CN103124288B - 基于物联网技术的矿用无线网络通讯系统 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种基于物联网技术的矿用无线网络通讯系统，包括应用层、传输层以及感知层，所述应用层包括与网络中心交换机相连接的语音服务器、定位服务器、视频监控管理服务器、煤矿安全生产调度服务器、应急指挥服务器；所述传输层包括与所述网络中心交换机相连接的无线网络交换系统；所述感知层包括配置在井下或地面上的多个智能终端，其与所述传输层中的无线网络交换系统无线互连。本发明实现了对人员的实时精确定位、双向移动通信、视频监控；遇到突发状况时，可紧急预警、快速恢复通信、进行生命探测、搜救遇险矿工人员；同时也省去了电缆、光纤等线材，节材节能，减少了安全隐患。
Description
技术领域
本发明涉及应用物联网技术及矿用无线通讯系统设备，属无线网络通讯技术领域。
背景技术
煤炭在能源应用的比例中高达60％以上，是我国的主要能源和重要的战略物资，具有不可替代性，在国民经济建设中发挥着十分重要的作用。
目前煤矿井下采用的通讯主要是以线缆连接的固定电话和小灵通蜂窝通信系统。小灵通的通讯网络的组成，是以地面上的交换服务器通过线缆与井下的网络通讯基站连接，井下的网络通讯基站之间是以线缆或光纤连接组成的有线环路网络，只是在有线环路网络上的通讯基站与小灵通之间的网络连接是无线的。
存在的问题：1)由于是有线环路网络，没有完全摆脱有线的束缚，致使有线环网无法到达相关区域存在通讯死角；2)在定位功能上，是利用单一话音通信基站接收目标信号的归属来判定移动目标的位置，其结果造成定位目标误差大，方位不清晰；3)因受有线环网的制约，无法做到随时部署视频监控系统；4)事故后，有线环网无法快速恢复用于应急救援通讯；5)该系统扩展功能弱，且整体系统成本较高。因此，由于煤矿井下环境较恶劣复杂,有线通信网络经常受到诸如塌方,及发生事故时线缆被损坏折断，造成通讯网络瘫患失效等问题的困扰。由于地面上缺乏井下的可靠信息，致使决策指挥抢险效率低，搜救难度大，甚至延误了黄金救援时间，给国家财产和矿工生命安全造成了巨大的损失。
至今，国内矿井在遇险人员定位、救灾通信技术和装备方面，其精度、反应速度和有效作用距离等，尚不能满足应急救援的要求。保障矿井日常状态及灾变条件下的有效通讯，已成为目前解决矿山安全生产信息化管理监控和应急救援问题中的一个重要环节。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于物联网技术的矿用无线网络通讯系统，以解决现有矿井有线通讯技术中所存在的存在通讯死角、定位误差大、无法随时部署视频监控系统及各类无线传感器、发生事故后无法快速恢复用于应急救援通讯以及扩展功能弱且系统成本较高的不足。
为达到上述目的，本发明提供了一种基于物联网技术的矿用无线网络通讯平台，其特征在于，所述无线网络通讯平台包括应用层、传输层、感知层，其中：
所述应用层包括：语音服务器、定位服务器、视频监控管理服务器、煤矿安全生产调度服务器、应急指挥服务器、网络中心交换机系统以及IP电话系统；所述语音服务器、定位服务器、视频监控管理服务器、煤矿安全生产调度服务器、应急指挥服务器以及IP电话系统分别通过网线与所述网络中心交换机系统相连接，所述应用层的各个服务器之间通过所述网络中心交换机系统实现数据信息的交互；
所述传输层包括无线网络交换系统，所述无线网络交换系统通过网线被接入到由所述网络中心交换机系统所组成的局域网中，该无线网络交换系统包括井下无线网络交换系统以及地面无线网络交换系统，其是由分别安装在地面上和井下的多个无线MESH矿用通讯基站组成的，用于实现所述应用层与所述感知层之间的数据信息的无线交换；所述井下无线网络交换系统及地面无线网络交换系统分别与所述应用层中的网络中心交换机系统相连接；
