文献标识码：A 文章编号：
0 引言
煤炭生产作为我国能源生产的一个支柱产业，在国民经济中占有十分重要的地位。近年来，我国煤炭企业重特大安全生产事故时有发生，给国家和人民带来巨大的损失。煤矿事故发生后，为了保证安全，不发生二次事故，井下电力供应完全切断，井下已有的各种通讯设备无法开启。目前，由于我国矿井救援设备比较落后，救援技术发展比较缓慢，致使救援指挥通信不畅，在一定程度上影响了救援任务的指挥决策。在矿井救援工作中，指挥调度状况在很大程度上决定着救援效果，许多事故发生后出现救援工作开展不及时或进展不顺利的现象，错过了最佳救灾时机。
所以，为了确保救援人员的人身安全，让救援基地与灾区的救援人员保持实时语音通讯，把灾区的视频信息和环境参数及时传回救援基地，需要快速建立一套应急通信链路来进行井下情况的监测。近年来由于无线通信技术的发展和煤矿信息化的要求，以WiFi为代表的SDR ( Short Distance Radio，短距离无线通信) 技术由于具备网络铺设简单、发射功率低、低功耗、续航能力强、易实现煤矿本质安全电路设计等特点，开始在煤矿行业中得到应用。本文根据矿井救援工作的实际需要，设计了一种基于WiFi 无线技术的矿井救灾无线通信系统。
1 WiFi 技术介绍
目前，无线接入技术主要包括I EEE 的802.11、802.15、802. 16 和802. 20 标准，分别为无线局域网WLAN、无线个域网WPAN、蓝牙、无线城域网WMAN等。其中基于802.11 协议的无线局域网接入技术又被称为无线保真技术WiFi ( Wireless Fidelity) 。
WiFi 是由AP( Access Point ) 和无线网卡组成的无线网络。AP 一般称为网络桥接器或接入点，它是当作传统的有线局域网络与无线局域网络之间的桥梁，因此任何一台装有无线网卡的PC均可透过AP 去分享有线局域网络甚至广域网络的资源。I EEE 802.11 协议规定了WiFi 的基本网络结构包括物理层、介质访问接入控制层（MAC层）及逻辑链路控制层（LLC层）。物理层定义了工作在2. 4 GHz 的ISM频段上的2 种无线调频方式和1 种红外传输方式。
I EEE802.11 标准定义了两种基本操作模式：Infrastructure 模式和Ad hoc 自组网络模式。
（1）Ad hoc 自组网络模式
由一组客户终端组成，该模式不需要任何基础设施（如接入点AP 或到分布系统的连接）的支持就可以实现其覆盖范围内的站点之间的通信。每个站点不需通过接入点AP 就可以与相同BSS 下的任何其他站点建立通信，如图一所示。
图一 Ad hoc 模式
（2）Infrastructure 模式
组成结构至少包括一个无线接入点AP 和多个无线的终端站点，这些终端站点可通过接入点AP 实现之间的相互通信。Infrastructure 模式也可以通过AP 与有线网络或因特网相连，如图二所示。
图二 Infrastructure 模式
2 矿井通信的组网模式
基于WiFi 的矿井通信救援系统包括：地面指挥调度中心、井下救援基地和灾变现场救护队。井下无线通信由井下救援基地、无线传输链路部分及运输小车等几部分组成。
如图三所示，地面指挥调度中心和井下救援基地之间采用有线连接方式传输数据。应急救援开始后，地面救援指挥调度中心完成相关救援预案论证，确定救援方案，进行有线电缆的快速铺设和相关设备的快速架设，迅速建立起井下救援基地与地面救援指挥调度中心的信息联系，完成井下救援基地平台的搭建。井下救援基地和WiFi 射频模块之间采用无线连接方式。为了保证人員安全，在靠近灾变现场的情况不明区域，通过自动布放装置快速建立无线通信信道，并采用基于WiFi 技术的无线接力方式实现通信信道向灾变现场的逐渐延伸，直至到达救援灾变现场，快速建立起采用有线加无线射频的混合组网煤矿应急救援信息传输通道。
由于WiFi 技术的自组网功能，当2 个节点通信距离超过其通信范围后，新投放的节点会自动加入WiFi 网络成为中间路由节点，使通信链路长度延伸，保证通信的正常进行。其余节点依次进行投放。链路建立过程中，采集前端同时也送回救援前端的各种环境参数，救援人员和救援指挥调度中心分析和处理各种采集到的环境参数后，作出进一步的救援工作安排。安全可靠时，救援人员可以直接进入已探测到的区域，然后作进一步的深入探测或救援。否则，进行必要的排险工作，排除险情，为下一步救援工作做准备。同时，救援人员随身装配的数据设备，依靠已经搭建的WiFi 网络，可完成救援人员之间或使救援人员与地面指挥调度中心之间的语音联系和救援人员定位功能。
图三 井下救援无线通信系统
3 WiFi 在矿井应用的主要优势
WiFi 就是基于802.11 标准建立的，它具有部署方便、成本低、传输速率高、抗干扰能力强、灵活性好等优点。
(1)无线电波的覆盖范围广
WiFi 的覆盖半径基本上能达到100 米左右，而普通的蓝牙技术基本上只能覆盖15 米左右的半径区域。
(2)价格低廉
WiFi 网络的建设成本相对于传统的局域网布线成本要低，WiFi 网络只需安装一定数量的无线网络节点（AccessPoint）就可以满足指定区域信号的覆盖，可以避免固定局域网繁琐的布线工程。
(3)传输速率快，网络可靠性高
WiFi 最高带宽为11Mbps，在信号较弱或有干扰的情况下，带宽可调整为5.5 或2.1Mbps，带宽的调整有效地保障了网络的稳定性和可靠性。
4 结束语
WiFi无线传输技术是当前信息领域的研究热点，基于WiFi 技术的开发应用层出不穷。这种基于WiFi 无线技术的矿用救灾无线通信系统可以有效地将井下数据信息传递到地面调度中心。凭借WiFi技术的无线节点可以移动、组网快速简单、成本低、网络易维护等特点，该系统在矿井应急救灾中有着很大的推广应用价值。
参考文献
[1]周伟，孙弋。 煤矿井下应急救援无线通信系统研究[D]。西安:西安科技大学，2007。
[2] 王娜。 基于WiFi 的无线远程视频监控系统[J]。安防科技，2010，（1）:16-18。
[3]邱国良。浅谈WiFi 技术的发展和应用[J]。黑龙江科技信息，2009，（10）：65。
[4]孙仁锋，桂鹏，王春光。 基于WiFi 的井下通讯系统在矿山企业中的应用[J]。矿山机械，2009，（6）:70-71。
作者介绍
陈超，男，义马煤业集团孟津煤矿有限责任公司机电科，学士，毕业于河南理工大学电气工程及其自动化专业。