煤矿井下人员定位系统PPT学习教案

1、会计学1 煤矿井下人员定位系统煤矿井下人员定位系统 2/212021-8-10 第1页/共20页 3/212021-8-10 第2页/共20页 4/212021-8-10 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 5/212021-8-10 第4页/共20页 6/212021-8-10 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、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

2、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

3、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 7/212021-8-10 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

4、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

5、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

6、 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、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 8/212021-8-10 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

7、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

8、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 9/212021-8-10 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

9、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

10、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。当频率较低时，粗糙所引起的损耗较大；当频 率

11、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 10/212021-8-10 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 3-30MHz 30- 300MHz 0.3-3GHz 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- 100Km 10Km- 1Km 1Km-100m 100m-10m10m-1m1

12、m-0.1m 10cm- 1cm 10mm-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

13、通信 中国无线电频率划分及主要用途 第9页/共20页 11/212021-8-10 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

14、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，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

15、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、标签数据可动态更改、更好的安全性、动态实时通信。 RFID是

16、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 12/212021-8-10 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、射频接收器以及 前置放大器等组成，该模块可接收和发射射频载波； 读写模块由放大器、解码及纠错电路、微处理器、时钟 电路、标准接口以及电源组成，它可以接收射频模块传输的信 号，解码后获得标签内信息，

17、可将要定稿标签的信息编码后传 递给射频模块，完成写标签操作。 根据使用用途，可将读卡器划分为工业读卡器、固定式 读卡器、OEM读卡器、便携式读卡器等。 读卡器的基本构成 读卡器主要有两种工作方式，一种是TTF（Tag Talks First，标签先 发言），另一种是RTF（Reader Talks First，读卡器先发言），这是读卡器 的防冲突协议方式。 一般标签处于“等待”或称为“休眠”的工作状态。当标签进入读 卡器的作用范围时，检测到一定特征的射频信号，便从“休眠”状态转到“ 接收”状态，接收读卡器发出的命令，进行相应的处理，并将结果返回给读 卡器。这类只有接收到读卡器特殊命令才发送数据

18、的标签被称为RTF方式； 与此相反，进入读卡器的能量场即主动发送自身系列号的标签被称为TTF方 式。TTF和RTF协议相比，TTF方式的标签具有识别速度快等特点，适用于 需要高速应用的场合；另外，它在噪声环境中更稳健，在处理标签数量动态 变化的场合也更为实用。因此，更适于工业环境的跟踪和定位应用。 第11页/共20页 13/212021-8-10 一般标签由天线、调制器、编码发生器、时钟以及存储 器等组成，时钟把所有电路功能时序化，以使存储器中的数据 在精确的时间内被传送到读卡器；存储器中的数据是应用系统 规定的唯一性编码，在标签被安装在识别对象上以前已被定入 ，数据读出时，编码发生器把存储器

19、中的数据编码，调制器接 收由编码器编码后的信息，通过天线电路将此信息发射或反射 到读卡器。数据写入时，由控制器控制将天线收到的信号解码 后写入存储器。 （1）按供电方式：有源标签和无源标签； （2）按工作方式：主动式和被动式标签； （3）按读写方式：只读型和读写型标签； （4）按工作频率：分为低频（30300kHz）、中高频（ 330MHz）、超高频以及微波标签，其典型工作频率为 433.92MHz、862（902）928MHz、1.45GHz、5.8GHz； （5）按作用距离：密耦合（1cm）、近耦合（约15cm）、疏 耦合（约1m）及远距离（1m10m，甚至更远）标签。 标签的基本构成 （

20、1）封装材质：RFID标签的封装材质主要有纸标签、塑料标签和玻 璃标签。 （2）封装形式 根据标签不同的应用场合，可将标签封装成不同的形状，使其满足 不同需要。主要形式有：信用卡和半信用卡标签，线形标签，盘形标签，自 粘标签，片上线圈，其它如钥匙扣形标签、手表形标签等。 第12页/共20页 14/212021-8-10 （1）天线的工作频率范围（频带宽度） （2）天线的增益 （3）天线的极化 （4）天线的波瓣宽度 （5）天线的输入阻抗Zin （6）有效长度 电感式系统的天线的选择原则。在读卡器天线的设计或选择必须满足 的条件有：一是天线线圈的电流电大，以用于产生最大的磁通量；二是功率 匹配，以

