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、科學、醫學，它是由國際通信聯盟無線電通信局（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 統一協調下，各國均挪出某一段頻段主要開放給工業、科學和醫學機構使用的頻段。應用這些頻段即不需要政府無線管理機構的許可證也不需要頻譜占用費用。它只需要遵守發射功率限制（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 頻段在各國的規定并不統一。現根據查閱國家的無線電管理條例，經確認在國內以下頻段是政府開放的ISM 頻段。可以在滿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

（1）RF射頻技術

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

Lora 是Semtech（山特）公司為其公司的一種無線技術取的一個名字，其含義是Long Range。它使用的是線性調頻技術，既能保持FSK 調制技術的低功耗，又明顯增加了傳輸距離。FSK 調制技術使其即使在相同頻率下傳輸，也可以通過使用不同擴頻因子（擴頻序列），來避免設備相互之間的干擾，這樣可以極大的提高網絡效率以及抗干擾能力。在此之前，這種無線調制技術主要在雷達及空間通信上大展拳腳。實現的成本較高。Semtech（山特）將技術改進后，大幅降低了成本并在民用范圍內大規模應用。它又可以分為直接利用LORA 的物理層協議搭建的點對點網絡和利用基于MAC層協議的LoRaWAN（廣域網）兩個分類型。

（3）WIFI技術

Wi-Fi 是一種由Wi-Fi 聯盟所規范的，符合IEEE 802.11 標準的無線網絡。它可以將個人電腦（如PC，NETBPOOK 等）、手持設備（如pad、手機等）等終端以無線方式互相連接的技術。

（4）Zigbee技術

也稱紫蜂。它是一種底層是采用IEEE 802.15.4標準規范的低速短距離傳輸的無線網上協議。是一項新型的無線通信技術。它適用于傳輸范圍短、數據傳輸速率低的一些電子元器件設備之間進行通訊。它還可應用于小范圍的基于無線通信的控制及自動化等領域，可省去中間的計算機設備、有線電纜及路由設備，實現多種不同數字設備相互間的無線組網，并使它們相互通信或者接入因特網。

（5）NB-IOT技術

窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NBIoT）是3GPP 組織于2016 年6 月在Release13 標準中正式制定的標準并發展起來的一款基于峰窩網絡的無線網絡技術，它已經成為萬物互聯網絡的一個重要分支。它可以獨立布署，可直接部署于GSM 網絡、UMTS網絡或LTE網絡，以降低部署成本。

（6）bluetooth藍牙技術

藍牙（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據和語音通訊開放而形成的一種近距離無線數字通信的全球規范。它設計主要是基于為固定和移動設備建立方便、廉價的近距離無線通訊連接。

2 井下無線傳感器技術選擇

2.1 井下情況分析

煤礦井下自然條件較差，地形復雜。井下的巷道空間狹小，巷道內多有拐角、分支。而且還存在爆炸性氣體以及大量的工業干擾。綜合以上因素可知，井下進行無線通訊會存在傳輸損耗大、干擾大、環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就顯得尤為重要。

如果礦井下無線通訊系統選擇的頻段過低，因井下低頻段的干擾較多，從而導致受到的干擾更強烈。同時，因此工作頻率低，這就必然導致發射機端功率偏大，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。它只具備電磁波能量低，繞射能力強、傳輸距離遠的優點。

如果選擇的頻率過高，又存在繞射能力差，對接收機要求增加，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、便于組網的優勢。

綜合以上因素，我們權衡利弊，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，又保障了傳輸的距離和繞射能力。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）風速傳感器及風壓傳感器

（4）溫度傳感器

（5）設備運行傳感器

（6）液位傳感器

2.3 傳感選擇的無線技術及理由

綜合以上分析，可以得出結論：

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

（2）當無線傳感器的數量在較小的范圍內時（1～20 的樣子），采用lora 點對點無疑更能體現其優勢。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據進行碰撞處理即可。

（3）當井下覆蓋了WIFI，且對功耗要求不太嚴格的情況下，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勢遠勝其它方式。