礦井下的無線通信及無線傳感器的使用

趙長偉 劉威 馬平

（華洋通信科技股份有限公司，江蘇徐州 221116）

1 無線通信知識

1.1 ISM頻段的定義

ISM（Industrial Scientific Medical）即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)，它是由國際通信聯(lián)盟無線電通信局（ITU-R）定義的。從名稱上我們就很明顯的看出來，ISM頻段就是在ITU-R 統(tǒng)一協(xié)調(diào)下，各國均挪出某一段頻段主要開放給工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)機(jī)構(gòu)使用的頻段。應(yīng)用這些頻段即不需要政府無線管理機(jī)構(gòu)的許可證也不需要頻譜占用費(fèi)用。它只需要遵守發(fā)射功率限制（一般低于1W），并且不要對其它頻段造成干擾即可。

1.2 ISM頻段有那些資源

ISM 頻段在各國的規(guī)定并不統(tǒng)一?，F(xiàn)根據(jù)查閱國家的無線電管理?xiàng)l例，經(jīng)確認(rèn)在國內(nèi)以下頻段是政府開放的ISM 頻段?？梢栽跐M足國家限制要求的前提下自由使用。

表1

1.3 可選無線選項(xiàng)

（1）RF射頻技術(shù)

射頻（RF）是Radio Frequency 的縮寫，表示可以輻射到空間的電磁頻率。覆蓋的頻率范圍從300kHz到300GHz。常見的無線電通訊基本都位于射頻頻段，但是通常用來專指國家開放使用的ISM 頻段，即315MHZ頻段及433頻段。

（2）Lora技術(shù)

Lora 是Semtech（山特）公司為其公司的一種無線技術(shù)取的一個名字，其含義是Long Range。它使用的是線性調(diào)頻技術(shù)，既能保持FSK 調(diào)制技術(shù)的低功耗，又明顯增加了傳輸距離。FSK 調(diào)制技術(shù)使其即使在相同頻率下傳輸，也可以通過使用不同擴(kuò)頻因子（擴(kuò)頻序列），來避免設(shè)備相互之間的干擾，這樣可以極大的提高網(wǎng)絡(luò)效率以及抗干擾能力。在此之前，這種無線調(diào)制技術(shù)主要在雷達(dá)及空間通信上大展拳腳。實(shí)現(xiàn)的成本較高。Semtech（山特）將技術(shù)改進(jìn)后，大幅降低了成本并在民用范圍內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用。它又可以分為直接利用LORA 的物理層協(xié)議搭建的點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)和利用基于MAC層協(xié)議的LoRaWAN（廣域網(wǎng)）兩個分類型。

（3）WIFI技術(shù)

Wi-Fi 是一種由Wi-Fi 聯(lián)盟所規(guī)范的，符合IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)。它可以將個人電腦（如PC，NETBPOOK 等）、手持設(shè)備（如pad、手機(jī)等）等終端以無線方式互相連接的技術(shù)。

（4）Zigbee技術(shù)

也稱紫蜂。它是一種底層是采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)上協(xié)議。是一項(xiàng)新型的無線通信技術(shù)。它適用于傳輸范圍短、數(shù)據(jù)傳輸速率低的一些電子元器件設(shè)備之間進(jìn)行通訊。它還可應(yīng)用于小范圍的基于無線通信的控制及自動化等領(lǐng)域，可省去中間的計(jì)算機(jī)設(shè)備、有線電纜及路由設(shè)備，實(shí)現(xiàn)多種不同數(shù)字設(shè)備相互間的無線組網(wǎng)，并使它們相互通信或者接入因特網(wǎng)。

（5）NB-IOT技術(shù)

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NBIoT）是3GPP 組織于2016 年6 月在Release13 標(biāo)準(zhǔn)中正式制定的標(biāo)準(zhǔn)并發(fā)展起來的一款基于峰窩網(wǎng)絡(luò)的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它已經(jīng)成為萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個重要分支。它可以獨(dú)立布署，可直接部署于GSM 網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本。

（6）bluetooth藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙（Bluetooth）是由東芝、愛立信、IBM、Intel 和諾基亞于1998 年5 月共同提出的一種無線數(shù)據(jù)和語音通訊開放而形成的一種近距離無線數(shù)字通信的全球規(guī)范。它設(shè)計(jì)主要是基于為固定和移動設(shè)備建立方便、廉價的近距離無線通訊連接。

2 井下無線傳感器技術(shù)選擇

2.1 井下情況分析

煤礦井下自然條件較差，地形復(fù)雜。井下的巷道空間狹小，巷道內(nèi)多有拐角、分支。而且還存在爆炸性氣體以及大量的工業(yè)干擾。綜合以上因素可知，井下進(jìn)行無線通訊會存在傳輸損耗大、干擾大、環(huán)境惡劣等影響正常通訊的因素。選擇一個適合的頻段及技術(shù)就顯得尤為重要。

如果礦井下無線通訊系統(tǒng)選擇的頻段過低，因井下低頻段的干擾較多，從而導(dǎo)致受到的干擾更強(qiáng)烈。同時，因此工作頻率低，這就必然導(dǎo)致發(fā)射機(jī)端功率偏大，天線體積大；低頻段同時還存在著信道容量小、誤碼率高的缺點(diǎn)。它只具備電磁波能量低，繞射能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)。

如果選擇的頻率過高，又存在繞射能力差，對接收機(jī)要求增加，電磁波能量相對更高影響安全等。但它存在著傳輸速率高、通訊跨度大、通訊通道大、便于組網(wǎng)的優(yōu)勢。

綜合以上因素，我們權(quán)衡利弊，折中考慮，最終選擇了無線通信的工作頻率在UHF（Ultra High Fre?quency）頻段，即300-3000MHz 之間。它既可以保證煤礦井下的無線通訊有效、暢通，又保障了傳輸?shù)木嚯x和繞射能力。是一個各因素均衡取舍的較有利選擇。

2.2 礦井下常用的傳感器類型

（1）甲烷（瓦斯）傳感器

（2）一氧化碳傳感器

（3）風(fēng)速傳感器及風(fēng)壓傳感器

（4）溫度傳感器

（5）設(shè)備運(yùn)行傳感器

（6）液位傳感器

2.3 傳感選擇的無線技術(shù)及理由

綜合以上分析，可以得出結(jié)論：

（1）當(dāng)無線傳感器的數(shù)量較大時，采用lorawan無疑是較優(yōu)的方案。它同時滿足了較遠(yuǎn)傳輸距離和方便的管理等優(yōu)勢。同時它的抗干擾能力、低功耗等方面都有較好的表現(xiàn)。但是總體系統(tǒng)復(fù)雜度較高，時延也較為不理想。

（2）當(dāng)無線傳感器的數(shù)量在較小的范圍內(nèi)時（1～20 的樣子），采用lora 點(diǎn)對點(diǎn)無疑更能體現(xiàn)其優(yōu)勢。它可以提供毫秒級的傳輸延時，且傳輸距離、抗干擾能力等都與lorawan 模式相同，只需要在接收端對多傳感器傳過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行碰撞處理即可。

（3）當(dāng)井下覆蓋了WIFI，且對功耗要求不太嚴(yán)格的情況下，使用WIFI 模式也是方便可行的方案。其傳輸速度以輾壓式的優(yōu)勢遠(yuǎn)勝其它方式。