（信号与信息处理专业论文）井下人员检测系统中短距离无线传输技术的研究与实现.pdf

东南大学硕士擘住论文 摘要 我国煤炭安全生产形势异常严峻，将射频识别技术应用于井下人员检测系统不仅 可以改善井下人员( 车辆) 管理情况、提高矿井信息化管理水平，还可以为事故救援 提供支持。短距离无线传输设备既可作为射频识别标签使用，也可作为射频识别识读 器的读取前端使用，是井下人员检测系统的重要组成部分。 本文研究井下人员检测系统中的短距离无线传输技术，重点是短距离无线传输设 备的设计、实现和c m o s 射频收发器芯片的调制解调技术。具体内容如下： 第一章介绍项目背景和该领域内的国内外研究情况，并对项目所提出的井下人员 检测系统的功能、组成和工作原理进行说明。 第二章设计并实现短距离无线传输设备。本章首先分析煤矿井下电磁环境，确定 设备的工作频率；然后分析设计需求，确定设计方案，进行器件选型；最后采用射频 收发器芯片c c l 0 2 0 和单片机c 8 0 5 1 f 3 3 0 完成设计，设备电源使用二次锂电池，锂电 池采用耦合充电方式。 第三章研究c m o s 射频收发器芯片的调制技术。a s k 、f s k 和g f s k 是c m o s 射频收发器芯片常用调制方式。本章首先介绍当前频率合成器的主流技术；然后介绍 i s m u 珏频段c m o s 射频收发器芯片常用调制方式的调制原理；最后研究这些调制 方式在c m o s 射频收发器中的实现。 第四章研究c m o s 射频收发器芯片的解调技术。本章首先研究接收机的基本理论 与技术，包括模拟下变频、信号采样、数字下变频和抽样滤波；然后研究a s k 和f s k 数字基带解调原理，并给出完整的数学证明；最后运用软件s y s t 伽m e w 仿真c c l 0 2 0 的整个解调过程。 第五章介绍短距离无线传输设备的软件调试与硬件测试情况。在软件调试部分 中，介绍c c l 0 2 0 的寄存器配置、初始化、状态切换等操作，并叙述硬件测试程序的 编写和修改。短距离无线传输设备的频谱和数据传输测试表明：设备可以工作于a s k 、 f s k 和g f s k 模式下；在长直走廊的测试环境中，当收发模式为g f s k ，编码方式为 n r z 、发送功率为5 d b m 、传输速率为1 5 3 6 k b p s 时，设备点对点通信距离可达9 8 m 。 锂电池测试表明：耦合充电的效率比较低，一方面是因为热损耗比较大，另一方面是 因为频率发生器输出频率随着温度的升高发生偏移 关键词：人员检测短距离无线传输f s k 调制与解调仿真 末南大学硕士学位论文 a b s t r a c t h ( ：b i n a ，t h ec i r a 瑚s t a n c 髂i nm i n e 盟f ep r o d 眦t i o na mv e r ya w m l e 玎m l o 啦gt l l e r f i di nt h ei m d e f m i n cp e f s o nd c 【t 。c 石o ns ) 唔t 锄啪n o to n l yi m p r o v et h em a n a j ；咖n e n to f m i n ep e r s o n ( v h i c l e ) ，h a n c cl h cl e 、r e lo fm i n em 锄g 锄e n tw i n li n f o 衄b o n b u ta l s o 肿、r i d cm es 邳n 向rt l l e c i d e n tr e ：9 c u c s h o r td i s t a n c er a d i od e “c c ( s d r ) i sa n co f i n l p o n a n t 唧o n 锄临o f u n d e r m i 嘴p 蝴d e t e c t i 印s t e m s h a r t 娜g ew i r e l 嘲仃趾锄i 龉i t e 6 b n o l o g yo ft h e1 l d 朗m i n ep e r nd e t e c t i o n s y s t 锄i ss t i l d i 。