所述感知层包括分别配置在井下或地面上的多个智能终端，所述传输层中的井下无线网络交换系统以及所述地面无线网络交换系统分别与所述多个智能终端无线互连。
从以上技术方案可以看出，由于采用了物联网的整合感知识别、传输互联和计算处理等功能，并表现出了“全面感知、无缝互联、高度智能”的特点，是对新一代信息技术的高度集成和综合运用，使得本发明技术方案具有可视化、数字化、智能化、小型化、低成本、安装简易人性化，是一新型煤矿安全通讯平台。因而本发明技术方案有以下有益效果：可实现，1)日常状态：入井人员的实时跟踪精确定位、人员识别考勤；地面与井下双向移动通话、短信；视频及无线传感器监控资产管理。2)突发险情：紧急预警、疏导逃生、井下广播和终端显示。3)应急救援：快速恢复通信，节省救援时间；生命探测、搜救遇险(难)矿工人员。4)高效低碳：取代井下监测监控的有线传输系统，CH4、CO、温度等环境监测数据，通过无线网络传输到地面监控中心。省去了电缆、光纤等线材，节材节能，同时减少了安全隐患。
附图说明
图1为本发明所述矿用无线网络通讯系统的结构原理框图。
具体实施方式
为使于本领域一般技术人员能够对本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所述，本发明所述的无线网络系统由应用层、传输层、感知层三个部分组成，其中所述应用层由语音服务器1、定位服务器2、视频监控管理服务器3、煤矿安全生产调度服务器4、应急指挥服务器5以及网络中心交换机系统6组成；所述语音服务器1、定位服务器2、视频监控管理服务器3、煤矿安全生产调度服务器4、应急指挥服务器5分别通过网线与所述网络中心交换机系统6相连接，置于地面上煤矿安全生产调度监控中心，用以实现远程监测与控制、安全事故应急指挥、数据上报与信息共享等功能。
所述传输层包括无线网络交换系统，所述无线网络交换系统通过网线被接入到由所述网络中心交换机系统6所组成的局域网中，所述无线网络交换系统包括井下无线网络交换系统8’以及地面无线网络交换系统8”，其是由分别安装在地面上和井下的多个无线MESH矿用通讯基站组成的，主要用于承载接收/发射无线视频、语音、传感器感知信息数据等多种业务的数据无线交换。所述井下无线网络交换系统8’以及地面无线网络交换系统8”分别与所述应用层中的网络中心交换机系统6相连接。
所述感知层由分别配置在井下或地面上的手机9、网络摄像机10、识别卡11、传感器12、移动应急指挥机13等各类智能终端组成。所述传输层中的井下无线网络交换系统8’以及地面无线网络交换系统8”分别与感知层中配置在井下或地面上的手机9、网络摄像机10、识别卡11、传感器12、移动应急指挥机13无线互连。
进一步地，所述语音服务器1包含IPPBX语音交换调度服务器、IP电话、矿用WIFI手机系统。IPPBX是语音交换网关，IPPBX用于IP电话、WIFI手机之间及与其它公用电话、手机电话之间的语音交换功能。其进一步地还可扩展会议电话、语音信箱、视频调度等功能。IP电话在WIFI覆盖区域内随时随地接听拨打电话。所述IP电话的基本功能包括电话间的通信、电话与调度台的通信、强拆、强插、调度台的广播功能、调度台的通播功能与电话会议功能。
所述定位服务器2用于对矿区配备定位识别卡11的人员、车辆、要害场所、资产等进行实时定位，统计等功能。在实际操作过程中，所述定位服务器2通过地理信息系统(GIS)监控系统软件显示整个矿区地图，并对从井下人员、车辆等配带的所述识别卡11回传的数据进行分析，并将分析结果显示在整个矿区地图的相应位置上。其中，所述识别卡11所回传的数据是通过无线网络传送给所述无线网络交换系统，所述无线网络交换系统再经由所述中心交换机系统6传送至所述定位服务器2中的，所述识别卡11所回传的数据包括有井下人员考勤信息、井下人员定位信息、井下人员生命体征信息、搜救等信息。
