煤矿井下人员定位系统课件.pptx
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1、1/212023-5-14 2 2、意义、意义 煤矿井下人员定位系统又称煤矿井下人员位置监测系统或煤矿井下作业人员管理系统,是由地面监控中心主计算机在系统软件支持下,通过数据传输接口和沿巷道铺设的通讯光缆或电缆,无间断、即时地对井下安装的无线数据采集器进行数据信息采集,无线数据采集器将自动采集有效识别距离内的标识卡的信息,并通过传输网络将相关数据传送至地面中心站。该系统能够实现对矿井人员位置、携卡人员出入井时刻、重点区域出入时刻、限制区域出入时刻、工作时间、井下和重点区域人员数量、井下人员活动路线等监测、显示、打印、存储、查询、异常报警、路径跟踪、管理等功能。充分利用矿井安全监测监控系统平台,
2、无须重复布线,仅需增加相应的人员跟踪定位无线数据采集基站、无线编码发射器、人员跟踪定位处理软件即可实现。能够清楚掌握每个人员在煤矿井下的位置及活动轨迹,为事故抢险提供科学依据。第1页/共20页2/212023-5-14 煤矿井下人员位置监测系统在遏制超定员生产、事故应急救援、领导下井带班管理、特种作业人员管理、井下作业人员考勤等方面发挥着重要作用。(1)遏制超定员生产;(2)防止人员进入危险区域;(3)及时发现未按时升井人员;(4)加强特种作业人员管理;(5)加强干部带班管理;(6)煤矿井下作业人员考勤管理;(7)应急救援与事故调查技术支持(系统有2h备用电源、标识卡电池7D);(8)持证上岗
3、管理;(9)具有紧急呼叫功能的系统;(10)减少工作量、提高工作效率;(11)加强企业内部之间信息共享。第2页/共20页3/212023-5-14二、煤矿井下人员定位系统组成及工作原理二、煤矿井下人员定位系统组成及工作原理1 1、组成、组成:煤矿井下人员位置监测系统一般由标识卡、位置:煤矿井下人员位置监测系统一般由标识卡、位置监测分站、电源箱(可与分站一体化)、传输接口、主机监测分站、电源箱(可与分站一体化)、传输接口、主机(含显示器)、系统软件、服务器、打印机、大屏幕、(含显示器)、系统软件、服务器、打印机、大屏幕、UPSUPS电电源、远程终端、网络接口、电缆和接线盒等组成。源、远程终端、网
4、络接口、电缆和接线盒等组成。煤矿井下人员位置监测系统组成 煤矿井下人员位置监测系统示意图 第3页/共20页4/212023-5-14 2 2、煤矿井下人员定位系统工作原理、煤矿井下人员定位系统工作原理 在井下需要进行人员跟踪的区域和巷道中根据现场具体需要放置一定数量的多功能分站,系统的分站是采集信号的关键部件,形成系统后,它将不断地通过发射天线发出载波信号(寻找信号)。当带有标识卡的职工通过分站附近时,它发出的固定频率的电磁场将同标识卡芯片里的谐振电路产生共振,这时,标识卡芯片即被唤醒,原本处于“体眠状态”的芯片被激活并将含有自身种类识别码标志(姓名、年龄、所属单位、工种、通过时间等)的信息代
5、码调制到载波上经卡内天线发射出。安装在分站里的读卡模块是采集射频标识卡的第一门户通道,也是读卡器中最重要的个功能部件。读卡模块内部集成了无线接收电路及发生基波信号的功率输出电路。它将接受到标识卡发来的识别码信息在其内部经读卡模块的解调、带通滤波整形后由输出电路输出序列串行信号 第4页/共20页5/212023-5-14三、煤矿井下人员定位系统分类及装备要求三、煤矿井下人员定位系统分类及装备要求1 1、煤矿井下人员定位系统分类、煤矿井下人员定位系统分类2 2、煤矿井下人员定位系统装备要求、煤矿井下人员定位系统装备要求1)按工作原理分:场强式、射频标签式、其他。2)按信号传输方向分:单向、半双工、