di n1 l l i st h e s i s ，t b ek e yp o i mo fw t l i c hi n c l u d e sd e s i 鳃弛dr c 础i z a l i o no f s d r 雒w d l 勰l h em o d u l 撕o na n dd 翱1 0 d u l 颉协妇o l o g yj nc m o sr f 位1 s c 两v 仃c h i p h c h 印t e r e ，t l l eb k g r 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龃d g f s k a r ec o 蚴础y u s c d j n 血c c m o s r f 衄嗽e i v 盯c 1 却砸sc 1 坤t e r 丘r s t l yi n 仃o d u c 鼯t h em a i l l s t r e 锄蛐l o g yo f 脚e n c ys y l l 也i z t h em o “l a t i o n p r i i l c i p l eo fa s kf s ka n dg f s k 胁a l l yh o wt o 瑚j i z et l l e m o d u i a l i o n h 锄酷i n c m o sr ft f a 丑s c e i v 盯i si n v e s t i g a t e d h c h a p t e rf b 瓯吐峙d 锄o d u l 撕0 nt e 曲n o l o g yi nc m o sr f 缸a 璐c e i v 时c h i pi ss t i l 击e d t h i s 曲叩t 盯丘体t l yw o f k so v 盯t h eb 勰i cp r i n c i p l c 鲫【dt e c h i l o l o g y nm er e c e i v e r ，w h i c h m a i l l l yi n c l u d e 锄a l o gd o w nc o n v e r t s i g n a ls a m p l i n gt h 睇d i 西t a ld o w nc o n v 咖a n d 髓r n p l i i l g 蠡l t 盯a n e rr e s e a r c h i n gt h ed i g i t a lb 罄e b a n dd e m o d u l a l i o nt b e o f yo fa s ka n d f s km e 砌姘西v 嚣恤脚t h 御【a 虹c a lp 1 0 0 f 细a s k 卸df s kd i 鲥b a s 曲瓤dd 鼬o d u l a d 鸭 a n d 硎i z e st h ec c l 0 2 0d 咖o d u l a t i o np r o c e d l l r es i m i 】1 砒i 叻b y 璐缸gs y s t 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阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东 南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名：耘日期：二业翌 东南大学硕士学住论文 第一章绪论 短距离无线通信技术的概念范围很广，一般意义上讲，只要通信收发双方通过无 线电波传输信息，并且传输距离限制在较短的范围内，通常是几十米，就可以称为短 距离无线通信。蓝牙( b l u e t b o l l l ) 技术、8 0 2 1 1 b ( w i f i ) 技术、红外( m ) a ) 技术、 z i g b e e 技术和超宽带( u w b ) 技术等是短距离无线通信领域内的主流技术和热点【1 3 1 。 这几种技术具有不同的技术特点、不同的接入速率和不同的覆盖范围。具体使用何种 技术应当根据不同的应用环境和项目需求，选择不同的技术。 目前，微功率短距离无线通信技术在工业、民用领域得到了广泛研究和应用( 无 线智能家居、无线抄表、无线点菜、无线数据采集、无线设备管理和监控等) 。微功 率短距离无线通信技术是指【4 】，数字信号单片射频收发芯片加上微控制器和少量外围 器件构成专用或通用无线通信模块的技术。数字信号单片射频收发芯片一般采用f s k 调制方式，工作于i s m 频段。无线通信模块一般包含简单透明的数据协议或简单的加 密协议。用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据命令字进行操 作即可实现基本的数据无线传输功能。该技术开发简单快速，较适合搭建小型网络。 事实上，微功率短距离无线通信技术只是一个硬件平台，w s n 、z i 曲e e 、r f d 、 8 0 2 1 1 b 等的实现都可以建立在这个硬件平台之上。 