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[摘 要]本文通过对井下现有通信手段的分析，结合项目所在煤矿的情况，设计出了一套基于VoIP技术和RFID技术的实时通信和定位系统。该系统以光纤网为骨干网络，在井上井下调度室设置服务器，将VoIP、Wi-Fi、RFID等技术融为一体。嵌入式基站根据需求布置在巷道内，通过以太网交换机接入骨干网进而连接到调度室服务器。嵌入式基站内有Wi-Fi接入节点，RFID基站以及各类传感器接口。该系统主要具有三大功能：井上、井下间的实时语音通信功能，人员定位功能，实时采集数据功能。该系统目前已经在矿井下投入试运行，使用反馈良好。
[关键词]煤矿；通信系统；VoIP；Wi-Fi；RFID
中图分类号：TN791 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）38-0121-02
1 背景介绍
煤矿发生事故，若不能第一时间通知井下人员，提供井下实时状况并规划一条逃生路线，井下人员将难以及时逃生。同时，若井上人员无法确定井下人员位置及分布情况，则事故发生后搜救工作量大，并且在制定营救方案上也缺乏可依靠的信息，不能在第一时间将有限的人力物力投入到最需要营救的地方，从而错过最佳救援时机[1]。本文将建立一套适用于煤矿的实时通信系统，解决井上、井下信息不对称，不能及时共享沟通的问题。
2 煤矿井下通信系统现状
根据信号传输的方式，通信可以分为有线和无线两类。煤矿通信中，两种方式兼有。煤矿井下传统通信采用固定防爆电话，主要设立在人员较集中的区域（如井下调度室、集散点等），只能点对点通信，不具备移动性[1]。若遇紧急情况，无法及时进行信息传递。
煤矿井下常用的无线通信系统较多，主要有以下几种：泄漏电缆通信系统[2]，PHS（Personal Handy-phone System）无线通信系统，基于CDMA（Code Division Multiple Access）的通信系统[4]，基于Wi-Fi的通信系统[5]，基于Zigbee的通信系统。各通信手段可用来满足井下不同需求的通信，各通信手段性能指标如表1所示。
3 通信系统设计
3.1 系统构架
本文提出了一种基于VoIP（Voice over Internet Protocol）和RFID（Radio Frequency Identification）的通信定位系统，起到信息上传下达，实时监控的作用。该系统以光纤网为基础骨干网络，将井上調度室与井下调度室的工控机通过光纤网连接，两台工控机均为VoIP服务器。同时，在巷道内也布置光纤，井上井下形成光纤环网。巷道内布置的嵌入式基站通过网络交换机接入光纤网，进而与井上、井下调度室连接。嵌入式基站内设有Wi-Fi接入节点AP（Access Point），为井下人员手持的Wi-Fi手机提供接入光纤网的接口；嵌入式基站内的RFID基站，可以读取该基站周围的RFID卡片的信息；嵌入式基站内的AD/DA转换口及I/O口，为传感器提供接入接口。嵌入式基站可以根据实际情况，选择性地增加或减少某个功能模块。系统的构架如图1所示：
3.2 嵌入式基站构架
嵌入式基站主要由以下几部分组成，具体构架如图2所示，由以太网交换机、ARM嵌入式系统、数据端口、RFID基站、Wi-Fi接口、电源模块等组成。
3.3 系统功能
该系统可实现的功能具体如下：
1）借助VoIP技术，实现井上与井下的实时语音通信。
2）借助RFID技术，调度室工控机可以实时显示井下人员的定位信息，实时获取井下人员分布情况。如遇紧急情况，可根据人员分布情况来开展救援工作。同时，通过人员权限的限定，可以判定是否有人非法进入违禁区域。