6、全双工。3)按标识卡结构分:与矿灯一体、与手机一体、与BP机一体、帽卡、胸卡、腰卡、其他。4)按系统结构分类:独立式、与煤矿安全监控系统一体、与煤矿井下移动通信系统一体、其他。5)按标识卡供电方式分:有源卡、无源卡。6)按标识卡的工作频率分:特高频(300MHz3GHz)、超高频(3GHz30GHz)、其他。7)按功能分:非连续监测式、连续监测式、其他。(1)各个人员出入井口、采掘工作面等重点区域出/入口、盲巷等限制区域等地点应设置分站,并能满足相关要求。(2)巷道分支处应设置分站,并能满足监测携卡人员出/入方向的要求。(3)下井人员应携带标识卡。标识卡严禁擅自拆开。(4)工作不正常的标识卡严
7、禁使用。两个多10%。(5)矿调度室应设置显示设备,显示井下人员位置等。(6)设正常和唯一性检测的装置,可采用虹膜、人脸等自动检测方法。煤矿井下人员位置监测系统标识卡正常工作和下井人员每人一张卡,且仅携带表明自己身份的卡,是遏制超能力生产、加强煤矿井下作业人员管理、为应急救援提供技术支持的必要条件。第5页/共20页6/212023-5-14第二节第二节 矿井下无线通讯及射频识别技术矿井下无线通讯及射频识别技术一、煤矿井下无线通讯技术一、煤矿井下无线通讯技术1 1、目前常用的无线通信方式、目前常用的无线通信方式1 1)蓝牙技术)蓝牙技术2 2)红外技术)红外技术3 3)超宽频技术()超宽频技术(
8、UWBUWB)4 4)Wi-FiWi-Fi技术技术5 5)ZigbeeZigbee技术技术 蓝牙技术是一种全球通用的小范围无线通信技术,是针对目前近距离便携式器件之间的红外线链路(IrDA)而提出的,是低成本、短距离无线个人网络传输应用,其主要目标是提供一个全世界通行的无线传输环境,通过无线电波来实现所有移动设备之间的信息传输服务。优点:蓝牙技术应用红外线收发器连接虽然能免去电线或电缆的连接;缺点:距离只限于12m,而且必须在视线上直接对准,中间不能有任何阻挡,同时直限于在两个设备之间进行连接,不能同时连接更多的设备。红外技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术。优点:是无须申请频率使用权,因
9、而红外通信成本低廉;体积小,功耗低,连接方便,简单易用的特点;由于数据传输率较高,因而适于传输大容量的文件和多媒体数据;红外线发射角度较小,传输安全性高。不足:它是一种视距传输,两个相互通信的设备之间必须对准,中间不能被其他物体阻隔,因而该技术只能用于两台设备之间的连接。超宽频技术(Ultra WideBand,UWB)是一种独特的、很有前景的无线通信技术。优点:该技术在时域中以纳秒级的非正旋波窄脉冲信号为载波,因而在领域中具有扁平的很宽的频谱,目前建议标准的带宽为55Mb/s,通过调频避免与其他无线信号的冲突;由于结构简单,且成本低,在家用方面很有市场。缺点:可能会成为潜在的干扰源,同时由于
10、功率限制,传输距离短,只有10m左右的距离。Wi-Fi(wireless fidelity,无线保真)即802.11b/g标准工作在2.4GHz 的频带,采用CCK调制技术,传输速率最高分别可达到11Mbit/s和54Mbit/s。Wi-Fi是由AP(Access Point,无线访问节点)和无线网卡组成的无线网络。优点:速度快,可靠性高,在开放性区域,通讯距离可达305m,在封闭性区域,通讯距离为76m 到122m,方便与现有的有线以太网络整合;可移动性、价格低廉。基于IEEE 802.15.4协议规定的ZigBee技术是一种新兴的无线通信技术:蜜蜂(bee)+“嗡嗡”(zig)优点:近距离