1 1 论文研究背景 我国煤炭资源丰富。产能巨大。根据国土资源部2 0 0 4 年6 月发砸的统计报告显 示，截至2 0 0 2 年年底，我国探明可直接利用的煤炭储量为1 8 8 6 亿吨，已探明的煤炭 储量人均1 4 5 吨，按全国年产1 9 亿吨煤炭计算，我国的煤炭资源可以保证开采近百 年。2 0 0 5 年，我国一次能源消费总量中，煤炭占6 8 7 ，石油占2 1 2 ，天然气占2 8 ， 水电占7 3 。综合国内外的各种预测，到2 0 2 0 年，煤炭在我国一次能源消费结构中， 仍将会占到6 0 左右。根据中国煤炭报报道，我国2 0 0 5 年煤炭产量为2 1 1 亿吨。 因此，煤炭工业支撑着国民经济的快速发展，保障着我国的能源安全。 与此同时，我国煤炭安全生产形势却异常严峻。2 0 0 4 年，我国煤碳产量占全球 3 1 ，但煤矿死亡人数却占世界煤矿死亡人数7 9 。2 0 0 4 年，我国每生产1 0 0 力吨煤 要付出至少3 条人命，这一死亡率是美国的1 0 0 倍，是一些发展中国家的l o 倍。2 0 0 5 年，我国全年共有5 9 8 6 名矿工死于3 3 4 l 起煤矿矿难。从2 0 0 4 年l o 月中旬到2 0 0 5 年1 2 月上旬，相继发生了6 起涉难百人以上的煤矿事故。 当事故发生后，如果能迅速确定井下人员的数量和位置，并且通过通讯手段将事 第一章绪论 故的发生地点和事故性质进行通知，进而指挥井下工作人员选择最合理的逃生路线及 自救，将最大限度的减少人员伤亡，从而产生巨大的社会效应和经济效益。 1 2 国内外应用与研究动态 射频识别( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f d ) 就是通过射频的手段识别物体 的身份、特性等信息，实际上是自动识别技术( a u t o m a t i ce q u i p m e n t i d e n t i 丘c a t i o n ， a e i ) 在无线电技术方面的具体应用与发展。 1 9 4 8 年，哈里斯托克曼发表的利用反射功率的通信奠定了r f d 技术的理论 基础p l 。2 0 世纪7 0 年代，最早的r f d 产品应用出现。2 0 世纪8 0 年代，r f d 技术 及产品开始进入商业领域，各种规模应用出现。2 0 世纪9 0 年代，r f d 产品得到广泛 使用，并逐渐成为人们生活中的一部分，r f d 技术标准化问题日趋受到学者、政府 和相关组织的重视。目前，r f d 技术风靡全球，广泛应用于仓储物流管理、生产制 造与装配、航空行李处理、邮件包裹处理、图书馆管理、动物身份标识，运动计时、 门禁控制、道路自动收费等领域。 通常，r f d 系统由三部分组成：标签t a g ( 或称电子标签、射频卡、应答器 等) 。标签是系统的信息载体，一般由耦合元件( 线圈、天线等) 和微芯片组成，微 芯片内含有唯一的识别码，用来表示标签所附着的物体；识读器r e a d e r ( 或称阅 读器、读写器等) 。识读器是系统的信息读写控制，通常由耦合元件、收发模块、控 制模块和接口单元组成；数据处理系统。数据处理系统是系统的数据处理中心， 一般由计算机系统充当，完成数据的存储、分类、统计和查询等功能。 图l lr f 【d 系统组成及工作原理 砌q d 的工作原理是：识读器发出特殊射频信号；标签进入覆盖区域后，接收到 识读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息 ( 无源标签或被动标签) ，或者主动发送某一频率的信号( 有源标签或主动标签) ；识 读器读取信息并解码后，通过传输网络，将数据送至数据处理系统进行有关处理。 2 东南天擘硕士学位论文 射频识别应用占据的频段或频点在国际上有公认的划分，即位于i s m 频段之中。 r f d 技术频段特性见表1 1 。 表1 1 q d 技术频段特性略表 频段典型频率运行方式应用顿域读取范匿 低频( l f ) 1 2 5 k h z 动物识别、容器识别、工具识别、 3 0 3 0 0 k h z 1 3 3 k h z 电子f j j 锁防盗( 带有内置应答器的小于l m 汽车钥匙) 无源 电子车票、电子身份证、电子闭锁 高频( 阿1 1 3 5 6 m h z薪盗【电子遥控门镄控制器) 、小区 小于l m ，最大约为 3 3 0 m h z1 5 m 物业管理，大厦门禁系统等 超高频( u h f ) 4 3 39 2 m h z 铁路车辆自动识别、集装箱识别、4 6 m ，最大可达l o m 3 0 0 1 2 0 0 m h z 8 6 2 9 2 8 m h z 无源闩茸源 公路车辆识别与自动收费等以上，1 0 0 i i i 以上 2 4 5 g h z 高速公路收费系统。