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煤礦行業(yè)中的物聯(lián)網系統(tǒng)技術

來源：互聯(lián)網 發(fā)布時間：2010/11/08
　    國外利用無線通信和計算機技術開展煤礦礦井管理的起步較早。1990年8月，美國安菲斯公司研發(fā)的一套可實現(xiàn)超低頻信號穿透巖層進行傳輸?shù)臒o線急救通訊系統(tǒng)(PED，即Personal Emergency Device系統(tǒng))在悉尼附近的一所煤礦投入使用。上世紀90年代，隨著RFID(射頻識別)技術的興起，國外加快了這一領域的發(fā)展，并成功地將其應用到了井下人員定位監(jiān)控系統(tǒng)中。除礦井人員管理之外，國外煤礦瓦斯監(jiān)測技術發(fā)展時間也比國內長，發(fā)達國家的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)普遍可實現(xiàn)多參數(shù)連續(xù)測控，系統(tǒng)智能程度高，傳感器質量可靠，使用壽命長，系統(tǒng)的可靠性高，反映速度快。
     國內現(xiàn)有的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)主要以聯(lián)網監(jiān)測為主體，其主要由監(jiān)測終端、監(jiān)控中心站、通訊接口裝置、井下分站、傳感器組成，主要方式是在礦井下固定的地方安裝各種監(jiān)測傳感器，再通過長電纜將采集到的數(shù)據傳到地上的監(jiān)控中心站。但是這樣的系統(tǒng)存在布線難度大、環(huán)境適應性低、維護成本高等問題。目前，將RFID、Zigbee等物聯(lián)網技術應用于煤礦安全管理中已成為新的關注熱點，其主要研究內容如下：
 　　1、煤礦RFID頻段的選擇
 　　目前通常將射頻識別標簽的工作頻率從高到低分為三類：低頻段射頻標簽(30 KHz-300 KHz)，中高頻段射頻標簽(3 MHz-30 MHz)和超高頻與微波標簽(典型433 MHz，2.45 GHz，5.8 GHz)。
 　　國內有學者結合不同頻率的無線電波在煤礦井下巷道中的傳輸特性，對30 多家企業(yè)生產的人員定位系統(tǒng)中的射頻收發(fā)系統(tǒng)進行了歸類比較，得出2.4 GHz的中心頻率在抗衰減、提高速率、可用信道、傳輸距離等方面更容易滿足煤礦安全的需要，并在此基礎上研制了基于2.4GHz的射頻收發(fā)系統(tǒng)。
 　　在2008年多媒體和信息技術國際會議上有學者發(fā)表了一篇煤礦物聯(lián)網系統(tǒng)的論文。該系統(tǒng)由發(fā)射器和接受器組成。礦工帶有發(fā)射機，一旦事故發(fā)生，救援使用接收器來同UHF頻段的發(fā)射機溝通，通過觀察接收到的信號水平來判斷方向。這個無線電模塊采用內置低噪聲放大器，數(shù)字濾波器，匹配網絡，RSSI 和DDS+PLL頻率合成技術。這個系統(tǒng)使用433 MHz工作頻率，以提高滲透性，高衍射性和長距離識別。
 　　此外，美國國家標準和技術研究院無線通信技術小組的Michael R. Souryal等人研究了一個多跳網絡的自動部署的可行性。部署過程建議采用實時測量鏈路，并考慮移動多徑衰落環(huán)境以及無線電物理層的特點。原型系統(tǒng)是基于900 MHz TinyOS支持低速率數(shù)據的應用。
 　　2、基于RFID的礦工身份識別定位和環(huán)境監(jiān)測
 　　由于煤炭行業(yè)生產環(huán)境的特殊性，監(jiān)管系統(tǒng)就需要應對并監(jiān)測井下的惡劣環(huán)境。有文獻介紹了基于RFID技術設計的煤礦安全智能化監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實時檢測井中甲烷等有害氣體的濃度，對攜帶RFID的井下工作人員和重要設備進行自動位置檢測、身份識別和信息管理。系統(tǒng)使用總線型拓撲結構的網絡進行數(shù)據的采集和傳送，并利用監(jiān)管中心的遠端PC實現(xiàn)顯示及存儲等功能，適用于各類環(huán)境下煤礦的安全管理。
 　　另外，基于GIS和RFID的煤礦井下人員跟蹤定位與監(jiān)控系統(tǒng)能夠很好的解決井下人員的實時定位與監(jiān)控管理等問題，為井下救援與管理帶來極大方便，從而使我國的煤礦安全生產與事故救護更加規(guī)范與科學。有不少學者提出的RFID井下人員定位系統(tǒng)，利用地理信息系統(tǒng)提供一個電子地圖可視化窗口，以協(xié)助定位系統(tǒng)就工人的位置更方便的管理。
 　　在煤炭行業(yè)RFID標簽與傳感器接口規(guī)范與標準方面，目前常用的RFID國際標準主要只有用于動物識別的ISO11784和ISO11785，用于非接觸只能卡的ISO10536(Close coupled cards)、ISO15693(Vicinity cards)、ISO14443(Proximity cards)，用于集裝箱識別的ISO10374等，尚無煤炭行業(yè)RFID的標準。
 　　3、基于Zigbee的煤礦無線傳感網
 　　Zigbee是基于IEEE802.15.4協(xié)議的全球性通信標準，根據這個協(xié)議規(guī)定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術，能夠解決當前煤礦安全管理系統(tǒng)中存在的問題，具有一定的市場前景。
 　　目前，有不少研究基于Zigbee技術的無線傳感網絡與光纖通信網相結合的煤礦安全監(jiān)測及人員定位的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)實現(xiàn)了井上人員實時監(jiān)測井下區(qū)域的瓦斯?jié)舛龋崟r跟蹤定位井下人員，方便工作人員有效地管理礦井的安全工作。
 　　4、UWB技術應用于礦井無線通信系統(tǒng)
 　　根據美國FCC對超寬帶(UWB，Ultra Wide Band)的定義，UWB是指相對帶寬(信號帶寬與中心頻率之比)大于20%或絕對帶寬大于500 MHz。UWB極寬的頻譜和極低的發(fā)射功率，使UWB系統(tǒng)具有數(shù)據速率高、系統(tǒng)相對簡單、成本和功耗低等優(yōu)點，特別是無載波UWB通信方式更使系統(tǒng)的成本和功耗進一步降低。
 　　UWB技術的這些特點非常適用于礦井通信。在礦井中，由于頻譜的使用沒有嚴格的限制，對數(shù)據速率的要求也不很高，可以利用超寬帶信號頻帶寬的特點來換取傳輸距離。又由于功耗低，所以非常利于“本安型”電路的設計。
 　　UWB技術帶來了一種全新的通信理念，將它用于煤礦井下無線通信系統(tǒng)更是一種新的探索。UWB技術所具有的低功耗、高數(shù)據率、抗多徑能力強、系統(tǒng)復雜性低等特點，能夠很好地對礦井進行實時監(jiān)測，尤其在水災、火災、塌方等惡性事故救生搶險中能起到至關重要作用。隨著 UWB技術的不斷成熟，在煤礦井下的應用將具有很大的發(fā)展前景。
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