11、、低复杂度、低功耗、低数据速率(工作速率大约为20250 kb/s)、低成本(不到蓝牙的1/10)、安全(提供了三级安全模式)以及自动动态组网与自主路由。主要适合用于自动控制和远程控制领域,支持地理定位功能,它是一种介于无线标记技术和蓝牙技术之间的技术方案,可以嵌入许多其它的设备。第6页/共20页7/212023-5-142 2、影响煤矿井下定位的主要因素影响煤矿井下定位的主要因素(1)多径传播(2)多址干扰(3)信号同步误差 无线信号的多径传播现象会使得基于角度和时间的定位方法产生较大的误差,主要原因是多径传播会对测量代表收发双方实际距离和方位的直射路径(LOS)信号的角度和时延产生较大的干
12、扰。多址干扰是影响系统性能和容量的主要因素,当对定位信号进行测量时,多址干扰的存在仍然会对测量结果产生较大的干扰。但是目前大多数效果较好的多用户检测算法当用户数量较多时,其运算量非常大,实现较为困难。在进行TOA估计的过程中,信号时间延迟的估计精度与估计过程中参考信号和接收信号之间的同步程度有关,即检测到的信号峰值是否为真正的峰值点,特别是对于多径传播环境下,如何在相关波形中获取较好的相关峰值点很重要。当接收信号和参考信号的同步较差时,会展宽相关波形,同时会出现较为严重的旁瓣,这些对TOA估计的影响很大。因此,在设计人员定位系统之前必须对巷道内无线通讯环境进行分析。第7页/共20页8/2120
13、23-5-143 3、煤矿井下无线通讯特点煤矿井下无线通讯特点(1)衰减与频率的关系(2)衰减与曲率的关系(3)巷道半径对无线传输的影响(4)衰减与粗糙度、倾斜度的关系(5)接收点有用信号十分微弱(6)井下环境机电噪声干扰严重 矿井巷道对电波的自由传播可视为带阻型。在甚低频段以及低频、中频的低端,衰减随频率增加而增大;在中频高端和高频段,衰减达到最大,30MHZ的电波的衰减最大,最不利于传输;进入高频后,衰减随频率上升而减小。频率越高,传输衰减越小,但当频率升高时,电波的拐弯能力变差,拐角处的损耗增大,传输距离减小。衰减随着巷道曲率增加而增大。通过对矿井无线传输特点的分析,可以看出,特低频、甚
14、低频、特高频频段衰减最小,拐角损耗随着频率的升高而逐渐增大。中频段借助于感应体传输距离也可以达到1000m以上,但由于工作频率较低时,易受工频电磁干扰,且信道容量小,要求发射机功率大,无线体积大。特别是中频感应通信,当感应线发生故障或无纵向导体时,通信距离大大减小。因此,矿井移动通信系统不适合选用频率较低的工作频率。矿井无线传输受巷道截面等效半径与波长的比值影响,比值越大,传输衰减越小,巷道断面大对通信有利。巷道截面对无线传输影响程度与波长有关,当巷道截面等效半径与波长相差不大于10倍时(大于或小于),巷道截面尺寸对无线传输的影响最大,当巷道截面等效半径远远大于或远远小于波长时,巷道截面对无线
15、传输的影响较小。巷道截面一般在几平方米至十几平方米之间,因此,巷道截面对中频及其以下频率的无线传输影响较小,对高频、甚高频和特高频的无线传输影响较大。首先,在井下移动通信中,天线的发射效率低;其次,无线电波在井下巷道这样一个特定的非自由空间传播,决定电磁波传播速度的煤岩层介电常数和磁导率变化很大,因而传播速度也不断发生变化;再次,由于巷道壁、井下障碍物等反射,形成反射波。因此,到达基站接收天线的信号不止一个,由于它们有着不同的幅度、相位和时延量,使到达基站接收的信号时大时小,造成多径效应的现象,使接收点的有用信号十分微弱。当电波在巷道中传播时,由于巷道壁的粗糙与倾斜,将引起电波损耗。当频率较低
16、时,粗糙所引起的损耗较大;当频率较高时,倾斜所引起的损耗较大。煤矿井下空间窄小,机电设备相对集中、功率大。因此,电磁干扰严重,特别是大型机电设备启停,架线电机车电火花等对通信设备干扰大。第8页/共20页9/212023-5-14名称甚低频低频中频高频甚高频超高频特高频极高频符号VLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF频率3-30KHz 30-300KHz 0.3-3MHz 3-30MHz30-300MHz0.3-3GHz 3-30GHz 30-300GHz波段超长波长波中波短波米波分米波厘米波毫米波波长1KKm-100Km10Km-1Km1Km-100m 100m-10m10m-1m1m-0