其中5 8 g 在部 微波3 1 0 l o o m 以上 5 8 g h z分国家已定为智能交通系统用频段 r f d 技术起源于欧美，最早将其应用于煤矿井下系统的也是欧美等国家。美国、 德国、波兰、南非等国家从上世纪7 0 年代就开始进行低频i u f d 技术用于煤矿井下人 员定位的探索1 6 】。在1 9 9 4 年之前，英国已经在煤矿井下使用了低频r f d 技术，并对 高频舡d 技术进行了实验研究【”。至1 9 9 9 年，美国已经在露天煤矿车辆跟踪系统中 广泛应用了r f d 技术，并尝试其在煤矿井下的应用【8 】。 澳大利亚矿山公司( m i i l es i t et e c l l l l 0 1 0 西e s ) 很早就开始进行井下通信产品的开 发，其开发的个人跟踪系统吼c 、r 代表了煤矿井下r f d 产品目前的世界水平。 订认c k e r 系统性能特点如下【9 j ：标签为主动式，带有1 个4 5 v 的电池包；标签体积 较小，为9 7 衄6 0 i n m + 3 2 m m ，重量较轻，为1 6 5 9 ，可以固定在矿工帽上，也可以固 定在车辆上；系统工作频段为唧频段：系统传送范围1 0 0 米( 前后5 0 米) ；管理 软件系统可显示人员、车辆或仪器设备( 携带标签) 所处的位置和最新记录信息；系 统一次可识别以4 0 公里小时快速运行的车辆标签至少1 0 个，车辆速度更低，可记录 的标签则更多。 国内将r f d 技术应用于煤矿井下人员、车辆的检测、定位和考勤的研究开始于 2 0 0 2 年之前【1 0 1 ，大规模的研究出现在2 0 0 4 年之后，直到今天。这期间科研人员发表 了大量相关文章、论文，产业开发也卓有成效。矿用i 强d 产品以深圳世纪潮公司的 删8 井下人员跟踪定位及考勤管理系统和上海秀派电子科技的k j 1 9 井下人员及设 备定位系统为代表。 将国内2 0 0 4 年至2 0 0 6 年1 2 月公开发表的煤矿井下人员管理及定位系统相关的 文章进行甄别，对其中所描述到的r f d 系统性能参数进行整理，得到表l - 2 。另外， 前文中提到的k j f 4 8 和k j 1 9 的性能参数也一并列于表中。 由表可知目前国内矿用r f d 系统研究的总体情况：系统工作频率集中在u h f 频段和微波频段内的2 4 g h z ：系统多采用单频工作方式，个别采用双频工作方式； 标签多采用有源方式；标签多采用单片机和射频收发器集成的方法( 也就是微功率短 第一幸绪论 距离无线通信技术) 实现。 表1 - 2国内矿用r h d 系统研究情况简表 序号工作频率收发功率电源标签设计覆盖范围防冲突高速阅读其它数据来源 1 单片机+ 射频收发 u h f 7 m 3 t i s1 抛4 k b p s 【l l 12 】 器 2 4 3 3 m h z ( 5 0 m 1 2 i 【b d s 【1 3 - 14 】 3 发：3 d b m 2 ，4 g h z j a r m + 射频收发嚣3 0 巧o m2 0 0 个2 伽唾 4 m 6 玎如 6 4 k b p s【1 8 】 7 单片机+ 射频收发 9 1 5 m h z发：9 d b m “k b p s【1 9 】 罂 s9 l s m h z】0 l l l 2 0 个6 n s 2 4 k b p s 【2 0 】 9 耦合元件+ a s i c被动工作方 9 1 5 m h z 【2 1 】 ( i c )式 l o 单片机+ 射频收发 使用芯片 4 3 3 m h z 【2 2 】 器o c l o l o 1 1 单片机+ 射频收发 使用芯片 4 3 3 舭 口3 】 嚣c c l 0 1 0 1 2 发；1 0 d b m单片机+ 射频收发最高数据速 4 3 3 m h z 【堋 收：，1 0 5 d b m器 率2 0 k b p s 1 3 井下人员检测系统介绍 本论文的项目背景是研究和实现用于煤矿井下人员和设备检测的管理系统。该系 统主要完成以下4 个功能： 1 ) 及时显示人员、设备在井下的位置和活动情况； 2 ) 统计人员、设备的下井情况； 3 ) 与井下人员进行简单的通信； 4 ) 事故救援。 图1 - 2 为项目设计的系统结构示意图。