无线语音数据通讯系统在云冈矿薄煤层工作面的应用

刘改叶

（大同煤矿集团有限责任公司同大科技研究院，山西 大同 037003）

薄煤层工作面空间狭窄，地质情况复杂，而且采高低，煤尘大，人员难以直立作业，因此安全隐患多，加之各种设备类型繁多，造成劳动强度大，维护难度大，安全状况差[1-3]。随着煤矿开采信息化与自动化程度的不断深入，工作面内多类型数据的通信需求越来越多，而且其重要性也越来越大。由于薄煤层工作面工况的特殊性，有线通信方式的缺点越来越突出，电缆损坏与断裂经常发生，影响了生产的安全性，增加了维护难度，因此在井下采用无线通信方式越来越受到重视[4-5]。针对薄煤层工作面开发一套不用布线、易于安装、低功耗智能化的无线语音数据通讯系统具有重要的现实意义与经济效益。

为了提高薄煤层工作面的生产安全系数，降低井下维护难度，推进综采自动化，大同煤矿集团针对薄煤层赋存地质条件和工况，基于本质安全型设计思路，综合运用低功耗技术、无线通信技术和自动化控制等技术，利用无线中继分站、无线数据耦合器和无线语音终端进行组网，实现了薄煤层综采工作面内的无线语音通讯，以及采煤机的无线数据传输与控制，为提升薄煤层工作面装备技术水平和安全系数开创了新的途径。

1 系统方案设计

1.1 系统结构

该无线语音数据通讯系统包含KTZ18W 无线中继分站、KHJ18W 无线数据耦合器和KTW5 无线语音终端等，系统结构如图1 所示。无线数据耦合器可以实现数据的无线转接与无线收发，无线中继分站实现远距离无线信号的中继传输，无线语音终端实现语音对讲和打点功能。所有设备均是无线互联，当其中某个或某几个无线中继分站有故障情况下，能够实现重新互联、自动组网。

图1 无线语音数据通讯系统结构图

1.2 无线数据耦合器

无线数据耦合器由数据处理与控制单元MCU、无线传输芯片、射频信号放大芯片、电源处理电路、通讯接口电路、看门狗电路与外置天线组成。MCU 采用32 位ARM 系列微控制器，工作频率≥100MHz；无线数据收发频率范围为300MHz～2.7GHz，输出功率大于等于100mW，接收灵敏度≤-90dBm，采用全双工通讯模式；电源管理部分采用9～36V 宽电压输入，实现对其余功能电路单元的供电；数据通信接口包括RS232、RS485 和开关量；无线传输芯片控制所有无线收发单元完成无线数据的收发切换、无线信号的调制解调，并与MCU 连接进行数据交互；射频信号放大单元实现无线信道上下行链路的信号放大、无线信号的发射和接收；外置天线形式采用全向天线。

1.3 无线中继分站

无线中继分站由数据处理与控制单元MCU、无线传输芯片、射频信号放大芯片、电源处理电路、看门狗电路与外置天线组成。MCU 采用32 位ARM 系列微控制器，工作频率≥100MHz；无线数据收发频率范围为300MHz～2.7GHz，输出功率大于等于100mW，接收灵敏度≤-120dBm，采用半双工/全双工通讯自动切换模式；电源管理部分采用9～36V 宽电压输入，实现对其余功能电路单元的供电；无线传输芯片控制所有无线收发单元完成无线数据的收发切换、无线信号的调制解调，并与MCU 连接进行数据交互；射频信号放大单元实现无线信道上下行链路的信号放大、无线信号的发射和接收；外置天线形式采用全向天线。

无线信号的远距离中继传输部分由多个无线中继分站组成，中继方式灵活，每个无线中继分站无需考虑安装顺序，中继接力方式包括两种：逐个中继方式和跳越式中继。逐个中继方式适用于无线中继器之间距离较远，系统对传输可靠性要求不高，但是需要超远距离无线传输的情况。跳跃式中继方式适用于无线中继器之间的距离较近，系统对传输的可靠性要求极高，而通信距离又不是很远的情况。这种方式通过设置较多的冗余链路，实现一个或多个中继分站出现故障时，系统仍然可以正常通信的功能。

1.4 无线语音终端

无线语音终端由数据处理与控制单元MCU、语音采集芯片、音频功率放大器、无线传输芯片、射频信号放大芯片、电源处理电路、看门狗电路与外置天线组成。MCU 采用32 位ARM 系列微控制器，工作频率≥100MHz；无线数据收发频率范围为300MHz～2.7GHz，输出功率大于等于100mW，接收灵敏度≤-100dBm，采用半双工/全双工自动切换通讯模式；电源管理部分采用电池实现对其余功能电路单元的供电；语音部分采用数字化采样与传输；无线传输芯片控制所有无线收发单元完成无线数据的收发切换、无线信号的调制解调，并与MCU 连接进行数据交互；射频信号放大单元实现无线信道上下行链路的信号放大、无线信号的发射和接收；外置天线形式采用全向天线。

2 工业性试验

该系统于2017 年6 月开始在云冈矿8411 薄煤层综采工作面进行项目调研和无线传输测试，于2018 年6 月开始安装试用。设备布置如图2 所示。工作面长度为100m，共安装支架70 架，6 台矿用无线中继分站均匀分布在工作面与顺槽中，每两台之间的间隔为15 个支架，设备安装在液压支架顶部，无线数据耦合器分别安装在采煤机内部和顺槽设备列车上，矿工每人配一台无线语音终端。试用期间，无线中继分站和无线数据耦合器信号传输稳定可靠，误码率≤10-6，语音对讲清晰无杂音，设备运行稳定，安装简单，容易维护。

图2 工作面设备布置图

3 结论

本文针对薄煤层工作面的特殊工况，从提高生产安全系数和工作效率出发，基于系统的本质安全设计思路，利用无线中继分站、无线数据耦合器与无线语音终端构建了成套的无线语音数据通讯系统，工作面内实现了无线信号的全面覆盖且无盲区，矿工利用无线语音终端实现了无线语音对讲与打点，采煤机实现了无线数据的传输与控制。使用结果表明，该系统的使用大大提升了薄煤层工作面的工作效率、装备技术水平和安全系数。