17、.1m10cm-1cm10mm-1mm传播特性空间波为主地波为主地波与天波天波与地波空间波空间波空间波空间波主要用途海岸潜艇通信;远距离通信;超远距离导航越洋通信;中距离通信;地下岩层通信;远距离导航船用通信;业余无线电通信;移动通信;中距离导航远距离短波通信;国际定点通信电离层散射;流星余迹通信;人造电离层通信;对空间飞行体通信;移动通信小容量微波中继通信;对流层散射通信;中容量微波通信大容量微波中继通信;数字通信;卫星通信;国际海事卫星通信再入大气层时的通信;波导通信中国无线电频率划分及主要用途 第9页/共20页10/212023-5-14二、二、射频识别技术简介射频识别技术简介1 1、射
18、频识别技术概念、射频识别技术概念 1)射频识别技术 2)射频的定义2、射频识别系统原理及特点 1)射频识别系统组成和工作原理:信号发射机、接收机、天线 2)射频识别技术的基本工作原理 3)射频识别技术特点 RFID(Radio Frequency Identification,射频识别)技术是从20世纪90年代兴起的一项自动识别技术,利用无线射频方式进行非接触通信,以达到自动识别目标对象的目的并获得相关数据,识别工作无须人工干预,可工作于各种恶劣的环境。最早应用于通讯控制、高速公路、桥梁的自动收费以及安全领域。以前由于成本过高,影响了其向更广的领域拓展。近十年来,随着大规模集成电路制造工艺的不
19、断提高,芯片集成度越来越高,功能越来越强,元器件封装不断减小,使得射频识别系统的成本大大降低,体积也大大减小,真正进入到实用化阶段,成为一种成熟的自动识别技术。射频就是射频电流,它是一种高频交流变化电磁波的简称,每秒变化小于1000次的交流电称为低频电流,大于10000次的称为高频电流,而射频就是这样一种高频电流。在电子学理论中,电流流过导体,导体周围会形成磁场;交变电流通过导体,导体周围会形成交变的电磁场,被称为电磁波。在电磁波频率低于100kHz时,电磁波会被地表吸收,不会形成有效的传输,但电磁波频率高于100kHz时,电磁波可以在空气中传播,并经大气层外缘的电离层反射,形成远距离传输能力
20、,把远距离传输能力的高频电流称为射频。射频识别系统一般都由信号发射机、信号接收机、发射接收天线几部分组成,在射频识别系统工作过程中,始终以能量作为基础,通过一定的时序方式来实现数据交换。(1)读卡器将无线电载波信号经过发射天线向外发射。(2)当标签进入发射天线的工作区后,激活、发射自身信息。(3)系统的接收天线接收标签发出的载波信号,经天线的调节器传输给读卡器、读取信息并解码后,送计算机控制器。(4)计算机控制器根据逻辑运算判断该标签的合法性,并做出相应的处理和控制,发出指令信号控制执行机构的动作。(5)执行机构按照计算机的指令动作。读取方便快捷、识别速度快、数据容量大、使用寿命长,应用范围广
21、、标签数据可动态更改、更好的安全性、动态实时通信。RFID是一种突破性的技术:第一:可以识别单个的非常具体的物体,而不是像条形码那样只能识别一类物体;第二:其采用无线电射频,可以透过外部材料读取数据,而条形码必须靠激光来读取信息;第三:可以同时对多个物体进行识读,而条形码只能一个一个地读。第10页/共20页11/212023-5-14三、射频识别系统的设计三、射频识别系统的设计1 1、RFIDRFID读卡器读卡器 1)读卡器的基本功能 2)读卡器的分类 3)读卡器的工作方式 读卡器一般由天线、射频模块、读写模块组成。天线是发射和接收射频载波信号的设备;射频模块由射频振荡器、射频处理器、射频接收
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