3）借助各类传感器，将采集的数据及时传回调度室并实时显示，调度人员便可实时监测巷道内的情况。
4 系统功能的具体实现
4.1 语音通信功能
1）VoIP介绍
VoIP技术将模拟信号数字化，以数据封包的形式在IP网络上做实时传递。目前常用的VoIP协议有：H.323、SIP、MEGACO和MGCP。
VoIP系统就是把传统的电话网与互联网结合在一起。VoIP系统有多种构建方式：（1）模拟电话+语音网关+网守+PBX；（2）VoIP电话/IP电话+IPPBX+PBX；（3）IP电话/模拟电话+PCPBX+PBX。
相对于第2、第3种构架，第1种构架较为复杂。第3种构架基于通用的个人计算机，比第2种构架成本低。
2）语音编码比较
现有语音编码标准、所占带宽情况及通话质量的MOS值，如表2所示：
3）VoIP通信流程：
VoIP通信过程是一个数据转换，数据压缩编码，以及数据解压缩的过程。首先，拨打目的VoIP设备，VoIP服务器搜索出目的VoIP设备所在网关及其接入的网络节点位置，然后建立两设备之间的语音通道，两设备间便可实现语音通话。通话的具体实现过程如下：
对于Wi-Fi手机，首先录入语音信号，手机内集成芯片将语音模拟信号转化为数字信号，转换后再对语音包以特定的帧长进行压缩编码，然后传输到网络。网络处理器为语音添加包头、时标和其他信息，进而将数据传送到目的Wi-Fi手机，手机内集成芯片将接收的IP数据解包，去掉寻址和控制信息，保留原始的数据并解码，最后数字语音转换为模拟语音，通过扬声器播出。其中，手机的集成芯片采用同样的VoIP协议。
对于普通电话，模拟信号与数字信号间的转换、压缩及解压缩等工作，均由VoIP服务器完成。
VoIP通信具体流程如图3所示：
项目中，选用第3种VoIP系统构架。采用Asterisk开源系统，组建VoIP系统，采用的VoIP协议为SIP协议。在工控机中插入硬件板卡，继而实现接入PSTN公共电话网。 项目具体实现时，Wi-Fi手机接入无线接入节点AP，再经以太网交换机连接到调度室内的工控机。利用Asterisk系统在计算机上构建VoIP服务器，从而实现不同手机间的VoIP通信。同时，可根据需要扩展语音服务，增加在网用户的数量。
4.2 定位功能
1）基础介绍
项目中，采用的RFID工作频段为2.4GHz。RFID基站识别速度100个/秒，识别距离为200米，定位精度±25m。RFID卡片为有源RFID卡片。RFID数据传输中，数据编码方式如图4所示：
图4RFID数据编码方式
每名矿工佩戴一个RFID卡片，该RFID卡片具有唯一标示。将矿工的基本信息与RFID卡片相对应，存入数据库中。通过对应关系，在系统数据库可查找该标签所对应人员的姓名、年龄、性别、部门、职务等基本信息，从而实现对目标的自动定位管理。
2）RFID功能
项目中，RFID人员定位系统可实现对井下人员实时监控，跟踪定位，考勤管理以及环境监控等功能，及时掌握下井人员的准确位置，为煤矿安全生产，紧急救援提供实时准确的信息。监控人员需要查看井下矿工的位置信息时，可以通过客户端软件读取当前RFID卡片分布情况，并通过数据关联，调取数据库中的矿工信息，最终显示在屏幕上。具体功能如下：
a） 定位跟踪：能够实时显示井下人员的位置。当人员进入RFID基站的读写范围时，RFID基站将读取的RFID卡片信息上传到调度室并实时显示。人员在不同RFID基站间移动时，根据进入读写范围的时间以及接收到的RSSI（Received Signal Strength Indication）值大小，判断人员所在位置，经软件模拟可形成人员运动轨迹。
