煤矿行业物联网系统技术

　　国外利用无线通信和计算机技术开展煤矿矿井管理的起步较早。1990年8月，美国安菲斯公司研发的一套可实现超低频信号穿透岩层进行传输的无线急救通讯系统（PED，即Personal Emergency Device系统）在悉尼附近的一所煤矿投入使用。上世纪90年代，随着RFID（射频识别）技术的兴起，国外加快了这一领域的发展，并成功地将其应用到了井下人员定位监控系统中。除矿井人员管理之外，国外煤矿瓦斯监测技术发展时间也比国内长，发达国家的煤矿监控系统普遍可实现多参数连续测控，系统智能程度高，传感器质量可靠，使用寿命长，系统的可靠性高，反映速度快。而国内现有的煤矿安全监控系统主要以联网监测为主体，其主要由监测终端、监控中心站、通讯接口装置、井下分站、传感器组成，主要方式是在矿井下固定的地方安装各种监测传感器，再通过长电缆将采集到的数据传到地上的监控中心站。但是这样的系统存在布线难度大、环境适应性低、维护成本高等问题。目前，将RFID、Zigbee等物联网技术应用于煤矿安全管理中已成为新的关注热点，其主要研究内容如下：

　　1、煤矿RFID频段的选择

　　目前通常将射频识别标签的工作频率从高到低分为三类：低频段射频标签（30 KHz-300 KHz），中高频段射频标签（3 MHz-30 MHz）和超高频与微波标签（典型433 MHz，2.45 GHz，5.8 GHz）。

　　国内有学者结合不同频率的无线电波在煤矿井下巷道中的传输特性，对30 多家企业生产的人员定位系统中的射频收发系统进行了归类比较，得出2.4 GHz的中心频率在抗衰减、提高速率、可用信道、传输距离等方面更容易满足煤矿安全的需要，并在此基础上研制了基于2.4GHz的射频收发系统。

　　在2008年多媒体和信息技术国际会议上有学者发表了一篇煤矿物联网系统的论文。该系统由发射器和接受器组成。矿工带有发射机，一旦事故发生，救援使用接收器来同UHF频段的发射机沟通，通过观察接收到的信号水平来判断方向。这个无线电模块采用内置低噪声放大器，数字滤波器，匹配网络，RSSI 和DDS+PLL频率合成技术。这个系统使用433 MHz工作频率，以提高渗透性，高衍射性和长距离识别。

　　此外，美国国家标准和技术研究院无线通信技术小组的Michael R. Souryal等人研究了一个多跳网络的自动部署的可行性。部署过程建议采用实时测量链路，并考虑移动多径衰落环境以及无线电物理层的特点。原型系统是基于900 MHz TinyOS支持低速率数据的应用。

　　2、基于RFID的矿工身份识别定位和环境监测

　　由于煤炭行业生产环境的特殊性，监管系统就需要应对并监测井下的恶劣环境。有文献介绍了基于RFID技术设计的煤矿安全智能化监控系统。该系统可以实时检测井中甲烷等有害气体的浓度，对携带RFID的井下工作人员和重要设备进行自动位置检测、身份识别和信息管理。系统使用总线型拓扑结构的网络进行数据的采集和传送，并利用监管中心的远端PC实现显示及存储等功能，适用于各类环境下煤矿的安全管理。

　　另外，基于GIS和RFID的煤矿井下人员跟踪定位与监控系统能够很好的解决井下人员的实时定位与监控管理等问题，为井下救援与管理带来极大方便，从而使我国的煤矿安全生产与事故救护更加规范与科学。有不少学者提出的RFID井下人员定位系统，利用地理信息系统提供一个电子地图可视化窗口，以协助定位系统就工人的位置更方便的管理。

　　在煤炭行业RFID标签与传感器接口规范与标准方面，目前常用的RFID国际标准主要只有用于动物识别的ISO11784和ISO11785，用于非接触只能卡的ISO10536（Close coupled cards）、ISO15693（Vicinity cards）、ISO14443（Proximity cards），用于集装箱识别的ISO10374等，尚无煤炭行业RFID的标准。

　　3、基于Zigbee的煤矿无线传感网

　　Zigbee是基于IEEE802.15.4协议的全球性通信标准，根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，能够解决当前煤矿安全管理系统中存在的问题，具有一定的市场前景。

　　目前，有不少研究基于Zigbee技术的无线传感网络与光纤通信网相结合的煤矿安全监测及人员定位的系统。这些系统实现了井上人员实时监测井下区域的瓦斯浓度，并实时跟踪定位井下人员，方便工作人员有效地管理矿井的安全工作。

　　4、UWB技术应用于矿井无线通信系统

　　根据美国FCC对超宽带（UWB，Ultra Wide Band）的定义，UWB是指相对带宽（信号带宽与中心频率之比）大于20%或绝对带宽大于500 MHz。UWB极宽的频谱和极低的发射功率，使UWB系统具有数据速率高、系统相对简单、成本和功耗低等优点，特别是无载波UWB通信方式更使系统的成本和功耗进一步降低。

　　UWB技术的这些特点非常适用于矿井通信。在矿井中，由于频谱的使用没有严格的限制，对数据速率的要求也不很高，可以利用超宽带信号频带宽的特点来换取传输距离。又由于功耗低，所以非常利于“本安型”电路的设计。

　　UWB技术带来了一种全新的通信理念，将它用于煤矿井下无线通信系统更是一种新的探索。UWB技术所具有的低功耗、高数据率、抗多径能力强、系统复杂性低等特点，能够很好地对矿井进行实时监测，尤其在水灾、火灾、塌方等恶性事故救生抢险中能起到至关重要作用。随着 UWB技术的不断成熟，在煤矿井下的应用将具有很大的发展前景。