基于Wi-Fi技术的嵌入式矿井安全监测终端设计

　　近年来，我国煤矿事故时有发生，井下安全生产状况令人担忧，特别是瓦斯、水害重特大事故居高不下，普遍存在的问、题是煤矿井上管理人员不能及时与井下人员通信以了解井下人员的位置及作业情况。因此如何快速、准确地进行煤矿安全生产监测，实现产业管理的科学化、信息化成为亟待攻克的关键问题。随着通信技术的发展以及无线网络技术的成熟运用，应对国家对煤炭产业安全化、信息化的要求，无线通信技术开始在矿井中得到运用。

　　1 井下无线通信技术

　　将Wi-Fi技术运用在矿井视为无线通信技术的重大突破，Wi-Fi能够满足构建井下网络的带宽需要。Wi-Fi技术在地面的短距离无线通信中已有多年的应用，相对其他无线宽带技术来说比较成熟可靠。目前Wi-Fi主要采用成熟的IEEE 802.11b标准，使用2.4 GHz直接序列扩频(DSSS)技术。

　　基于Wi-Fi的井下通信受到很多方面的制约，比如电磁波衰落，噪声以及多径效应的影响等，这些不利因素使得矿井成为了一个复杂、多变、特殊的信号传播区域，因此井下环境对于无线通信的鲁棒性来说是一个重大挑战。但利用Wi-Fi技术，可以将成熟的地面短距离无线通信运用到井下实现其价值增值，对比传统的无线通信技术，采用Wi-Fi技术价格相对低廉，更能满足井下的低功耗设计需要和安全要求。

　　本文通过分析井下无线网络信号强度，信号质量以及天线方向对无线网络的影响，研究并开发了基于Wi-Fi技术的井下无线网络安全监测终端，实现了视频数据和站点重要数据信息的无线传输，为矿井安全生产提供了重要的保障。

　　2 系统测试原理

　　2.1 系统组成

　　如图1所示，监控系统主要由底层信息采集单元、终端、井下无线局域网和地面监控中心四部分组成。最底层信号采集单元，负责采集监测点的瓦斯浓度、氧气浓度和湿温度等数据，并完成与井下控制终端的通信，将所检测到的数据通过RS 485总线发送到现场终端控制单元。井下控制终端，是整个系统的核心控制部分，它的主要功能如下：一是将底层信号采集单元上传的数据通过网络服务的形式进行实时发布，发布的信息可以被第三层的客户端主机接收;二是根据现场所安装的底层信号采集单元的数目，设置检测点的工作方式，如检测点的检测时间间隔、数据异常的报警限设置、底层信号采集单元数目设置等，终端主要采用嵌入式技术，各终端通过Wi-Fi无线局域网互联、互通，信息共享。井下无线局域网通过无线接入点AP采用2.4 GHz支持的802.11a/b/g模式，及时采集临近终端的信息，传输到地面的监控中心，对井下Wi-Fi设备进行控制管理。WLAN有两种工作模式：Ad Hoc和Infrastructure模式，系统采用Infrastructure模式，每一个客户将其通信报文发向AP，AP转发所有的通信报文，这些报文发往整个无线网络。无线访问节点负责频段管理及漫游等功能。地面的监控管理中心主要工作就是接收终端发送的数据，并对数据进行处理，建立数据库，以备统计和查验等。远程监控终端为普通的PC机，用户在客户端主机上通过Web浏览器远程访问嵌入式Web服务器的主页，对瓦斯浓度等数据进行实时监测。