b）人员考勤：通过读取RFID卡片，记录矿工的出、入井时间以及井下停留时间。
c）禁区报警：人员违章进入禁区时，系统发出报警信息，并在数据库中记录。
d）灾后救援：发生各种事故时，能立即查出井下人员分布情况，矿工具体位置、姓名等信息，给救援人员提供及时准确的信息。同时也便于开展后期事故分析。
4.2 参数监测功能
针对煤矿井下特殊情况，井下传感器主要测量以下指标：瓦斯浓度、CO浓度、风速传感器、温度传感器、粉尘浓度等。项目所在煤矿井下已经安装有各类参数的传感器，只是传感器的数据并不能传到调度室，不能实时得知参数状况。
项目中，根据实际情况，保留部分原有传感器。新选用的传感器均为取得国家煤安认证的产品。同时，由于嵌入式基站可提供5V，12V，24V电源，且信号形式无限制，传感器在选用上范围较广。各类传感器的输出信号既有常见的4～20mA、0～10V等模拟信号量，也有数字信号量。
5 井下试运行情况
1） 语音通信测试
语音测试上，通过对比的方式测试语音通话中是否存在断续、延迟等情况。常用于衡量通信系统语音质量的重要指标为MOS（MeanOpinionScore）值，由差到优分为5个等级，分值分别对应1～5分。根据该指标，对测试结果进行评判。
测试一：选定两个固定地点，一个为语音发送地，一个为语音接收地。同时进行两种语音通话：两部固定电话间的通话和两部Wi-Fi手机间的通话。语音发送地处，由1人读一系列数字，语音接收地2人（已经经过响应速度测试）分别用Wi-Fi手机和固定电话接听，听到数字后叩击桌面示意，记录2人的响应时间，对比两种通信方式的时间差。
测试结果：与固定电话相比，Wi-Fi手机有1～1.5s的延迟。
测试二：选定10人，分别手持Wi-Fi手机在井下移动时与调度室通话，根据通话质量，按照MOS值进行打分，分值精确到小数点后1位。
测试结果：根据10人的平均分，最后分值为3.53，介于3～4之间，属于可接受范围。原因是在一些巷道拐弯处，信号覆盖较弱。
2）RFID测试
测试一：上班高峰时段，入井处和井下必经地调度室处，各设立1个测试点，两个测试点均设置有RFID读写器。两个测试点分别有一组测试人员，最终将人员记录值与RFID记录值进行对比。对比内容：记录10分钟内经过测试点的人员数量、基本信息。具体操作时，通过询问获得矿工工号，进而查阅到其相应的信息。
测试结果：RFID漏读数为0，人员信息准确率100%。
测试二：选定一位矿工，记录其在井下巷道内移动時，及经过某一特定基站时的时间。手动绘制其移动路线，然后再与工控机上自动生成的路线进行对比。同时，随机记录3个时刻该矿工所在的位置，与工控机上定位信息进行对比。
测试结果：手绘路线与工控机上的轨迹基本吻合，但在同一时刻，实际位置与RFID定位存在偏差，定位误差在30m左右，定位精度有待提高。
5 总结
煤矿通信系统是指挥和调度生产事故处理、抢险救灾的重要联络工具，也是减轻信息传递人员劳动强度的主要手段。本文所提出的通信定位系统正是基于该要求而设计的。目前，该系统已经在井下试运行，运行状况良好。但后续的验证工作仍需投入更多精力，通过不断使用及完善，进一步提高系统的稳定性和可靠性。
参考文献
[1] 国家安全监管总局国家煤矿安监局关于建设完善煤矿井下安全避险“六大系统”的通知[J].煤炭科学技术.2010（10）
[2] 王满福.新型无线通信系统在煤矿通信的应用[J].通信世界.2006（48）
[3] 边灵.采用泄漏电缆的无线电通信[J].煤炭科学技术.1988（06）
[4] 顾伟，王春瑞，张锋.无线以太网技术在煤矿通信系统中的应用[J].中国矿业.2010（05）
[5] 卢伟，李锡文，史铁林.基于WIFI的煤矿机车调度通信系统设计[J].煤炭工程.2012（4）
