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煤礦行業(yè)中的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)

來源：互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)布時(shí)間：2010/11/08
　    國(guó)外利用無線通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)開展煤礦礦井管理的起步較早。1990年8月，美國(guó)安菲斯公司研發(fā)的一套可實(shí)現(xiàn)超低頻信號(hào)穿透巖層進(jìn)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(jì)90年代，隨著RFID(射頻識(shí)別)技術(shù)的興起，國(guó)外加快了這一領(lǐng)域的發(fā)展，并成功地將其應(yīng)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(guó)外煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展時(shí)間也比國(guó)內(nèi)長(zhǎng)，發(fā)達(dá)國(guó)家的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)普遍可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)連續(xù)測(cè)控，系統(tǒng)智能程度高，傳感器質(zhì)量可靠，使用壽命長(zhǎng)，系統(tǒng)的可靠性高，反映速度快。
     國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)主要以聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)為主體，其主要由監(jiān)測(cè)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(cè)傳感器，再通過長(zhǎng)電纜將采集到的數(shù)據(jù)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(yīng)性低、維護(hù)成本高等問題。目前，將RFID、Zigbee等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于煤礦安全管理中已成為新的關(guān)注熱點(diǎn)，其主要研究?jī)?nèi)容如下：
 　　1、煤礦RFID頻段的選擇
 　　目前通常將射頻識(shí)別標(biāo)簽的工作頻率從高到低分為三類：低頻段射頻標(biāo)簽(30 KHz-300 KHz)，中高頻段射頻標(biāo)簽(3 MHz-30 MHz)和超高頻與微波標(biāo)簽(典型433 MHz，2.45 GHz，5.8 GHz)。
 　　國(guó)內(nèi)有學(xué)者結(jié)合不同頻率的無線電波在煤礦井下巷道中的傳輸特性，對(duì)30 多家企業(yè)生產(chǎn)的人員定位系統(tǒng)中的射頻收發(fā)系統(tǒng)進(jìn)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(chǔ)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(shù)國(guó)際會(huì)議上有學(xué)者發(fā)表了一篇煤礦物聯(lián)網(wǎng)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(jī)，一旦事故發(fā)生，救援使用接收器來同UHF頻段的發(fā)射機(jī)溝通，通過觀察接收到的信號(hào)水平來判斷方向。這個(gè)無線電模塊采用內(nèi)置低噪聲放大器，數(shù)字濾波器，匹配網(wǎng)絡(luò)，RSSI 和DDS+PLL頻率合成技術(shù)。這個(gè)系統(tǒng)使用433 MHz工作頻率，以提高滲透性，高衍射性和長(zhǎng)距離識(shí)別。
 　　此外，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院無線通信技術(shù)小組的Michael R. Souryal等人研究了一個(gè)多跳網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)部署的可行性。部署過程建議采用實(shí)時(shí)測(cè)量鏈路，并考慮移動(dòng)多徑衰落環(huán)境以及無線電物理層的特點(diǎn)。原型系統(tǒng)是基于900 MHz TinyOS支持低速率數(shù)據(jù)的應(yīng)用。
 　　2、基于RFID的礦工身份識(shí)別定位和環(huán)境監(jiān)測(cè)
 　　由于煤炭行業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的特殊性，監(jiān)管系統(tǒng)就需要應(yīng)對(duì)并監(jiān)測(cè)井下的惡劣環(huán)境。有文獻(xiàn)介紹了基于RFID技術(shù)設(shè)計(jì)的煤礦安全智能化監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)井中甲烷等有害氣體的濃度，對(duì)攜帶RFID的井下工作人員和重要設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)位置檢測(cè)、身份識(shí)別和信息管理。系統(tǒng)使用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳送，并利用監(jiān)管中心的遠(yuǎn)端PC實(shí)現(xiàn)顯示及存儲(chǔ)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(shí)時(shí)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(guó)的煤礦安全生產(chǎn)與事故救護(hù)更加規(guī)范與科學(xué)。有不少學(xué)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(gè)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(biāo)簽與傳感器接口規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)方面，目前常用的RFID國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)主要只有用于動(dòng)物識(shí)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(shí)別的ISO10374等，尚無煤炭行業(yè)RFID的標(biāo)準(zhǔn)。
 　　3、基于Zigbee的煤礦無線傳感網(wǎng)
 　　Zigbee是基于IEEE802.15.4協(xié)議的全球性通信標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，能夠解決當(dāng)前煤礦安全管理系統(tǒng)中存在的問題，具有一定的市場(chǎng)前景。
 　　目前，有不少研究基于Zigbee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)與光纖通信網(wǎng)相結(jié)合的煤礦安全監(jiān)測(cè)及人員定位的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了井上人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下區(qū)域的瓦斯?jié)舛?，并?shí)時(shí)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(shù)應(yīng)用于礦井無線通信系統(tǒng)
 　　根據(jù)美國(guó)FCC對(duì)超寬帶(UWB，Ultra Wide Band)的定義，UWB是指相對(duì)帶寬(信號(hào)帶寬與中心頻率之比)大于20%或絕對(duì)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(jù)速率高、系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單、成本和功耗低等優(yōu)點(diǎn)，特別是無載波UWB通信方式更使系統(tǒng)的成本和功耗進(jìn)一步降低。
 　　UWB技術(shù)的這些特點(diǎn)非常適用于礦井通信。在礦井中，由于頻譜的使用沒有嚴(yán)格的限制，對(duì)數(shù)據(jù)速率的要求也不很高，可以利用超寬帶信號(hào)頻帶寬的特點(diǎn)來?yè)Q取傳輸距離。又由于功耗低，所以非常利于“本安型”電路的設(shè)計(jì)。
 　　UWB技術(shù)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(shù)所具有的低功耗、高數(shù)據(jù)率、抗多徑能力強(qiáng)、系統(tǒng)復(fù)雜性低等特點(diǎn)，能夠很好地對(duì)礦井進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，尤其在水災(zāi)、火災(zāi)、塌方等惡性事故救生搶險(xiǎn)中能起到至關(guān)重要作用。隨著 UWB技術(shù)的不斷成熟，在煤礦井下的應(yīng)用將具有很大的發(fā)展前景。
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