从图中可以看出，系统分为地上和地下两 个部分，一共有4 种设备： 光纤检测基站( o p t i c a lf i b c r b a s t a t i o n ，o f b s ) 其主要功能和作用是：唤醒s d r 并读取其相关数据；将读取到的数据转换成光 信号，利用光纤组成的骨干通信网络将数据传到监控中心。 收发功率统计以标签为准，发为最大发射功率，收为接收灵敏度 4 东南大孝硕士学住论文 无线多跳基站( w i r c l e s s 枷1 t i - h o pb 够es t a l i o n ，w h b s ) 其主要功能和作用是：唤醒s d r 并读取其相关数据；实现多跳中继功能，包括 数据包的过滤、存储转发、不同协议帧格式的转换。 短距离无线传输设备( s h o r td i s 锄c e i o ，s d r ) 其主要功能和作用是：存储个人或设备的相关信息；与o f b s 忍瑁略s 通信，发送 人员或设备信息数据。 系统监控中心以及相应的网络系统 其主要功能和作用是：运行服务器监控程序，实时动态显示、存储通过o f b s 和 、l 珥s 采集并传输而来的存储在s d r 中的人员或设备的信息，或者按管理者的要求 显示需要的信息。 图1 - 2井下人员检测系统示意图 系统的工作原理为：o f b s 和w h b s 各自构成相应的检测区；当携带有s d r ( 此 时其内部存储有标示其身份的d ，可以看作是一个标签) 的人员一( 或车辆) 经过该检 测区时，0 f b s 或w h b s 通过无线信道l 读出该s d r 的d ；0 f b s 通过有线接口接 入光纤传输网，将检测到的d 发送到系统监控中心；w h b s 通过无线信道2 与工作 在该信道的o f b s 建立数据联系，并通过其将数据转发到系统监控中心；系统监控中 心对相应的信息进行处理，确定井下人员数量、人员位罱和考勤等重要信息。 本人员检测系统采用无线与有线相结合的方式，具有良好的可扩展性，可应用于 大中型煤矿井下人员的定位管理与设备检测管理。 s d r 在系统中具有重要的作用，其性能的好坏直接决定整个系统的性能，甚至是 系统的成败。当装载具有d 的应答程序时，其作为系统的标签；当与具有网络接口 的控制芯片相连接，并装载控制询问程序时，构成o f b s ，其作为识读器或者w h b s 的有线接入点；当两个s d r 接入同一个控制芯片，并装载相应的程序，构成w 髓s ， 其中一个作为识读器，另一个作为中继器。s d r 也可与某些传感器相连，作为网络的 基本节点，从而构成传感器网络。 第一幸绪论 1 4 论文研究内容与组织结构 本文内容可分为三个部分，前两章为第一部分，中间两章为第二部分，第五章为 第三部分。第一部分主要是设计完成短距离无线传输设备( s d r ) 的硬件模块。第二 部分主要是研究c m o s 射频收发器芯片的调制解调技术，此部分是对s d r 中使用的 射频收发器芯片进行的拓展研究。第三部分主要是短距离无线传输设备( s d r ) 的硬 件测试。 论文各章节内容安排如下： 第一章是绪论。本章首先介绍项目背景情况，然后介绍这一领域内国内外的研究 情况，最后介绍项目所提出的井下人员检测系统以及s d r 在系统中的作用和功能。 第二章是s d r 的硬件设计与实现。本章首先分析了煤矿井下电磁环境，确定系 统的工作频率：然后分析s d r 设计需求、确定设计方案，包括硬件结构、芯片选型、 电源设计等；最后完成s d r 的硬件电路设计。 第三章是c m o s 射频收发器芯片的调制技术。a s k 、f s k 和g f s k 是c m o s 射 频收发器芯片常用调制方式。本章首先介绍当前频率合成器的主流技术；然后介绍 i s m 唧频段c m o s 射频收发器芯片常用调制方式的调制原理：最后研究这些调制 方式在c m o s 射频收发器中的实现。 第四章是c m o s 射频收发器芯片的解调技术。本章首先研究接收机的基本理论与 技术，主要包括模拟下变频、信号采样、数字下变频和抽样滤波；然后研究a s k 和 f s k 数字基带解调原理，并给出了完整的数学证明；最后运用仿真软件s y s t 咖e w 实现c c l 0 2 0 的整个解调过程。 第五章是s d r 的软件调试与硬件测试。s d r 的软件调试包括软件开发平台和软 件调试。在软件调试部分中，首先阐述了与射频芯片c c l 0 2 0 正常工作紧密相关的寄 存器配置、初始化、状态切换等问题，随后讲解了硬件测试程序的的编写和修改。s d r 硬件测试包括频谱测试、传输距离钡j 试和电源充电测试三个部分。 第六章是全文总结。本章总结全文的工作，并提出下一步研究的方向和内容。 