[6] 余新康，陈国安，张国华.基于ZigBee技术的煤矿井下无线网络系统[J].矿山机械.2006（11）
[7] 侯振.基于WIFI技术的井下无线调度通信系统的实现方案[D].西安科技大.2009
[8] 唐颖德，罗雪芳.VoIP技术发展综述[J].电子技术应
[关键词]煤矿；通信系统；VoIP；Wi-Fi；RFID
中图分类号：TN791 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）38-0121-02
1 背景介绍
煤矿发生事故，若不能第一时间通知井下人员，提供井下实时状况并规划一条逃生路线，井下人员将难以及时逃生。同时，若井上人员无法确定井下人员位置及分布情况，则事故发生后搜救工作量大，并且在制定营救方案上也缺乏可依靠的信息，不能在第一时间将有限的人力物力投入到最需要营救的地方，从而错过最佳救援时机[1]。本文将建立一套适用于煤矿的实时通信系统，解决井上、井下信息不对称，不能及时共享沟通的问题。
2 煤矿井下通信系统现状
根据信号传输的方式，通信可以分为有线和无线两类。煤矿通信中，两种方式兼有。煤矿井下传统通信采用固定防爆电话，主要设立在人员较集中的区域（如井下调度室、集散点等），只能点对点通信，不具备移动性[1]。若遇紧急情况，无法及时进行信息传递。
煤矿井下常用的无线通信系统较多，主要有以下几种：泄漏电缆通信系统[2]，PHS（Personal Handy-phone System）无线通信系统，基于CDMA（Code Division Multiple Access）的通信系统[4]，基于Wi-Fi的通信系统[5]，基于Zigbee的通信系统。各通信手段可用来满足井下不同需求的通信，各通信手段性能指标如表1所示。
3 通信系统设计
3.1 系统构架
本文提出了一种基于VoIP（Voice over Internet Protocol）和RFID（Radio Frequency Identification）的通信定位系统，起到信息上传下达，实时监控的作用。该系统以光纤网为基础骨干网络，将井上調度室与井下调度室的工控机通过光纤网连接，两台工控机均为VoIP服务器。同时，在巷道内也布置光纤，井上井下形成光纤环网。巷道内布置的嵌入式基站通过网络交换机接入光纤网，进而与井上、井下调度室连接。嵌入式基站内设有Wi-Fi接入节点AP（Access Point），为井下人员手持的Wi-Fi手机提供接入光纤网的接口；嵌入式基站内的RFID基站，可以读取该基站周围的RFID卡片的信息；嵌入式基站内的AD/DA转换口及I/O口，为传感器提供接入接口。嵌入式基站可以根据实际情况，选择性地增加或减少某个功能模块。系统的构架如图1所示：
3.2 嵌入式基站构架
嵌入式基站主要由以下几部分组成，具体构架如图2所示，由以太网交换机、ARM嵌入式系统、数据端口、RFID基站、Wi-Fi接口、电源模块等组成。
3.3 系统功能
该系统可实现的功能具体如下：
1）借助VoIP技术，实现井上与井下的实时语音通信。
2）借助RFID技术，调度室工控机可以实时显示井下人员的定位信息，实时获取井下人员分布情况。如遇紧急情况，可根据人员分布情况来开展救援工作。同时，通过人员权限的限定，可以判定是否有人非法进入违禁区域。
3）借助各类传感器，将采集的数据及时传回调度室并实时显示，调度人员便可实时监测巷道内的情况。
4 系统功能的具体实现
4.1 语音通信功能
1）VoIP介绍
VoIP技术将模拟信号数字化，以数据封包的形式在IP网络上做实时传递。目前常用的VoIP协议有：H.323、SIP、MEGACO和MGCP。