所述视频监控管理服务器3包括视频监控管理中心、视频存储器、以及大屏监视系统。所述视频监控管理服务器3用于存储、管理、播放由设置于前端工作区域的所述网络摄像机10所拍摄的前端视频，同时可通过大屏进行放大显示。具体地，所述网络摄像机10对前端工作区域进行常规拍摄，并将所拍摄到的视频影像实时地通过无线网络传送给所述无线网络交换系统，所述无线网络交换系统再经由所述中心交换机系统6将所接收到的视频影像传送至所述视频监控管理服务器3，所述视频监控管理中心根据拍摄每一条视频影像所使用的网络摄像机10的不同将所接受到的视频影像进行分类，并按类别周期性地存储到所述视频存储器不同的存储单元中，以供后期人为调用、回放。进一步地，通过所述网络出口7，管理人员可在任何能上网的地方远程通过电脑、手机等终端远程实时查看。
所述煤矿安全生产调度服务器4用于通过设置于煤矿地面或井下的所述网络摄像机10以及传感器12对煤矿地面或井下的多种环境指标进行监测或监控。具体地，所述传感器12可以对地面或井下的甲烷(CH4)浓度、一氧化碳(CO)浓度以及温度等环境数据进行监测，而所述视频监控网络摄像机则可对地面或井下的人、机、物的工作情况进行监控。由设置于煤矿地面或井下的所述网络摄像机10以及传感器12监测或监控到的数据或影像通过无线网络传送给所述无线网络交换系统，再通过所述无线网络交换系统经由所述中心交换机系统6将所接收到的数据或影像传送至所述煤矿安全生产调度服务器4。当所述煤矿安全生产调度服务器4监控或检测到了异常信息时则通过所述网络中心交换机系统6将所监控或检测到的异常信息发送给应急指挥服务器5，再由所述应急指挥服务器5对所接收到的信息进行分析、判断。所述煤矿安全生产调度服务器4对于煤矿的生产运行状况、安全水平、灾害预测预警、告警具有十分重要的用途。
优选地，所述煤矿安全生产调度服务器4也可以直接通过所述中心交换机系统6从所述视频监控管理服务器3中调取实时影像资料。
所述应急指挥服务器5主要用于事故发生时的应急救援指挥。所述应急指挥服务器5经由所述网络中心交换机系统6从所述语音服务器1、定位服务器2、视频监控管理服务器3以及煤矿安全生产调度服务器4接收语音、定位位置、视频以及环境监测结果等数据信息；另一方面，所述应急指挥服务器5也可经由所述无线网络交换系统以及网络中心交换机系统6从感知层的各个组成部分中直接获取所需要的数据信息。所述应急指挥服务器5整合所接收到的各种数据信息并加以分析，从而发出应急调度，所述应急调度可经由所述网络中心交换机系统6发送至应用层的其它各个服务器中，并由各个服务器再向所述感知层的各个组成部分发出应急调度指令，也可由所述应急指挥服务器5直接向所述感知层的各个组成部分发出应急调度指令。在一个实施方式中，当所述应急指挥服务器5的接收到的井下甲烷(CH4)浓度数据超过了设定的预报警值，则所述应急指挥服务器5启动相应的紧急处理预案，例如，通过所述语音服务器1向井下的手机发出语音报警指令，命令井下工作人员紧急逃生并指明逃生路线。所述应急指挥服务器5可无线接入移动4G、互联网，实现远程通讯。
所述网络中心交换机系统6分别与语音服务器1、定位服务器2、视频监控管理服务器3、煤矿安全生产调度服务器4、应急指挥服务器5以及无线网络交换系统相连接。所述语音服务器1、定位服务器2、视频监控管理服务器3、煤矿安全生产调度服务器4以及应急指挥服务器5之间通过所述网络中心交换机系统6实现数据信息的交互，而上述多个服务器与所述感知层中的各个终端设备之间的数据信息的交换，特别是报警信息的交换，则是通过网络中心交换机系统6与无线网络交换系统的共同作用而实现的。所述网络中心交换机系统6通过网络出口7接入移动4G、互联网实现远程通讯。
