嚴(yán)屹

【摘要】眾所周知，礦井內(nèi)的環(huán)境空間是有限的，所以要想在有限的礦井空間內(nèi)將WIFI信號(hào)完全覆蓋是有很大的問題存在的。所以設(shè)計(jì)人員就針對(duì)這一難題設(shè)計(jì)了一種在有限空間內(nèi)WIFI信號(hào)覆蓋的精確的測(cè)量系統(tǒng)。這種系統(tǒng)把單片機(jī)硬件的技術(shù)還有Labview軟件平臺(tái)結(jié)合在一起，研發(fā)出了一種使用USB為總線的便攜形式的功率計(jì)，這種設(shè)備用來測(cè)量WIFI無線信號(hào)的強(qiáng)弱度數(shù)值，這種設(shè)備的點(diǎn)頻信號(hào)源是壓控振蕩器，而壓控振蕩器又必須要以精密的電壓來進(jìn)行控制，把這些集合在一起來完成對(duì)WIFI無線信號(hào)在有限空間強(qiáng)弱度的測(cè)量，并且把測(cè)量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、記錄并對(duì)其進(jìn)行分析，有必要時(shí)還要進(jìn)行畫圖表進(jìn)行顯示。

【關(guān)鍵詞】有限空間WIFI無線信號(hào)覆蓋測(cè)量系統(tǒng)

隨著通信技術(shù)發(fā)展的越來越快，煤礦在信息化技術(shù)這方面的要求也有了更高的要求，在較短的距離中的無線通信簡(jiǎn)稱為SDR技術(shù)，就是以WIFI作為其代表的技術(shù)。SDR技術(shù)具有很多的優(yōu)點(diǎn)和性能，比如說：發(fā)射功率低、系統(tǒng)容量大、消耗的功能低、傳輸?shù)墓β实偷瘸诉@些工作上的優(yōu)點(diǎn)外，還具有很強(qiáng)的抗故障的能力，對(duì)故障的維修方便、可以很好地實(shí)現(xiàn)煤礦電路安全的設(shè)計(jì)等自身適合于煤礦本質(zhì)的特點(diǎn)。因?yàn)檫@些優(yōu)越的自身性能還有特點(diǎn)，讓煤礦開采行業(yè)都在廣泛的使用SDR這門信息化的技術(shù)。雖然在煤礦井下WIFI無線信號(hào)符合寬帶網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)建設(shè)的要求，但是由于煤礦井下的空間有限，WIFI網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的全面覆蓋還是存在著很大的問題。因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)WIFI無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)在有限空間的覆蓋工程圖紙時(shí)，一定要結(jié)合實(shí)際，使設(shè)計(jì)能夠更好地適應(yīng)有限空間里WIFI信號(hào)的覆蓋。

一、無線電波的傳播特性

1、無線電波在自由空間的傳播特性

隨著時(shí)間變化而產(chǎn)生變化的電場(chǎng)還有磁場(chǎng)是無線電波的組成部分，這兩部分的電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間是相互轉(zhuǎn)化并且兩者是相互依存的，在這種不斷的轉(zhuǎn)化和依存的條件下，進(jìn)而漸漸的形成了一個(gè)既是統(tǒng)一又具有時(shí)變性的電磁場(chǎng)體系。

無線電波傳播分為兩種情況，一種是自由空間傳播，還有一種是有限空間傳播。無線電波在自由空間傳播的形式就是無線電波的自由空間傳播，自由空間在嚴(yán)格一點(diǎn)的情況下說就是一種理想的境界，在實(shí)際情況下不可能達(dá)不到這種超理想的境界。在微波通信里，通常情況下電波發(fā)射完信號(hào)天線輻射之后，信號(hào)的天線輻射里帶有的能量是向輻射周圍的空間不斷擴(kuò)散的，因此當(dāng)輻射的能量到達(dá)天線的時(shí)候就只有一小部分了，信號(hào)輻射發(fā)射的地點(diǎn)距離天線越近，到達(dá)天線的能量就會(huì)越多，相反，距離越長(zhǎng)，到達(dá)天線的能量就會(huì)越小，這種情況的出現(xiàn)就被叫做電波信號(hào)在自由空間傳播中的衰減，也有專業(yè)的人員稱它為自由空間之中電波信號(hào)的損耗。

