矿井下的无线通信和无线传感器的使用

2022-09-21 16:46:21 来源:写作指导

摘要:通过研究进而掌握电磁波在井下的传输特性,对开发、设计矿井无线通信系统具有重要的意义。现综合华洋通信参与实际设计、研发经验,谈谈矿井下无线通讯及无线传感器的一些要点和需要考虑的一些问题。

关键词:矿井;无线通讯;LORA;LORAWAN

1无线通信知识

1.1ISM频段的定义

ISM(IndustrialScientificMedical)即工业、科学、医学,它是由国际通信联盟无线电通信局(ITU-R)定义的。从名称上我们就很明显的看出来,ISM频段就是在ITU-R统一协调下,各国均挪出某一段频段主要开放给工业、科学和医学机构使用的频段。应用这些频段即不需要政府无线管理机构的许可证也不需要频谱占用费用。它只需要遵守发射功率限制(一般低于1W),并且不要对其它频段造成干扰即可。

1.2ISM频段有那些资源

ISM频段在各国的规定并不统一。现根据查阅国家的无线电管理条例,经确认在国内以下频段是政府开放的ISM频段。可以在满足国家限制要求的前提下自由使用。

1.3可选无线选项

(1)RF射频技术

射频(RF)是RadioFrequency的缩写,表示可以辐射到空间的电磁频率。覆盖的频率范围从300kHz到300GHz。常见的无线电通讯基本都位于射频频段,但是通常用来专指国家开放使用的ISM频段,即315MHZ频段及433频段。

(2)Lora技术

Lora是Semtech(山特)公司为其公司的一种无线技术取的一个名字,其含义是LongRange。它使用的是线性调频技术,既能保持FSK调制技术的低功耗,又明显增加了传输距离。FSK调制技术使其即使在相同频率下传输,也可以通过使用不同扩频因子(扩频序列),来避免设备相互之间的干扰,这样可以极大的提高网络效率以及抗干扰能力。在此之前,这种无线调制技术主要在雷达及空间通信上大展拳脚。实现的成本较高。Semtech(山特)将技术改进后,大幅降低了成本并在民用范围内大规模应用。它又可以分为直接利用LORA的物理层协议搭建的点对点网络和利用基于MAC层协议的LoRaWAN(广域网)两个分类型。

(3)WIFI技术

Wi-Fi是一种由Wi-Fi联盟所规范的,符合IEEE802.11标准的无线网络。它可以将个人电脑(如PC,NETBPOOK等)、手持设备(如pad、手机等)等终端以无线方式互相连接的技术。

(4)Zigbee技术

也称紫蜂。它是一种底层是采用IEEE802.15.4标准规范的低速短距离传输的无线网上协议。是一项新型的无线通信技术。它适用于传输范围短、数据传输速率低的一些电子元器件设备之间进行通讯。它还可应用于小范围的基于无线通信的控制及自动化等领域,可省去中间的计算机设备、有线电缆及路由设备,实现多种不同数字设备相互间的无线组网,并使它们相互通信或者接入因特网。

(5)NB-IOT技术

窄带物联网(NarrowBandInternetofThings,NB-IoT)是3GPP组织于2016年6月在Release13标准中正式制定的标准并发展起来的一款基于峰窝网络的无线网络技术,它已经成为万物互联网络的一个重要分支。它可以独立布署,可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络,以降低部署成本。

(6)bluetooth蓝牙技术

蓝牙(Bluetooth)是由东芝、爱立信、IBM、Intel和诺基亚于1998年5月共同提出的一种无线数据和语音通讯开放而形成的一种近距离无线数字通信的全球规范。它设计主要是基于为固定和移动设备建立方便、廉价的近距离无线通讯连接。

2井下无线传感器技术选择

2.1井下情况分析

煤矿井下自然条件较差,地形复杂。井下的巷道空间狭小,巷道内多有拐角、分支。而且还存在爆炸性气体以及大量的工业干扰。综合以上因素可知,井下进行无线通讯会存在传输损耗大、干扰大、环境恶劣等影响正常通讯的因素。选择一个适合的频段及技术就显得尤为重要。如果矿井下无线通讯系统选择的频段过低,因井下低频段的干扰较多,从而导致受到的干扰更强烈。同时,因此工作频率低,这就必然导致发射机端功率偏大,天线体积大;低频段同时还存在着信道容量小、误码率高的缺点。它只具备电磁波能量低,绕射能力强、传输距离远的优点。如果选择的频率过高,又存在绕射能力差,对接收机要求增加,电磁波能量相对更高影响安全等。但它存在着传输速率高、通讯跨度大、通讯通道大、便于组网的优势。综合以上因素,我们权衡利弊,折中考虑,最终选择了无线通信的工作频率在UHF(UltraHighFre⁃quency)频段,即300-3000MHz之间。它既可以保证煤矿井下的无线通讯有效、畅通,又保障了传输的距离和绕射能力。是一个各因素均衡取舍的较有利选择。

2.2矿井下常用的传感器类型

(1)甲烷(瓦斯)传感器(2)一氧化碳传感器(3)风速传感器及风压传感器(4)温度传感器(5)设备运行传感器(6)液位传感器

2.3传感选择的无线技术及理由

综合以上分析,可以得出结论:(1)当无线传感器的数量较大时,采用lorawan无疑是较优的方案。它同时满足了较远传输距离和方便的管理等优势。同时它的抗干扰能力、低功耗等方面都有较好的表现。但是总体系统复杂度较高,时延也较为不理想。(2)当无线传感器的数量在较小的范围内时(1~20的样子),采用lora点对点无疑更能体现其优势。它可以提供毫秒级的传输延时,且传输距离、抗干扰能力等都与lorawan模式相同,只需要在接收端对多传感器传过来的数据进行碰撞处理即可。(3)当井下覆盖了WIFI,且对功耗要求不太严格的情况下,使用WIFI模式也是方便可行的方案。其传输速度以辗压式的优势远胜其它方式。

作者:赵长伟 刘威 马平 单位:华洋通信科技股份有限公司