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发表于 2014/3/27 10:07:02

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标签: mesh 自组网 工业无线

MasLinx全无线技术:矿用基干无线传感网络

MasLinx全无线技术,基于无线传感网络技术,依据IEEE802.15标准,采用具有自主知识产权的基干无线传感网络(Mainline Wireless Sensor Network)技术、本质安全技术、Mesh透地通讯技术,实现全无线(One Wireless)、全电池(All Battery Powered)解决方案,专注于安全和救援。

  • 科技成果

圣博亚科技推出的KJ627系统采用自主创新的矿用基干无线传感网络技术,通过无线Mesh组网的全电池、全无线微基站,实现覆盖全矿全无线(无供电电缆、无通讯电缆)基础网络,为地下矿井、隧道等封闭空间的应急响应提供了系统设备,具备部署快捷、功耗低、抗灾能力强;实现了生命探测、逃生指引、雷达搜救、传感报警等功能。系统已申请了3项国家发明专利,获得6项实用新型专利,相关产品填补国内空白。该项目产品已经通过国家矿用设备安检中心检验,并在各种煤矿、金属矿、地下坑道、以及工业厂区等环境中应用,获得好评。通过机械工业联合会鉴定委员会科技成果鉴定,项目成果达到国内领先水平,填补国内空白。

  • 项目起因

2006年6月15日,2006年6月15日,美国总统布什签署了《2006年煤矿改进与新应急反应法(MINE IMPROVEMENT AND NEW EMERGENCY RESPONSE ACT OF 2006)》,简称 《矿工法(MINER ACT 2006)》。这部新法规要求煤矿改进对事故的准备工作,制定针对本矿实际情况的应急响应预案,其核心条款旨在于大大提高遭遇矿难的矿工自保、逃生、等待救援的能力。其中,该法案第二部分要求在2009年6月中旬前建立事故后的双向无线通讯和跟踪系统。也就是,《美国2006年矿工法》要求煤矿的人员定位系统就是针对于灾后救援的。(详细见:美国《2OO6年矿工法》出台和实施情况UNITED STATES PUBLIC LAWS 109th Congress – Second Session Convening January 7, 2005) (POST ACCIDENT COMMUNICATIONS.–Not later than 3 years after the date of enactment of the Mine Improvement and New Emergency Response Act of 2006, a plan shall, to be approved, provide for post accident communication between underground and surface personnel via a wireless two-way medium, and provide for an electronic tracking system permitting surface personnel to determine the location of any persons trapped underground or set forth within the plan the reasons such provisions can not be adopted.),所以,要建立“事故后(post accident comm- unication)”的人员定位,就要求系统具备抗灾能力。圣博亚科技的KJ627系统着眼于应急救援。

在中国,煤矿井下人员定位系统是煤矿井下安全避险“六大系统”之一,由国家安全监管总局、国家煤矿安监局、以及地方政府联合监管;煤矿井下人员定位系统又称煤矿井下人员位置监测系统和煤矿井下作业人员管理系统。2007年3月30日,中国国家安全生产监督管理总局发布了《AQ 6210-2007 煤矿井下作业人员管理系统通用技术条件》,并与2007年7月1日实施。有关煤矿井下人员位置监测系统安装、使用、维护与管理的标准有《AQ 1048-2007 煤矿井下作业人员管理系统使用与管理规范》。有关煤矿井下人员位置监测系统生产、设计、测试与检验的标准有:

AQ 6201-2006 煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范》、

MT/T 772-1998_煤矿监控系统主要性能测试方法》、

MT/T 1103-2009 井下移动目标标识卡及读卡器》、

MT/T 1004-2006 煤矿安全生产监控系统通用技术条件

MT/T 1005-2006 矿用分站

MT/T1006-2006 矿用信号转换器

MT/T 1007-2006 矿用信息传输接口》等。

  • 技术原理

KJ627矿井安全管理及应急救援系统及其成套设备的核心技术是矿用基干无线传感网络技术,即通过MESH传感网络实现地下矿井的人员应急救援响应。矿用基干无线传感网络技术的核心部分是通过全电池、全无线的通讯联络的基站,形成可长期运行的无线传感Mesh基干网络,实现标识卡、短信设备和传感设备的无线接入,井上和井下信息的实时网络互联。系统高鲁棒性,基站呈离散的点,不易损坏;一个甚至是一大部分基站万一被损坏,其他基站仍然可以自发恢复网络。基站具备应急警示、引导救援功能,标识卡具备生命探测功能,短信器具备搜救功能。系统在日常应用中是人员定位系统,在紧急情况时,也是应急救援系统。