2、無線電波在有限空間之中的傳播特性

有限的空間里的無線電波的傳播特性是非常復(fù)雜的，WIFI無線電波在煤礦井之下的傳播形式就可以看做是無線電波在有限的空間環(huán)境里傳播的一種情況。工人們煤礦井下的采集和挖掘煤炭的通道都是十分狹小的，通道內(nèi)的地面有的粗糙還有的坎坷不平，周圍有著煤碳和各種各樣的石頭，還有工人挖掘煤塊所需要要用到的工具、手腳架、吹風(fēng)機(jī)、鋼軌、動(dòng)力線等等物品，工人們工作的空間十分的狹小。而工人們工作的巷道又有著不同的物理結(jié)構(gòu)，它們的巷口形狀也是各異的，有長(zhǎng)方形的還有正方形和梯形的，巷道的表面也是起伏不平的，有的傾斜，有的粗糙，還有的彎曲，深淺也不一樣。所以當(dāng)無線電波在煤礦井下的有限空間里傳播時(shí)主要有以下幾種方式：（1）直射波：是指在眼睛可以看到的范圍內(nèi)的沒有任何遮攔的傳播，它的損耗就是傳播過程之中路徑的損耗。（2）反射波：任何電波在傳播時(shí)都會(huì)發(fā)生不同程度的反射。（3）繞射波：有一些不規(guī)則的物體和物質(zhì)會(huì)存在于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間，這些不規(guī)則的物體還有物質(zhì)會(huì)在電波傳播過程中使電波發(fā)生繞射，就是會(huì)有二次傳播的情況在障礙物的表面發(fā)生。（4）散射波：散射波一般會(huì)發(fā)生在巷道的壁面，還有巷道的灰塵之中。

還有就是煤礦井內(nèi)的有限空間環(huán)境十分復(fù)雜，使得WIFI無線電波的信號(hào)在傳播時(shí)會(huì)受到些限制，會(huì)發(fā)生損耗，主要有以下幾種情況：（1）路徑傳播的損耗：就是電波在自由空間傳播中的損耗，它的損耗是接受信號(hào)信息平均值的直接反映。（2）慢衰落：指的是接收信號(hào)的值在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的緩慢的變化。（3）快衰落：主要與井下有限空間的環(huán)境還有多路徑的效應(yīng)有關(guān)。（4）多徑效應(yīng)：在煤礦井下的有限空間里有很多的反射、散射和折射現(xiàn)象，這使傳播的環(huán)境更加的復(fù)雜多變了，接收機(jī)所接受到的信號(hào)是在各個(gè)環(huán)節(jié)過程中的總和量。

二、無線電波在有限空間的測(cè)量方法

1、有限空間內(nèi)WIFI無線信號(hào)測(cè)量的方法

沒有消耗且均勻的物質(zhì)構(gòu)成的空間就是我們所說的自由空間，自由的空間是無限大的空間，電導(dǎo)率在自由空間里為零，與之相對(duì)的介電常數(shù)還有磁導(dǎo)率也都為1，因此WIFI無線電信號(hào)在自由空間里的傳播不會(huì)產(chǎn)生吸收，散射還有反射情況和現(xiàn)象。相比之下WIFI無線信號(hào)在有限空間里的傳播就會(huì)有諸如反射、繞射和散射等的情況發(fā)生，所以根據(jù)WIFI信號(hào)在空間中的分布情況分析得知，我們要想了解WIFI信號(hào)在有限空間的分布情況，就一定要進(jìn)行大量的測(cè)試。

2、有限空間無線信號(hào)測(cè)量設(shè)備的開發(fā)