21、便最大程度地利用磁通量的可用通量；三是足够的带宽，保证载波 信号的传输。 电感式系统的天线的连接方法。一是利用电流匹配来进行连接，对于 135kHz以下频率范围内的典型的低成本读卡器，高频接口和天线线圈是相邻 安装在一起的，甚至常常是在同一块电路板上。二是通过同轴电缆馈接，对 于超过1 MHz以上的频率或是135 kHz频率范围内较长的导线长度，通常都 是使用屏蔽电缆，即同轴电缆。 品质因数的影晌。电感读卡器天线的品质因数可通过线圈电阻与线圈电 阻的欧姆损耗和/或串联电阻的比值计算出来。 读卡器的基本构成 微波系统所使用的天线类型是基于带状线技术的天线，即所谓的平面 天线。这种天线的特点是建造

22、高度较低并且结构坚固，能方便地使用光刻技 术制造出来，有很高的可复制性，辐射器的基本元件是直角微带导线组成的 。为了得到不同的定向和极化效应，可以用不同的方式把辐射器元件组合在 一起。 （1）标签天线应具有的性能 主要包括：一是体积足够小；二是有全向或半球覆盖的方向性；三是 给标签提供能量；四是天线的极化能与读卡器的查询信号相匹配；五是价格 便宜。 （2）标签天线的形式 考虑到天线的阻抗、辐射模式、局部结构、作用距离等因素的影响， 为了以最大功率传输，在标签中不应该使用全向天线，而应该使用方向性天 线。因为它具有更少的辐射模式和更少的返回损耗干扰。 第13页/共20页 15/212021-8-

23、10 射频读卡器通过多种方式和标签传送信息，通常读卡器 利用天线在周围形成磁场，被动标签从磁场中接收到能量然后 将其信号发送给读卡器，读卡器将信息转化成电子信息。有时 信号太微弱，让彼此传递的一方无法收到或辨识；有时信号太 相近，造成接受端信号的混乱，一般RFID的读卡器一次只能与 一个标签进行沟通，因而会有所谓冲突的问题。 RFID的信号碰撞一般可分为标签信号碰撞以及读卡器 信号碰撞两大类，前者是指一个读卡器同时收到多个标签所返 回的信号，造成读卡器无法准确判读或造成误读，后者则是一 个标签同时收到多个读卡器所发出的命令以至于造成冲突。 当一个读卡器发射较强的信号与射频标签反射回的微弱信号相

24、干扰时 ，就引起了读卡器与读卡器之间的干扰。读卡器R1位于读卡器R2干扰区。 从射频标签T1反射回的信号到达读卡器R1，很容易被读卡器R2发射的信号 干扰。这种干扰即使两个读卡器阅读范围没有重叠也有可能产生。 读卡器与读卡器间的干扰 当多个读卡器同时阅读同一个标签时引起了多读卡器到标签间的干扰 ，如图6.8所示，两个读卡器阅读范围重叠。从读卡器R1和R2发射的信号可 能在射频标签T 1处产生干扰。在这种情况下，标签T 1不能正常传递信号并 且读卡器R1和R2都不能阅读T1。因为读卡器冲突，读卡器R 能阅读标签T2 和T3，但是不能阅读标签T1。 （1）分址多任务（SDMA：Space Divi

25、sion Multiple Access）：利用空间 分割的方式来避免信号的冲突，多用以处理读卡器的信号碰撞。 （2）分频多任务（F DMA：Frequency Division Multiple Access）：利用 信号传输所使用的频道进行区分来避免信号碰撞的一种方法。 （3）分时多任务（TDM A：Time Division Multiple Access）：是防信号 碰撞中最常使用，也最成熟的一项技术，其原理是利用时间的差异，将可使 用的通信时序分配给不同的标签进行数据传输，排定先后顺序后依序与读卡 器进行沟通。 读卡器到标签间的干扰 为了防止数据在传输的过程中，因干扰而产生误码，通讯

26、协议中均 对传输数据校验。读卡器和标签之间的信号无线传输可采用LRC（ Longitudinal Redundancy Check，纵向冗余校验）检验方式，避免读卡器从 空中拾取错误的信号；读卡器与分站之间采用 CRC（Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验）校验，保证传输数据的有效性。 第14页/共20页 16/212021-8-10 煤矿井下人员定位系统一般由主机、传输接口、分站、标识卡 、电源箱、电缆、接线盒、避雷器和其他必要设备组成。 （1）系统应符合MT209、MT/T1004、MT/T1005、MT/T1007、 MT/T1008、AQ6201、AQ1048等