所述无线网络交换系统主要用于承载接收/发射无线视频、语音、传感器感知信息数据等多种业务的数据无线交换。所述无线网络交换系统包括井下无线网络交换系统8’以及地面无线网络交换系统8”，其是由分别安装在地面上和井下的多个无线MESH矿用通讯基站组成的，其中，组成井下无线网络交换系统8’的无线MESH矿用通讯基站为防爆无线MESH矿用通讯基站。所述地面无线网络交换系统8”与网络中心交换机6连接，而组成该地面无线网络交换系统8”的多个无线MESH矿用通讯基站中的每一个无线MESH矿用通讯基站和与其相邻的多个基站无线互连，并且与配置在地面上的手机9、网络摄像机10、识别卡11、传感器12以及移动应急指挥机13无线互连。而在所述井下无线网络交换系统8’中，所述网络中心交换机系统6与设置于入井口的第一台防爆无线MESH矿用通讯基站无线互连，其它的多个防爆无线MESH矿用通讯基站沿井下巷道一字排开，每一个防爆无线MESH矿用通讯基站均和与其相邻的两个防爆无线MESH矿用通讯基站无线互连，并与配置在井下的手机9、网络摄像机10、识别卡11以及传感器12无线互连。
所述手机9具有语音、视频、短信等功能，主要用于地面上与井下双向移动通话和井下环境相互之间移动通话及视频查看、安全信息预警通报。与无线网络交换系统无线互连。
所述网络摄像机10为无线网络摄像机，通过在井下或(地面上)安装无线网络摄像机视频信号通过无线网络交换系统以及网络中心交换机系统6所述视频监控管理服务器3中的视频监控管理中心，由此实现可以对重要区域如井下采煤工作面等或要害场所如炸药库、变电室、空压机房等进行视频实时监控。
所述识别卡11用于井下人员考勤、跟踪定位、生命体征信息探测、遇险搜救等。所述识别卡11与无线网络交换系统无线互连并经由所述无线网络交换系统以及以及网络中心交换机系统6将所监测到的数据传输给所述应用层中的各个服务器。
所述传感器12主要用于将井下环境、灾害信息感知数据无线传输到地面监控中心。所述传感器12与无线网络交换系统无线互连，并经由所述无线网络交换系统以及网络中心交换机系统6将所监测到的数据传输给所述应用层中的各个服务器。所述移动应急指挥机13主要用于事故发生时的应急救援指挥。所述移动应急指挥机13经由所述网络中心交换机系统6以及无线网络交换系统从所述语音服务器1、定位服务器2、视频监控管理服务器3以及煤矿安全生产调度服务器4接收语音、定位位置、视频以及环境监测结果等数据信息；另一方面，所述移动应急指挥机13也可经由所述无线网络交换系统所组成的无线网络从感知层的各个组成部分中直接获取所需要的数据信息。所述移动应急指挥机13整合所接收到的各种数据信息并加以分析，从而发出应急调度，所述应急调度可经由所述网络中心交换机系统6以及无线网络交换系统发送至应用层的其它各个服务器中，并由各个服务器再向所述感知层的各个组成部分发出应急调度指令，也可直接通过无线网络向所述感知层的各个组成部分发出应急调度指令。在一个实施方式中，当所述移动应急指挥机13的接收到的井下甲烷(CH4)浓度数据超过了设定的预报警值，则所述移动应急指挥机13启动相应的紧急处理预案，例如，通过所述语音服务器1向井下的手机发出语音报警指令，命令井下工作人员紧急逃生并指明逃生路线。所述应急指挥服务器5可无线接入移动4G、互联网，实现远程通讯。
井下、地面上所有的无线智能终端通过无线网络协议在全无线通讯网络交换系统中漫游，访问整个网络资源,并表现出全面感知、无缝互联、高度智能。井下无线智能终端均采用本安型、防爆型技术标准，符合矿用国家安标认证要求，适合矿井使用。
本发明基于物联网技术及WIFI无线通讯系统，采用当前最先进的IEEE802.11n/IEEE802.11ac无线标准，和MESH无线通讯系统设计，结合IPPBX交换机、视频监控、智能集成传感器、矿井GIS电子地图信息、煤矿安全生产调度服务器、应急救援指挥服务器、网络中心交换机，及无线网络系统交换系统和各类智能终端设备等。本无线通讯网络系统采用全无线通讯技术，不再依托煤矿有线环网，彻底摆脱有线的束缚。全无线网络是一种由大量随机分布的、具有实时感知和自组织能力的传感器节点组成的网状(MESH)智能网络，综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，具有低耗自组、泛在协同、异构互连的特点。