6 东南大擘硕士学住论文 第二章短距离无线传输设备的硬件设计与 实现 本文第一章第3 节介绍了井下人员检测系统的结构、原理和功能，同时也强调了 短距离无线传输设备( s d r ) 在系统中具有重要作用。当装载具有d 的应答程序时， s d r 构成系统的标签，当装载控制询问程序时，s d r 构成系统的检测基站。为了论 述的方便，在不引起混淆的情况下，下文统一将系统中具有识读器功能的o f b s 和 w h b s 称为检测基站，人员和设备携带的s d r 称为标签。 本章第1 节分析煤矿井下电磁环境，确定系统的工作频率，第2 节分析s d r 设 计需求，第3 节确定s d r 的设计方案，最后一节选择芯片并完成s d r 的硬件设计。 2 1 短距离无线传输设备工作频率的选择 2 1 1 煤矿井下无线电波传播特性 煤矿井下环境复杂恶劣，巷道表面粗糙不平，巷道狭窄有拐弯和分支，四周环绕 着煤和炭石，还有支架、风门、机车、动力线等。在这样一个复杂的有限空间内，无 线电波的传播和自由空间大不一样。目前，矿井无线传输的理论和实验研究结果主要 如下： 电波传输衰减与频率的关系：当巷道截面等效半径与波长相差不大于1 0 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1 2 5 】。由于巷道截面一般在几平方米至 几十平方米之间变化，因此，矿井巷道对电波的自由传播可视为带阻型。在甚低频段 ( 、，】t ) 、低频( l f ) 、中频( m f ) 的低端，随频率增大，衰减增大；在中频高端、 高频( 砸) 频段，衰减达到最大；进入甚高频( ) 后，衰减随频率上升而减小【2 6 1 。 电波传输衰减与曲率的关系：在平直隧道中，频率越高，衰减越小：在弯曲隧道 中，频率越高，衰减越大1 2 ”。巷道拐弯会增大无线传输的衰减，拐弯角度越大，衰减 越大【2 习。 电波传输衰减与粗糙度、倾斜率的关系【2 6 】：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；当频率较 高时，倾斜所引起的损耗较大。 电波传输衰减与巷道分支的关系【2 5 】：巷道分支会加大无线传输的衰减，随着频率 7 第二章短距离无然传输设备的硬件设计与实现 的增高，由巷道分支所带来的衰减变大。 电波传输衰减与纵向导体的关系【2 5 】：巷道中存在的动力电缆、通信电缆、信号电 缆、架线电机车架空线、铁轨、绞车钢丝绳、水管等纵向导体起到导波作用，无线传 输的衰减将减小，并且纵向导体与巷道绝缘性能越好，越位于巷道中央，传输衰减越 小。在中频、低频段纵向导体的导波作用较大。随着频率的增高，纵向导体的作用越 来越小。在特高频及其以上频段，纵向导体的作用可以忽略不计。 衰减与人群的关系【2 8 】：在与煤矿巷道相类似的地下商场及地铁站台等有限空间的 实验中发现：随着工作频率的提高，人群的反射系数增加，透射系数降低；损耗在人 群中的入射功率比例在2 0 0 3 0 0 姗z 之间有一峰值，工作频率低于2 0 0 姗z 时，随 工作频率的增加，人群的损耗增加；工作频率高于3 0 0 z 时，随工作频率的增加。 人群的损耗减少。 衰减与井下设备的关系【2 6 】：井下设备较多、较复杂而且形状不一致，无论是理论 分析还是试验验证都较困难。目前较一致的结论是：机车对无线传输的不利影响较大； 木制风门对无线传输的不利影响较小，钢木混合风门对无线传输的不利影响较大，而 钢制风门可以阻断无线传输；临时性风墙对无线传输的不利影响小，永久性风墙对无 线传输的不利影响大，并且随着频率的增高损耗增大；感应线对低频较为敏感，当频 率低于1 0 m l z 时，感应传输距离比自由传播大很多；当频率大于l o o z 时，两者 相差已不显著。 经过以上的研究，适合矿井无线通信的频段主要集中在特低频( 切l f ) 、甚低频、 特高频( u l 巧) 频段。在以电磁波为信息传输载体的无线通信中，要保证信号良好辐 射，采用的天线尺寸需要与无线电波的波长成正比，以标准单鞭天线为例，其鞭长一 般至少为1 4 波长才能达到比较好的辐射效果【2 9 1 。如果选择特低频段和甚低频段，则 要求发射机功率大、天线长度长，基站和移动台设备沉重、体积较大，给煤矿工人的 工作带来极大的不便，很难满足煤矿的实际需要【3 ”因此。对于井下无线通信来说， 选择特高频作为系统工作频率是合理的。 