基于无线网络的煤矿安全监控系统

前言

煤矿瓦斯事故是煤矿安全生产中发生频率高、危害程度大的主要事故源。做好煤矿安全生产管理工作，解决煤矿瓦斯隐患是实现煤矿安全生产状况根本好转的关键一环，是国家煤矿安全监察局当前部署的重点工作之一。实施统一的“煤炭安全监控系统”对煤矿安全生产的长治久安具有极其重要的意义。

一般煤矿地理位置偏僻，地形复杂，采用有线网建设投资大，网络布线困难，采用微波等方式覆盖率低、传输距离有限。无线具有布网灵活快捷、较快传输速度特性，可以作为无线网络的煤矿安全监控系统很好的解决方案。

²        GPRS和CDMA 1X无线网络简介

　　目前，基于GPRS/CDMA无线数据传输业务广泛在移动办公、工业控制、远程遥测等多方面应用，网络运营商中国移动GPRS和联通CDMA各有其特点。

　　GPRS(General Packet Radio Service，通用无线分组业务)作为第二代移动通信技术GSM向第三代移动通信(3G)的过渡技术，是由英国BT Cellnet公司早在1993年提出的，是GSM Phase2+ (1997年)规范实现的内容之一，是一种基于GSM的移动分组数据业务，面向用户提供移动分组的IP或者X.25连接。

　　GPRS是在现有的GSM网络基础上叠加的一个新的网络，同时在网络设备上增加一些硬件设备，并对原软件升级，形成了一个新的网络逻辑实体。GPRS能给用户提供端到端的、广域的无线IP连接。通俗地讲，GPRS是一项无线高速数据传输技术，它以分组交换技术为基础，用户通过GPRS可以在移动状态下使用各种高速数据业务，包括收发E-mail、进行Internet浏览、即时聊天等。

　　GPRS系统使用现有的GSM无线网络。GPRS和GSM共用相同的基站和频谱资源，只是在现有的GSM网络基础上增加了一些硬件设备和软件升级。因此，实现GSM升级至GPRS非常容易，且中国移动借助原GSM网络，所以GPRS覆盖非常广。目前中国移动GPRS网络已覆盖全国所有省、直辖市、自治区，网络遍及240多个城市。

　　CDMA是码分多址的英文缩写(Code Division Multiple Access)，它是在数字技术上的分支—扩频通信技术上发展起来的一种新的无线通信技术。CDMA技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现数据传输。

　　CDMA技术的标准化经历了几个阶段。IS95是CDMAONE系列标准中最先发布的标准，真正在全球得到广泛应用的第一个CDMA标准是IS95A，这一标准支持8K编码话音服务。在ITU向各国征求第三代移动通信无线候选技术时，IS95由于刚取得商用成功，美国TR45标准委员会没有将很多精力放在第三代标准的研究上，而是正在努力完成IS95B的标准。

　　在ITU的要求下，在当年提出了CDMA2000的第三代标准，即CDMA2000 1X和3X(1X代表其载波一倍于IS95A的带宽，3X代表其载波三倍于IS95A的带宽)，3X又分为下行直接扩谱和三载波两种方式，后来直接扩谱CDMA2000部分与WCDMA进行了融合，所以实际上目前的CDMA2000就只包括CDMA2000 1X和三载波方式3X。

CDMA 1X是指CDMA 2000的第一阶段(速率高于IS95，低于2Mbit/s)，可支持308kbit/s的数据传输、网络部份引入分组交换，支持移动IP业务。是在现有CDMA IS95系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为CDMA用户提供分组IP形式的数据业务。

　　CDMA基于扩频技术，占用的是全新的800M频段（GSM占用的是900M频段），所以不能在原GSM设备上直接升级。目前，中国联通通过二期工程建设，对CDMA网络进行了网络优化和提升，网络从IS95升级为CDMA1X网络；同时建成覆盖全国31个省(自治区、直辖市)的无线数据网。

²        煤矿安全监控系统介绍

煤矿将从井下采集各种安全数据汇总到地面监控中心，通过GPRS/CDMA 1X 无线网络传输至无线网络中心LAS设备，再通过专线传输到地方煤炭监控中心及上级安全监察部门。为确保网络安全，在现有物理网络的基础上建立基于L2TP协议的VPN逻辑虚拟专网，实现煤矿与地方煤炭监控中心的安全通信。地面监控中心通过分配的专用VPN账号以拨号方式拨入GPRS/CDMA 1X网络，认证服务器(AAA)和煤炭安全监察局认证服务器(Radius)共同完成无线拨入煤矿用户的认证和鉴权。煤矿用户通过认证和鉴权后在煤矿和煤炭安全监察局之间建立VPN专用通讯通道。通过VPN网络建立的虚拟专用通信通道，煤炭监控中心及上级安全监察部门可实时监控煤矿安全生产数据。



                             
                                煤矿安全监控系统网络拓朴图
煤炭监控中心及其他办公计算机可通过局域办公网络，各上级安全监察部门可通过广域办公网络访问煤地方煤炭监控中心的信息发布系统，进行煤矿安全生产的信息查询、统计和分析。

²        系统组成部分

无线网络的煤矿安全监控系统主要由三大部分组成：地面监控中心、无线数据传输网络平台、煤炭监控管理中心系统。

地面监控中心：由监控主机、传输接口、不间断电源、无线路由器、彩色打印机、监控软件、分站、风速传感器、温度传感器、一氧化碳传感器、设备开停传感器、烟雾传感器、瓦斯传感器、远动开关等组成。

无线数据传输网络平台：目前国内的无线公网，如GPRS、CDMA 1X网络平台。

煤炭监控管理中心系统： 网络通讯服务器、实时数据库服务器及用户控制操作界面等。





                                     煤矿安全监控站点拓朴结构图




                                    煤矿安全监控系统方框图

²        系统优势

系统投资小、组网方便灵活、传输速度快、易维护。

²        总结

　　利用GPRS/CDMA网络的数据服务，借助宏电公司的CDMA/GPRS通讯产品，能够顺利完成煤矿生产现场安全监控信息传输、将对煤矿事前管理、降低瓦斯的危害程度、杜绝违规开采、违章作业、违反劳动纪律的现象、减少煤矿事故的发生起到积极的作用。