在功能上不仅可以实现支持无线语音通信、人员、车辆、要害场所、资产精确定位，同时可接入无线视频监控、传感器感知信息数据无线传输等功能。实现将无处不在的末端设备和设施，包括具备“内在智能”的传感器、移动终端、工业系统、视频监控系统等、及如贴上RFID的各种资产、携带无线终端的个人与车辆等等“智能化物件”，通过Mesh WLAN无线网络系统交换通讯系统接入移动4G、互联网，实现互联互通、应用高集成。在内网、专网、或互联网环境下，采用适当的信息安全保障机制，提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、定位追溯、报警联动、调度指挥、预案管理、远程控制、安全防范、远程维保、在线升级、统计报表、决策支持、领导桌面等管理和服务功能，实现对矿山安全生产信息化“人员、车辆、要害场所、资产等物”的“安全、高效、节能、环保”的“管、控、营”一体化。
所述WIFI无线MESH工作方式，即无线网状网(MESH)技术是面向基于IP接入的新型无线移动通信技术，适合于区域环境覆盖和宽带高速无线接入。无线Mesh网络基于呈网状分布的众多无线接入点间的相互合作和协同，具有宽带高速和高频谱效率的优势，具有动态自组织、自配置、自维护等突出特点。
在实际应用中，Mesh WLAN网络要比单跳网络更加稳定,这是因为在数据通信中,网络性能的发挥并不是仅依靠某个节点.在传统的单跳无线网络中,如果固定的AP(网络交换基站)发生故障,那么该网络中所有的无线设备都不能进行通信.而在Mesh网络中,如果某个节点的AP发生故障,它可以重新再选择一个AP进行通信,数据仍然可以高速地到达目的地。从物理角度而言,无线通信意味着通信距离越短,通信的效果会越好.因为随着通信距离的增长,无线信号不但会衰弱而且会相互干扰,从而降低数据通信的效率。而在Mesh网络中,是以一条条较短的无线网络连接代替以往长距离的连接,从而保证数据可以以高速率在节点之间快速传递。Mesh技术可以使WLAN的安装部署、网络扩容更加方便，许多厂家都推出了功能丰富的Mesh产品,从而使部署大规模运营级无线城域网成为可能。
国内煤矿井下环境较恶劣复杂,有线技术通信网络经常受到诸如塌方,及发生事故时线缆被损坏折断，造成通讯网络瘫患失效等问题的困扰。在实施的本技术方案中，由于采用了MESH技术,井下各通信基站之间可利用MESH技术特有的网络自愈功能保障正常通信，此举同时也为解决矿井发生灾变时应急救援指挥通讯提供了一个可靠的通信系统。
Claims (13)
1.一种基于物联网技术的矿用无线网络通讯平台，其特征在于，所述无线网络通讯平台包括应用层、传输层以及感知层，其中：
所述应用层包括：语音服务器(1)、定位服务器(2)、视频监控管理服务器(3)、煤矿安全生产调度服务器(4)、应急指挥服务器(5)以及网络中心交换机系统(6)；所述语音服务器(1)、定位服务器(2)、视频监控管理服务器(3)、煤矿安全生产调度服务器(4)以及应急指挥服务器(5)分别通过网线与所述网络中心交换机系统(6)相连接，所述应用层的各个服务器(1、2、3、4、5)之间通过所述网络中心交换机系统(6)实现数据信息的交互；
所述传输层包括无线网络交换系统，所述无线网络交换系统通过网线被接入到由所述网络中心交换机系统(6)所组成的局域网中，该无线网络交换系统包括井下无线网络交换系统(8’)以及地面无线网络交换系统(8”)，其中，所述井下无线网络交换系统(8’)是由安装在井下的多个无线互联的无线MESH矿用通讯基站组成的，所述地面无线网络交换系统(8”)是由安装在地面上的多个无线互联的无线MESH矿用通讯基站组成的，用于实现所述应用层与所述感知层之间的数据信息的无线交换；所述井下无线网络交换系统(8’)以及地面无线网络交换系统(8”)分别与所述应用层中的网络中心交换机系统(6)相连接；
所述感知层包括分别配置在井下或地面上的多个智能终端，所述传输层中的井下无线网络交换系统(8’)以及所述地面无线网络交换系统(8”)分别与所述多个智能终端无线互连。