2 1 2 煤矿井下u h f 频段传输损耗模型 研究人员对u h f 频段信号在隧道和煤矿井下的衰减情况进行了研究，并得出了 一些传输损耗模型，如下： 【p = 2 0 l o g 厂+ 3 0 l o g d 一3 2 ( 2 1 1 ) l p = 2 0 l o g 厂+ 3 0 l o g d 一2 8 ( 2 1 2 ) 式中，上p 为路径损耗，单位妇；，为频率，单位脚j ；d 为发射机与接收机之 间的距离，单位小。 式( 2 1 1 ) 由忻州雁门关隧道测试结果得出3 2 1 。测试隧道为拱形砖砌、混凝土、 平直隧道。测试设备为g s m 系统9 0 0 手机。 2 东南大擘硕士擘值论文 式( 2 1 2 ) 由灵石陈家山辅助隧道测试结果得出【3 3 1 。测试隧道用木棚兼有工字钢 支护，围岩为页岩、煤矸石，全长1 5 k m ，中部有拐点，除拐点外隧道平直。测试设 备为g s m 系统9 0 0 手机。 显然，在同频同距离处式( 2 - l - 2 ) 计算得出的损耗要比式( 2 1 1 ) 计算得出的损 耗大4 船。 表2 1 中的数据是对某一平直矿井隧道进行测量获得的1 2 6 】【3 4 】。根据式( 2 1 2 ) 计 算出的1 0 0 0 瑚z 频率预测损耗值要大于图2 1 中的数据，修正的传输损耗模型的固 定损耗值约为一5 5 左右。也就是说，式( 2 1 2 ) 估算的损耗要比实际情况大许多。此 次测量也获得另一个结果：频率为1 0 0 0 m h z 的电波在平直巷道中传播，每经过1 个 拐弯的损耗值为6 7 6 招【2 6 l 3 4 1 。 表2 1 无线电波在平直巷道中传输损耗1 2 6 j 【3 4 】 工作_ ! 颤率f m h 曲4 0 。o，o o o2 0 0 0i o 4 1 52 0 01 0 0 爰线插入攒耗( 国)嘏96 4 髂5 7 牺 3 缸孽损耗l ( 西7 ，的l 1 5 b 茸损耗l ( 毋)9 7“7 3 ；o 缸总报耗l ( 国)t 2 41 0 7站 4 5 缸总擞轧( 毋)1 5 ：1 2 7l 6 0 a n 息攒耗l ( 凸) 1 7 91 4 s1 1 8 4 58 ： 4 l ，0 7 0 l l 如勰 3 7 6 2 9 4 1 2 6 1 5 e 1 78 0 4 2 1 3 9 2 6 1 3 8 3 5 0 4 58 0 l 4 7 7 9 4 l 4 1 9 1 8 蛐 工作面及回采巷道是井下环境最恶劣、条件最复杂的生产作业场所。图2 1 是 9 0 0 瑚z 无线电波在晋城王台铺煤矿的两个综采工作面的测试情况。测试中发射机 天线发射功率1 6 衄珊，收发天线增益均为3 妇，接收机灵敏度1 2 0 招所。 l 巨i m 图2 ，i9 0 0 z 无线电波在两个长壁工作面上的测试数据p 5 】 9 眙 莘 s ： 2 o 姓 婵 ” 鲥 丝 1 o 艇 并 ， ” 势 5 q q 6 蛆 赳 站 帖 o n l 2 舒 盼 q o 2 2 酊 盼 m o o l 4 ：畲 珏 辩 n o j s 黼 黼 嬲 懈 l l l l 国 每墩硬掇耗 第二幸短距离无残传输设舳镢件设计与实现 设图中斜线上有任意一点a ，a 点处的相对场强为a ，单位为拈所，则我们可以 求出a 点处的传输损耗x ， 工= 原点处相对场强一4 点处相对场强= 一爿 ( 2 1 3 ) 上式中x 的单位为棚，相对场强的单位为扭m 。 由式( 2 1 3 ) 。可以知道，图2 1 也反映了长壁工作面上的“传输损耗一距离” 的关系。图2 1 中纵坐标“相对场强幽砌”改为“传输损耗掳”，纵坐标尺度取绝 对值标示，则图2 1 就是长壁工作匾上的“传输损耗一距离”的关系。 由图2 1 和上面的推导可以知道：“传输损耗一距离”曲线近似可以用两段斜线来 描述；两段斜线的转折点在离发射机3 0 m 左右，距离3 0 米之后线段的斜率大于3 0 m 之内线段的斜率，也就是说，3 0 m 内电波衰减小，而3 0 米正是近场和远场的分界； 3 0 m 处电波损耗值约为6 5 扭，5 0 m 处电波损耗值约为8 0 9 0 d 日。根据式( 2 1 - 2 ) ， 计算出9 0 0 斌z 无线电波在3 0 m 和5 0 m 处的损耗值分别为7 5 4 船和8 2 0 3 扭，也就 是说，式( 2 1 - 2 ) 在长壁工作面的适用范围大约为5 0 m 以内 综上所述，式( 2 1 2 ) 给出了煤矿井下传输损耗估计值的一个上限，能够较好地 估计u h f 频段在煤矿井下的最小覆盖范围。但是这种估计并不包括井下电磁环境最 复杂的工作面及回采巷道。 2 2 短距离无线传输设备硬件设计需求 根据本文第一章第3 节介绍的项目背景，s d r 可作为标签或者传感器节点，一方 面携带或装载在人员或车辆等运动物体上，另一方面要实现环境传感的作用。