KJ627-F全无线
KJ627-F全无线、全电池井下基站

设计思想

避险:KJ627立足于解决井下系统的避险存活问题,以及提高煤矿应急救援能力问题,因为系统不能正常运行,救援就无从谈起。

救人:KJ627系统可以实现生命体征监测、地下搜救、逃生引导;

防灾:通过救援演习,KJ627系统可为生产企业提供更多更有效的应急预案,及时掌握对突发和次生事故的信息,提高应变能力,提高安全救援能力,增强矿工自我保护能力。

KJ627以“六大系统”中的人员定位系统为切入点,其核心是协助解决地下矿井的人员应急警示、搜救、救援等问题,其独一无二的特点体现在矿难发生后系统仍然能够帮助矿工逃生并且向外界提供应急救援的关键信息。灾难发生的时候,分秒必争。

  • 技术背景

     1)物联网

物联网是新一代信息技术的重要组成部分,其英文名称是:“The Internet of things”。顾名思义,物联网就是物物相连的互联网。“物联网”不只是网络相互连接 需系统协作“物联网的重心不在物,而是在网上”。

在现实生活中,交通网络包括火箭、飞机、火车、汽车、船舶、非机动车和双脚构成一个交通图,每个网络管一段,方便人们出行。人通讯的途径有声音、光、感觉等,我们通过这些介质沟通。

在网络的世界中,卫星通讯网、互联网、3G/4G移动网等构成公共网,局域网、现场总线、无线自组网等构成私有网。“物”能够利用这些网么?“物”之间通过什么途径沟通?如果大量的比人类的数量多的多的“物”需要思维、上网、沟通,那么,必须有适合于物的途径。传统技术肯定是不行的,成本太高,诸多局限,需要更先进的技术,比如无线传感网络技术就是物联网关键技术之一,其中的成功实例有ZigBee、Maslinx、WirelessHart等!这些技术就是打破传统的,你如果还是拿着老路子用这些技术,你就不能改变世界。

随着嵌入式技术的发展,物或设备的大脑从技术上可以突破了;在通讯介质上,具备嵌入式特点的无线自组网技术、识别技术让物联网有了重心。所以,物联网技术是应用于”物”上,能够满足物有效连接的感知、运算、通讯等功能的技术

IEEE802.15.4的自组网技术是物联网技术之一!而ADHoc、802.11n基于Wifi因为功耗和复杂,应用受限,就像Window不能很好的用于移动设备。IEEE802.15.4是颠覆性的,就好像在移动设备中安卓打败Windows桌面系统。但是,这些技术也在发展和其他的技术融合,创新。

何为“物”?想象一下,在物联网中,仪器、设备等就是机器人,不但能相互作用,还可以与社交网络中的操作者、工程师和管理者进行互动。

     2)无线传感网络:

无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络,以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息,并最终把这些信息发送给网络的所有者。目前,许多标准化组织参与到物联网、无线传感器网络标准的制定,其中包括IEEE802.15组织。

在IEEE 802.15工作组内有四个任务组(task group, TG),分别制定适合不同应用的标准。这些标准在传输速率、功耗和支持的服务等方面存在差异。下面是四个任务组各自的主要任务:

(1)任务组TG1:制定IEEE 802.15.1标准,又称蓝牙无线个人区域网络标准。
(2)任务组TG2:制定IEEE 802.15.2标准,研究IEEE 802.15.1与IEEE 802.11(无线局域网标准,WLAN)的共存问题。
(3)任务组TG3:制定IEEE 802.15.3标准,研究高传输速率无线个人区域网络标准。
(4)任务组TG4:制定IEEE 802.15.4标准,针对低速无线个人区域网络(low-rate wireless personal area network, LR-WPAN)制定标准。该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标,旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间的低速互连提供统一标准。
任务组TG4定义的LR-WPAN网络的特征与传感器网络有很多相似之处,很多研究机构把它作为传感器的通信标准。

IEEE 802.15.4是ZigBee(ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议;ZigBee也是一个类似于IEEE的组织,主要研究物联网和WSN),WirelessHART(是基于IEEE802.15.4,并结合Hart协议推出的工业无线通讯标准),MiWi等规范的基础,描述了低速率无线个人局域网的物理层和媒体接入控制协议,属于IEEE 802.15工作组。在868/915M、2.4GHz的ISM频段上,数据传输速率最高可达250kbps。其低功耗、低带宽、高灵敏度的优点使它在很多领域获得了广泛的应用。基于IEEE 802.15.4无PA室外通信距离100~2000米的有很多成熟芯片可选。