2.如权利要求1所述的矿用无线网络通讯平台，其特征在于，所述智能终端包括分别配置在井下或地面上的手机(9)、网络摄像机(10)、识别卡(11)、传感器(12)以及配置在地面上的移动应急指挥机(13)。
3.如权利要求1所述的矿用无线网络通讯平台，其特征在于，所述语音服务器(1)包含IPPBX语音交换调度服务器与矿用、IP电话以及矿用WIFI手机系统，其中IPPBX为语音交换网关，用于IP电话、WIFI手机之间及与其它公用电话、手机电话之间的语音交换。
4.如权利要求1所述的矿用无线网络通讯平台，其特征在于，所述定位服务器(2)通过地理信息系统(GIS)监控系统软件显示整个矿区地图，并对从井下人员、车辆等配带的识别卡(11)处回传的数据进行分析，并将分析结果显示在整个矿区地图的相应位置上。
5.如权利要求1所述的矿用无线网络通讯平台，其特征在于，所述视频监控管理服务器(3)进一步地包括有视频监控管理中心、视频存储器以及大屏幕监视系统；用于存储、管理、播放由所述网络摄像机(10)所拍摄的前端视频，所述视频通过大屏幕监视系统得以放大显示。
6.如权利要求5所述的矿用无线网络通讯平台，其特征在于，所述视频存储器分为多个不同的存储单元，分别用于存储由不同的网络摄像机(10)所拍摄的前端视频影像。
7.如权利要求1所述的矿用无线网络通讯平台，其特征在于，所述煤矿安全生产调度服务器(4)用于通过设置于煤矿地面或井下的所述网络摄像机(10)以及传感器(12)对煤矿地面或井下的多种环境指标进行监测或监控，并将监测或监控到的数据或影像通过无线网络传送给所述无线网络交换系统，再经由所述中心交换机系统(6)送至所述煤矿安全生产调度服务器(4)。
8.如权利要求7所述的矿用无线网络通讯平台，其特征在于，所述煤矿安全生产调度服务器(4)通过所述网络中心交换机系统(6)与所述应急指挥服务器(5)连接，当所述煤矿安全生产调度服务器(4)监控或检测到了异常信息时则通过所述网络中心交换机系统(6)将所监控或检测到的异常信息发送给应急指挥服务器(5)。
9.如权利要求7所述的矿用无线网络通讯平台，其特征在于，所述煤矿安全生产调度服务器(4)直接通过所述中心交换机系统(6)与所述视频监控管理服务器(3)连接，并从所述视频监控管理服务器(3)中直接调取实时影像资料。
10.如权利要求6所述的矿用无线网络通讯平台，其特征在于，所述应急指挥服务器(5)经由所述网络中心交换机系统(6)接收来自于所述应用层中其它各服务器的数据信息，或经由所述无线网络交换系统以及网络中心交换机系统(6)从感知层的各个组成部分中直接获取所需要的数据信息；再对所接收到的各种数据信息整合分析，从而给出相应的应急指令；再经由所述网络中心交换机系统(6)向应用层的其它各个服务器发送该应急指令，或通过所述无线网络交换系统以及网络中心交换机系统(6)直接向所述感知层的各个组成部分发出应急调度指令。
11.如权利要求1所述的矿用无线网络通讯平台，其特征在于，所述网络中心交换机系统(6)通过网络出口(7)接入公网。
12.如权利要求1所述的矿用无线网络通讯平台，其特征在于，组成所述地面无线网络交换系统(8”)的多个无线MESH矿用通讯基站中的每一个基站和与其相邻的多个无线MESH矿用通讯基站无线互连，并与配置在地面上的多个智能终端无线互连。
13.如权利要求1所述的矿用无线网络通讯平台，其特征在于，所述井下无线网络交换系统(8’)由多个防爆无线MESH矿用通讯基站组成；所述网络中心交换机(6)与设置于入井口的第一台防爆无线MESH矿用通讯基站无线互连，其它的多个防爆无线MESH矿用通讯基站沿井下巷道一字排开，和与其相邻的两个防爆无线MESH矿用通讯基站无线互连，同时与配置在井下的多个智能终端无线互连。
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