27、标准的有关规定，符合国家安全生 产监督管理总局国家煤矿安全监察局关于建设完善煤矿井下安全避险“ 六大系统”的通知（安监总煤装2010146号）要求，系统中的其他 设备应符合有关国家及行业标准的规定，并按照经规定程序批准的图样 及文件制造和成套。 （2）中心站及入井电缆的入井口处应具有防雷措施。 （3）帽卡式标识卡应通过国家有关部门的检测，并出具对人身 健康无害的报告。 条条 件件机房、调度室的设备机房、调度室的设备煤矿井下的设备煤矿井下的设备 环境温度环境温度1530040 相对湿度相对湿度40%70%95%（25） 大气压力大气压力80kPa106 kPa80kPa106 kPa 环境条件环

28、境条件 GB/T 2887规定的尘埃、照规定的尘埃、照 明、噪声、电磁场干扰和明、噪声、电磁场干扰和 接地条件接地条件 有爆炸性气体混合物，但无有爆炸性气体混合物，但无 显著振动和冲击、无破坏绝显著振动和冲击、无破坏绝 缘的腐蚀性气体。缘的腐蚀性气体。 温度变化率温度变化率小于小于10/h，且不得结露，且不得结露 项目项目地面设备交流电源地面设备交流电源井下设备交流电源井下设备交流电源 额定电压额定电压 380V/220V，允许偏差，允许偏差 10%10% 127V/380V/660V/1140V， 允许偏差：允许偏差：20%（ 25%）10% 谐波谐波5%10% 频率频率50Hz，允许偏差，

29、允许偏差5%50Hz，允许偏差，允许偏差5% 第15页/共20页 17/212021-8-10 （1）具有携卡人员出/入井时刻、出/入重点区域时刻、出/入限 制区域时刻等监测功能。 （2）具有识别携卡人员出/入巷道分支方向等功能。 （3）能对乘坐电机车等各种运输工具的携卡人员进行准确识别 。 （4）能识别多个同时进入识别区域的标识卡。 （5）具有标识卡工作是否正常和每位下井人员携带1张卡唯一 性检测功能。 （1）系统应具有汉字显示和提示功能； （2）系统应具有列表显示功能； （3）系统应具有模拟动画显示功能； （4）系统应具有系统设备布置图显示功能； （5）系统应具有汉字报表、初始化参数召唤打

30、印功能（定时打 印功能可选）。 （1）具有携卡人员下井总数及人员、出/入井时刻、下井工作时间等，出/入重 点区域总数及人员、出/入重点区域时刻、工作时间等，出/入限制区域总数及人 员、出/入限制区域时刻、滞留时间等，特种作业人员等下井、进入重点区域总 数及人员、出/入时刻、工作时间等显示、打印、查询等功能，并具有超时人员 总数及人员、超员人员总数及人员报警、显示、打印、查询等功能。 （2）具有携卡人员下井活动路线显示、打印、查询、异常报警等功能。 （3）具有携卡人员卡号、姓名、身份证号、年龄、职务或工种、所在区队班 组、主要工作地点、每月下井次数、下井时间、每天下井情况等显示、打印、查 询等功

31、能。 （4）有按部门、地域、时间、分站、人员等分类查询、显示、打印等功能。 （1）具有上述信息的存储功能； （2）具有查询功能，查询类别如下：按人员查询；按时间查询 ；按地域查询；按识别区查询；按超时报警查询；按超员报警查 询；按限制区域报警查询；按工作异常报警查询；按人员分类查 询；按部门查询；按工种查询等。 （3）具有防止修改实时数据和历史数据等存储内容（参数设置 及页面编辑除外）功能。 （4）系统应具有数据备份功能。 （5）分站应具有数据存储功能。当系统通信中断时，分站存储 标识卡卡号和时刻；系统通信正常时，上传至中心站。 （1）具有人机对话功能，以便于系统生成、参数修改、功能调 用、图形编辑等。 （2）具有操作权限管理功能，对参数设置等必须使用密码操作 ，并具有操作记录。 （3）在任何显示模式下，均可直接进入所选的列表显示、模拟 图显示、打印、参数设置、页面编辑、查询等方式。 （4）具有自诊断功能。当系统中分站、传输接口等设备发生故 障时，报警并记录故障时间和故障设备，以供查询及打印。 （1）主机应具有双机切换