VoIP系统就是把传统的电话网与互联网结合在一起。VoIP系统有多种构建方式：（1）模拟电话+语音网关+网守+PBX；（2）VoIP电话/IP电话+IPPBX+PBX；（3）IP电话/模拟电话+PCPBX+PBX。
相对于第2、第3种构架，第1种构架较为复杂。第3种构架基于通用的个人计算机，比第2种构架成本低。
2）语音编码比较
现有语音编码标准、所占带宽情况及通话质量的MOS值，如表2所示：
3）VoIP通信流程：
VoIP通信过程是一个数据转换，数据压缩编码，以及数据解压缩的过程。首先，拨打目的VoIP设备，VoIP服务器搜索出目的VoIP设备所在网关及其接入的网络节点位置，然后建立两设备之间的语音通道，两设备间便可实现语音通话。通话的具体实现过程如下：
对于Wi-Fi手机，首先录入语音信号，手机内集成芯片将语音模拟信号转化为数字信号，转换后再对语音包以特定的帧长进行压缩编码，然后传输到网络。网络处理器为语音添加包头、时标和其他信息，进而将数据传送到目的Wi-Fi手机，手机内集成芯片将接收的IP数据解包，去掉寻址和控制信息，保留原始的数据并解码，最后数字语音转换为模拟语音，通过扬声器播出。其中，手机的集成芯片采用同样的VoIP协议。
对于普通电话，模拟信号与数字信号间的转换、压缩及解压缩等工作，均由VoIP服务器完成。
VoIP通信具体流程如图3所示：
项目中，选用第3种VoIP系统构架。采用Asterisk开源系统，组建VoIP系统，采用的VoIP协议为SIP协议。在工控机中插入硬件板卡，继而实现接入PSTN公共电话网。 项目具体实现时，Wi-Fi手机接入无线接入节点AP，再经以太网交换机连接到调度室内的工控机。利用Asterisk系统在计算机上构建VoIP服务器，从而实现不同手机间的VoIP通信。同时，可根据需要扩展语音服务，增加在网用户的数量。
4.2 定位功能
1）基础介绍
项目中，采用的RFID工作频段为2.4GHz。RFID基站识别速度100个/秒，识别距离为200米，定位精度±25m。RFID卡片为有源RFID卡片。RFID数据传输中，数据编码方式如图4所示：
图4RFID数据编码方式
每名矿工佩戴一个RFID卡片，该RFID卡片具有唯一标示。将矿工的基本信息与RFID卡片相对应，存入数据库中。通过对应关系，在系统数据库可查找该标签所对应人员的姓名、年龄、性别、部门、职务等基本信息，从而实现对目标的自动定位管理。
2）RFID功能
项目中，RFID人员定位系统可实现对井下人员实时监控，跟踪定位，考勤管理以及环境监控等功能，及时掌握下井人员的准确位置，为煤矿安全生产，紧急救援提供实时准确的信息。监控人员需要查看井下矿工的位置信息时，可以通过客户端软件读取当前RFID卡片分布情况，并通过数据关联，调取数据库中的矿工信息，最终显示在屏幕上。具体功能如下：
a） 定位跟踪：能够实时显示井下人员的位置。当人员进入RFID基站的读写范围时，RFID基站将读取的RFID卡片信息上传到调度室并实时显示。人员在不同RFID基站间移动时，根据进入读写范围的时间以及接收到的RSSI（Received Signal Strength Indication）值大小，判断人员所在位置，经软件模拟可形成人员运动轨迹。
b）人员考勤：通过读取RFID卡片，记录矿工的出、入井时间以及井下停留时间。
c）禁区报警：人员违章进入禁区时，系统发出报警信息，并在数据库中记录。
d）灾后救援：发生各种事故时，能立即查出井下人员分布情况，矿工具体位置、姓名等信息，给救援人员提供及时准确的信息。同时也便于开展后期事故分析。
4.2 参数监测功能
