关键词：
通信分站
BCM6818
嵌入式系统
光以太网
Wi-Fi
ZigBee
摘要：
我国是世界上煤炭消费量和生产量最大的国家。近几年,国内煤炭供应紧张,各个煤矿企业的整合度越来越高,企业的生产负荷越来越重。煤矿安全生产各环节的问题也开始逐渐显现出来。在开采的过程中,如何对井下人员的位置、井下煤车的位置和运输量等数据做到实时监控?事故发生后,如何准确判定井下受困人员的具体位置、规划遇险人员撤退路线、以及准确地制定救援方案?这些都是当前煤矿企业非常迫切需要解决的问题。和以上迫切的需求形成鲜明对比的是,由于国内矿井大多建成年数较长,信息化建设相对落后,导致井上与井下人员的实时定位、语音通讯无法进行;矿井上的综合性信息管理系统,以及相应的应急指挥通信功能,建设的都比较薄弱。一旦发生矿难,或是有一些难以预料的突发状况,井上的指挥控制通信中心将会缺乏精准的定位信息,无法掌握井下全部人员的具体情况,也不能与井下人员进行充分可靠的实时语音沟通,非常不利于第一时间确认井下人员的生命财产情况,并给后续的抢险救灾工作带来巨大的阻碍[1]。即使一些较新的或规模较大煤矿,他们所采用的井下常规通信系统,通常也都只有一些比较简单的功能,并且系统功能集成较低,并没有做到平台化、体系化、智能化。目前比较广泛认可的观点是,矿上自动化需要实现一些基本的功能需求,比如人员可以自动定位、井上通信系统可以与井下工作人员进行实时的通话沟通,保证相关视频、音频等监控数据需要能实现可靠传输。但实际上现有的煤矿通信系统,并不能同时全部满足以上的功能需求。如果多次重复建设不同通信功能系统,相关网络布线、工程施工的成本将会非常大,并且不同平台、厂家之间还有可能涉及到通信私有协议的问题,无法做到互联互通,给现场操作人员带来不便的同时,也会影响危机发生时的救援效果。因此,设计一套高集成度系统,以低廉的成本实现建设“信息化智能化矿山”,从而最大限度地改进目前煤矿行业内落后且非智能的监测通信系统平台,更好地保障井下作业人员、提升井下工作的安全可靠性、减少突发灾害对煤矿从业者以及煤矿企业人身财产安全的影响,已经成为当前煤矿企业以及相关监督部门最关心的问题[2]。本课题研究一种为矿山量身定制的以工业光以太网为骨干网,基于嵌入式系统,包含Wi-Fi、ZigBee等无线通信技术的“一站式”、“全业务”综合业务通信的硬件设计。实现了其它解决方案往往需要部署多套网络系统才能够完成的集有线/无线通讯、人员定位、井下广播于一体的综合业务通信系统。整个系统通过的100M/1000M光以太网将各个综合通信分站相连接。通信分站采用知名半导体公司Broadcom的BCM6818为主控芯片,功能强大。首先,集成了6路GE MAC,其中一路SERDES接口可以连接光模块,另外3路外接GE PHY芯片BCM54616SE,可扩展GE光口,可以支持多路井下光纤环网应用;其次,外接REAKTEK公司的语音编解码（CODEC）芯片ALC5621,实现与井下的语音播报和通话功能;然后,外接Broadcom的BCM43217 Wi-Fi芯片可以接入其所在区域内的Wi-Fi手机,用于井下人员的实时通话;最后,扩展基于NXP的JN5168芯片的ZigBee模组,配合同样方案的人员标识卡,可以实现井下定位、紧急报警等功能。除了实现以上功能外,在硬件设计的过程还充分考虑了井下工作环境复杂,安全要求高等条件。使用全光纤有线组网,尽可能减少大电感,大电容等储能器件的使用,还增加了缓启动电路、和过压保护电路等防护措施,使通信系统符合井下本质安全型的要求,保证在井下使用的绝对安全。本文研制的综合业务通信系统可极大程度地缩减煤矿井下架设和安装通信网络布线、定位基站监控等设备的工作量,并为后期系统的运维、以及调整维护打下了良好的基础,真正实现了矿山的“一网一站”。