在国外,IEEE802.15.4技术很红火,各个厂家(Chipcon、Freescale)纷纷推出自己基于IEEE802.15.4标准的芯片;很多创业公司采用这些物理层技术,开发自己的组网协议和应用。接着,大公司吞并拥有无线传感网络技术的创业公司,又推出不同的行业应用协议。

在中国,无线传感网络芯片一般是采用国外知名厂家的,再做集成封装。比如Chipcon给你提供芯片、公板、基本的内部固件(Firmware),你可以按照提供的Demo调整PCB设计、固件。也可以选择开源协议栈,比如你的固件可以选择ZigBee协议栈。不过,如果不交费加入ZigBee联盟你就没有技术支持。没有技术支持,你自己很难修改它,就像很长时间来就有开源的嵌入式Linux,但是,只有谷歌才能在开源的嵌入式Linux基础上弄出个可以“免费”使用安卓(开放源代码)来。

目前,基于WSN的产品,虽然尺寸不断缩小,性能和价格比也在逐步提高,但安装成本却并未同步下降,为什么?因为没有真正使用无线自组网技术。针对IEEE802 .15.4芯片的产品的红火是基于无线传感核心芯片的基本应用,比如点对点通讯的有源RFID应用。因为自组网协议的复杂,虽然开源,但是也需要投入很多的研究成本。大家不使用用自组网协议,组网还是用传统架构,这就省去了很多的研发成本。

Maslinx圣博亚科技的团队成员是IEEE802.15协议的贡献者,圣博亚美国团队可以提供基于WSN的集成电路设计服务;其中国团队实现WSN的行业应用系统开发。其KJ627 MineNet 自组网产品填补了国内空白,Maslinx全无线技术正在改变世界!

IEEE802

IEEE802.15

802

802.15.4网络拓扑图

MasLinx全无线技术,基于IEEE802.15协议标准,物理层主要采用超低频、470MH低频和2.4G高频通讯频段芯片技术,网络层采用具备自主知识产权的企业协议标准(专利保护),实现基干层和传感层的两层架构的大规模Mesh网络。MasLinx无线可以和IEEE802.11(Wifi)共存。其中,基础干线层节点通讯距离设计1千米以上,64跳以上Mesh网络,节点电池供电以月计算;传感层节点在1千米以内,功耗低,设计产品电池供电时间以年计算。


     3)透地通讯技术

国外早期的透地通讯是研究透地无线电传输机制开始,Nicola Tesla在1899年就提出采用极低频频(ELF,extremely low frequencies)电磁波,以大地为传输介质进行通信的设想。德国著名物理学家阿诺索末菲(Arnold Sommerfeld)和外尔赫尔曼(Weyl Hermann)在假设大地是均匀半空间并具有均匀电特征的情况下,通过精确的数学推导阐述了透地无线电的理论基础。战争的需要也刺激了透地通信技术的发展,第一次世界大战期间,盟军为了与前线保持安全秘密通信,设计了TPS(telegraphie par sol)通信系统。该系统采用500~1800Hz的低频电磁波利用大地信道提供安全通信,最大通信距离为1km,由于频率比较低,只能用编码的方式进行传输。战争期间的另外一个技术创新是法国物理学家利用发明的低频电磁波地音探听器来探测战区的地下矿藏和隧道挖掘情况。但是这种低频电磁波地音探听器有很大的局限性,带宽很窄,传输的有用信息少并且抗干扰性很差。因此,人们研究的兴趣开始转向透地无线电。

2002年加拿大采矿、冶金、石油协会的Waye等研究人员提出了一个新型的地下通信系统,该系统应用于整个矿井的疏散和安全工作,利用透地通信的基础设施,通过中心控制设施能够在几秒内将紧急情况通知给所有的矿工或者从他们那里获取位置等信息,这个系统不需要任何电缆或其他有线传输介质。

2004年,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室Vasquez等提出了一种在井下区域进行语音通信的方法。该方法将语音压缩为500Hz带宽的数字信号后加载在透地载波上实现地上地下的通信,地下信号接收部分是采用的高温超导量子干涉仪(HT SQUID)技术来实现的。该系统音频信号已经能够通过坚硬的岩石在100m以外成功接收。