WIFI無線信號(hào)的測(cè)量系統(tǒng)設(shè)備在煤礦井內(nèi)的有限空間里主要有下面幾種：（1）定向發(fā)射天線：發(fā)射的天線型號(hào)為HDJ-2400BKC14的定向天線發(fā)射，它有100M的寬帶，是專門用來發(fā)射電頻信號(hào)源的。（2）電頻信號(hào)源：如圖1所示，就是電頻信號(hào)源的結(jié)構(gòu)，它的精密電壓源為7.2V的電池電壓，把電壓源內(nèi)的直流電轉(zhuǎn)化為直流的電壓，讓輸出的電壓值穩(wěn)定在5V，再利用精密的電阻儀器對(duì)電壓進(jìn)行分壓，并通過此種方法得到所需要的電壓，然后再通過壓控振蕩器將輸出的信號(hào)頻率最終定在WIFI的信號(hào)頻點(diǎn)，使用功率放大器將放射的信號(hào)功率進(jìn)行無限的放大，讓信號(hào)的強(qiáng)度逐漸增加，以此達(dá)到測(cè)量的要求。（3）功率計(jì)：我們要采用虛擬儀器的思想來進(jìn)行功率計(jì)的設(shè)計(jì)工作，使設(shè)計(jì)出的功率計(jì)適合于USB的總線，適合于USB總線的這種功率器具有便攜式的優(yōu)點(diǎn)，功率器的整體結(jié)構(gòu)主要有硬件系統(tǒng)和上位機(jī)軟件系統(tǒng)。功率器射頻信號(hào)的調(diào)理以及數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)主要由功率計(jì)的硬件系統(tǒng)負(fù)責(zé)，通過USB接口來完成通信，采用50歐標(biāo)準(zhǔn)的SMA頭作為射頻信號(hào)的輸入接口。由Labview來編寫上位機(jī)系統(tǒng)的軟件，使用它來接收數(shù)據(jù)，并且要對(duì)接收到的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，還要對(duì)功率的顯示進(jìn)行校準(zhǔn)，圖2就是基于USB總線便攜式功率計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖。（4）硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。射頻信號(hào)在通過SMA接口之后會(huì)進(jìn)入到衰減網(wǎng)絡(luò)里，并且在衰減網(wǎng)絡(luò)里會(huì)使射頻信號(hào)發(fā)生衰減，之后再通過檢波電路把射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為低頻信號(hào)，將低頻信號(hào)在AD電路里實(shí)現(xiàn)模塊的轉(zhuǎn)換，再通過微控制器將模塊逐漸的轉(zhuǎn)變成模數(shù)，并且將得到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器里，這樣就可以有效地防止采集到的數(shù)據(jù)發(fā)生再次丟失的情況，最后再將數(shù)據(jù)從外部存儲(chǔ)器里讀取到USB的接口，這樣一套工序下來之后，硬件系統(tǒng)和上位機(jī)之間的通信就完成了。其中上位機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

三、基于USB功率計(jì)校準(zhǔn)

功率計(jì)是一種測(cè)量的設(shè)計(jì)儀器，它的測(cè)量的準(zhǔn)確度是一項(xiàng)十分重要的指標(biāo)?；诖耍覀儽仨氁捎煤线m的測(cè)量算法，把采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的功率值，讓測(cè)量的精度和我們預(yù)定的誤差值不會(huì)有太大的差別。功率計(jì)工作的校準(zhǔn)主要是AD采樣值還有轉(zhuǎn)換的功率值之間的關(guān)系以及轉(zhuǎn)換值的誤差等。頻率在800M-6GHz范圍之內(nèi)的所有的射頻信號(hào)都是本功率計(jì)的測(cè)量范圍也就是我們平常所說的-50~+10dBm之間的射頻信號(hào)。AD采樣的數(shù)據(jù)功率可以假定為Pad，實(shí)際的功率就可以認(rèn)為是Pw，我們運(yùn)用最小二乘法將采樣值的功率和實(shí)際的功率擬成這樣的關(guān)系公式：Pw=k×Pad+B，其中B是一個(gè)定值，然后再對(duì)頻響誤差進(jìn)行補(bǔ)償，但是不同的功率計(jì)其所反映的功率值也不相同，所以就會(huì)有頻響誤差的存在。

四、有限空間WIFI無線信號(hào)的測(cè)量

本文之中的設(shè)計(jì)對(duì)于有限空間WIFI信號(hào)的測(cè)量進(jìn)行了系統(tǒng)而全面的準(zhǔn)備，使人員可以更好的對(duì)無線信號(hào)進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)量，從而得到WIFI信號(hào)覆蓋的數(shù)據(jù)，更好地為我們完善設(shè)計(jì)做出貢獻(xiàn)，我們還可以通過測(cè)量的結(jié)果制作出一個(gè)宏觀的系統(tǒng)的圖表，并且將所得到的數(shù)據(jù)制成一個(gè)折線統(tǒng)計(jì)圖，我們可以從圖表中得到關(guān)于有限空間WIFI無線信號(hào)的覆蓋結(jié)果。圖表如4：

五、結(jié)語

對(duì)于有線空間內(nèi)的WIFI無線信號(hào)覆蓋的測(cè)量是一項(xiàng)復(fù)雜且艱難的工作，我們一定要做好相應(yīng)的設(shè)計(jì)，把測(cè)量的工作系統(tǒng)化，使有限空間內(nèi)WIFI無線信號(hào)的測(cè)量工作的困難可以得到一定的緩解，為煤礦井下的開采工作提供便利，使經(jīng)濟(jì)和科技得到更好的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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