针对煤矿井下特殊情况，井下传感器主要测量以下指标：瓦斯浓度、CO浓度、风速传感器、温度传感器、粉尘浓度等。项目所在煤矿井下已经安装有各类参数的传感器，只是传感器的数据并不能传到调度室，不能实时得知参数状况。
项目中，根据实际情况，保留部分原有传感器。新选用的传感器均为取得国家煤安认证的产品。同时，由于嵌入式基站可提供5V，12V，24V电源，且信号形式无限制，传感器在选用上范围较广。各类传感器的输出信号既有常见的4～20mA、0～10V等模拟信号量，也有数字信号量。
5 井下试运行情况
1） 语音通信测试
语音测试上，通过对比的方式测试语音通话中是否存在断续、延迟等情况。常用于衡量通信系统语音质量的重要指标为MOS（MeanOpinionScore）值，由差到优分为5个等级，分值分别对应1～5分。根据该指标，对测试结果进行评判。
测试一：选定两个固定地点，一个为语音发送地，一个为语音接收地。同时进行两种语音通话：两部固定电话间的通话和两部Wi-Fi手机间的通话。语音发送地处，由1人读一系列数字，语音接收地2人（已经经过响应速度测试）分别用Wi-Fi手机和固定电话接听，听到数字后叩击桌面示意，记录2人的响应时间，对比两种通信方式的时间差。
测试结果：与固定电话相比，Wi-Fi手机有1～1.5s的延迟。
测试二：选定10人，分别手持Wi-Fi手机在井下移动时与调度室通话，根据通话质量，按照MOS值进行打分，分值精确到小数点后1位。
测试结果：根据10人的平均分，最后分值为3.53，介于3～4之间，属于可接受范围。原因是在一些巷道拐弯处，信号覆盖较弱。
2）RFID测试
测试一：上班高峰时段，入井处和井下必经地调度室处，各设立1个测试点，两个测试点均设置有RFID读写器。两个测试点分别有一组测试人员，最终将人员记录值与RFID记录值进行对比。对比内容：记录10分钟内经过测试点的人员数量、基本信息。具体操作时，通过询问获得矿工工号，进而查阅到其相应的信息。
测试结果：RFID漏读数为0，人员信息准确率100%。
测试二：选定一位矿工，记录其在井下巷道内移动時，及经过某一特定基站时的时间。手动绘制其移动路线，然后再与工控机上自动生成的路线进行对比。同时，随机记录3个时刻该矿工所在的位置，与工控机上定位信息进行对比。
测试结果：手绘路线与工控机上的轨迹基本吻合，但在同一时刻，实际位置与RFID定位存在偏差，定位误差在30m左右，定位精度有待提高。
5 总结
煤矿通信系统是指挥和调度生产事故处理、抢险救灾的重要联络工具，也是减轻信息传递人员劳动强度的主要手段。本文所提出的通信定位系统正是基于该要求而设计的。目前，该系统已经在井下试运行，运行状况良好。但后续的验证工作仍需投入更多精力，通过不断使用及完善，进一步提高系统的稳定性和可靠性。
参考文献
[1] 国家安全监管总局国家煤矿安监局关于建设完善煤矿井下安全避险“六大系统”的通知[J].煤炭科学技术.2010（10）
[2] 王满福.新型无线通信系统在煤矿通信的应用[J].通信世界.2006（48）
[3] 边灵.采用泄漏电缆的无线电通信[J].煤炭科学技术.1988（06）
[4] 顾伟，王春瑞，张锋.无线以太网技术在煤矿通信系统中的应用[J].中国矿业.2010（05）
[5] 卢伟，李锡文，史铁林.基于WIFI的煤矿机车调度通信系统设计[J].煤炭工程.2012（4）
[6] 余新康，陈国安，张国华.基于ZigBee技术的煤矿井下无线网络系统[J].矿山机械.2006（11）
[7] 侯振.基于WIFI技术的井下无线调度通信系统的实现方案[D].西安科技大.2009
[8] 唐颖德，罗雪芳.VoIP技术发展综述[J].电子技术应