在美国职业安全健康研究所(National Institute for Occupational Safety and Health, NIOSH)的基金支持下,2009年,Transtek公司开发的下一代Tele Mag系统在美国一个煤矿测试达到NIOSH防爆要求。系统利用DSP数字压缩技术,能够传输双向语音,通信距离超过183m。Transtek公司官方表示他们的目标是透地深度达到366m。2009年,Vital Alert公司上市的Canary系列最新产品能够传送语音信号的距离超过100m,传送文字信息的距离超过数百米,数据传输率达2400bps,采用的频率是2~6kHz。

透地通讯原理图

透地通讯原理图

目前,国内外对透地通信的研究多是集中在利用低频电磁波进行透地通信。

声波透地通信系统组成框图

声波透地通信系统组成框图

圣博亚科技认为:点对点透地通讯 + Mesh网络是公司未来研发趋势。公司将更深入做Mesh网络穿透煤层的研究。提高透地通讯效率的方法有:a、提高发射功率;b、提高接收灵敏度;c、降低干扰等。我们的研究方向聚焦在不提高发射功率的前提下,通过算法提高无线信号的接收灵敏度,并通过信号叠加的方法降低干扰。

在内蒙古双利矿业六大系统和王家塔煤矿中,经过实地测试,圣博亚科技的KJ627-F基站可以穿透1~5米的煤层、可以透传2层避险硐室水泥浇注的保护门。

基站穿透硐室密闭门

基站穿透硐室密闭门

 

     4)煤矿本质安全产品设计

本质安全型产品又叫安全火花型产品。它的特点是电子产品在正常状态下和故障状态下,电路、系统产生的火花和达到的温度都不会引燃爆炸性混合物。它的防爆主要由以下措施来实现: 采用新型集成电路元件等组成仪表电路,在较低的工作电压和较小的工作电流下工作。本质安全型设备的防爆性能,不是采用通风、充气、充油、隔爆等外部措施实现的,而是由电路本身实现的,因而是本质安全的。它能适用于一切危险场所和一切爆炸性气体、蒸气混合物,并可以在通电的情况下进行维修和调整。

在煤矿6大系统同质化竞争非常激烈,其通讯设备基本是通过计算机网络通讯技术以隔爆方式集成到6大系统中来,系统庞大,缺乏专属行业应用的特点。

MasLinx本质安全技术,结合全电池、全无线技术,高可靠性,差异化设计,针对煤矿的低带宽通讯联络系统,提供一套专属煤矿安全通讯系统的有效的、创新的解决方案。

  • 有关KJ627系统的竞争性分析:

在美国,已经有相关的设计,其井下设计也是全无线架构。这个设计采用全无线自组网实现双向通讯:定位、语音通讯。不过,在当前技术背景下,要实现大数据量的语言通讯,必须使用高带宽网络,功耗会很高,就是一个问题。为此,圣博亚科技提出一个方案:一种多制式无线基站及该基站工作模式的切换方法(CN201310284494),会实现井下全无线基站的定位、通讯联络、视频通讯和传感的融合。相比较,Malinx KJ627是全电池、全无线设计,并融合监测监控,有明显的先进性和创新性。另外,MSHA (Mine Safety and Health Administration)推荐了一些井下无线定位系统,据报道这些无线系统已经实现了工作面的全无线通讯,并在美国80多个矿实施,效果很好。与美国的这些技术相比,MasLinx系统不仅实现了整个井下的全无线Mesh组网双向通讯,还实现了全电池150天以上的矿用无线基干传感网络的应急救援。而且,KJ627-F基站还可以方便的将传感器信号转为Mesh无线信号。

在中国,所有的煤矿井下的人员定位模式是:“定位卡——读卡器——分站——中心站”模式。读卡器到分站、分站间、分站到中心站均采用有线通讯。KJ627采用模式是“定位卡(传感器)——基站——中心站”模式。基站具备读卡、路由、传感接入等功能。基站间无线Mesh网络,通过一个基站为出口,就可以将整个Mesh无线网络接入中心站,并实现双向通讯。也就是说,KJ627基础网络是无线Mesh,采用具有自主知识产权的矿用基干无线传感网络技术,在中国煤矿产品中,是唯一的,经专家评审填补国内空白。Maslinx全无线、全电池技术国际领先,产品填补国内空白,技术标准符合国家标准,救援指标远远高于国家标准(具体见《AQ 6210-2007 煤矿井下作业人员管理系统通用技术条件》)。

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