因此， 由两个或多个s d r ( 1 个检测基站，多个标签) 构成的短距离无线传输系统应满足如 下5 个要求： 1 ) 远距离识别。较远的识别距离可以减少检测基站的数量并降低系统结构的复 杂度，因此要求识别的有效范围在3 5 0 m 。 2 ) 长时间可靠工作。矿工一次井下作业时间在8 1 0 个小时左右，因而，每一个 标签一次必须保证至少连续工作1 2 个小时以上。 3 ) 具有防潮、防爆设计。煤矿井下环境一般具有潮湿、多粉尘、瓦斯含量高的 特点，通信设备必须具有相关设计。 4 ) 检测系统具有极低的误检、漏检率。本检测系统是为井下救援和人员考勤而 设计，因此，极低的误检、漏检率将最大程度的体现系统的实用性。 5 ) 检测系统必须考虑标签一定速度、一定数量下的检测性能。人员和机车设备 的移动使标签具有较低的运动速度。在某一时刻、某一位置( 例如矿井入口处) ，一 个检测基站的工作范围内可能存在较多的需要识别的人员或大量的传感节点。因此， 考虑检测系统在标签一定速度、一定数量下的检测性能才具有现实意义。 l o 东南大学硕士学位论文 综上所述，本设计完成的s d r 应具有以下特点： 低成本 以通常的基于r f d 的电子识别系统来讲，用于标示物体的标签总是有较大的使 用量。标签的单价直接影响到系统整体造价的高低。从器件选型入手，选用集成度高 的m c u 和无线射频芯片，尽量减少外围器件的数量，不仅可以降低硬件成本，还避 免了生产过程中的统调工作，降低生产成本。 小体积 在实际应用过程中，较小的体积有着很多的优势。最直接的方面是设备占用空间 小、携行方便、便于系统展开等。另外，较小的体积也方便s d r 和其它功能模块集 成，开发出系统新的功能。 。 电池供电 项目要求识别距离远达3 0 m 以上，一般的远距离i 溥d 系统中采用的反向散射调 制的方法不可能实现。本项目中的标签只能采用主动式( 有源) 标签。 低功耗 为了延长电池使用寿命，系统对低功耗性能要求严格。低功耗设计，一方面从元 器件的选择入手，另一方面要设计优化合理的运行时序，在完成标签功能的前提下， 使电路在大多数时间处于待机状态。后者是协议设计过程中应当考虑的问题。 高数据传输速率 较高的无线传输速率可以保证在定长的时间内完成多次的交互通信，也就是说， 较高的无线传输速率可以保证系统能够一次检测更多的标签( 比如2 0 个或者更多数 量的矿工下井作业，同时通过检测区) 。设计中将优先选择信号稳定、传输速率大的 芯片。 易扩展 当前，煤矿使用的各种监钡0 、监控和通信系统相当复杂，且相互独立，维护成本 也很高，实现煤矿综合业务数字化、网络化、集成化管理是一个必然的趋势雏3 。本 系统除了利用射频技术实现人员检测功能之外，也在考虑实现定位、语音传送、监测 数据传送等等功能。因此系统的模块化设计也是个应当重要考虑的因素。 2 3 短距离无线传输设备设计方案 2 3 1 硬件结构 s d r 主要包括以下功能；无线射频收发器( r f ) 、微控制器m c u ( c 5 1 ) 、人机交 互、电源管理与检测。按照以上分析，可以将s d r 按照逻辑功能进行划分，如图2 2 所示。 第二章短距焉无线恃i 赫乏 旨缀件设计与实现 图2 - 2s d r 硬件组成框图 系统由四个基本的组成部分( 图中实线部分) ：电源提供与管理、处理器系统、 无线通信模块和开关和按钮。电源提供与管理模块负责向整个系统提供稳定可靠的电 源( 来自某种电池) 以及实现以节能为目标的电源管理；无线通信模块实现标签和识 读器之间的可靠无线数据交互；处理器系统包括m c u 、存储器以及相应的支持电路， 负责整个系统的控制、数据处理和存储，以及提供面向不同场景和设备的外部设备扩 展接口。例如，有的标签需要与温度、湿度或其他传感器相连接( 图2 - 2 中虚线的部 分为可选部分) ，这时处理器系统就必须提供a d c 转换接口或者各种各样的数据通信 接口。开关和按钮用来控制系统通断以及配置系统参数并实现简单的人机交互。 2 3 2 射频芯片选型 国内r f d 读写器生产商大多生产低高频读写器，具备超高频及微波读写器生产 能力的少，标签及读写器使用的芯片、天线绝大多数为国外提供【3 s 】。本文第一章第2 节曾得出标签多采用微功率短距离无线通信技术实现的结论也反映了这种情况。 s d r 射频收发器芯片的选型是实现整个设计的基础。随着无线技术的发展。无线 射频芯片的集成度、性能都大幅度提高，芯片性能也各有特色。目前，生产此类芯片 的厂家主要有n d r d i c 、( 2 0 0 6 年初，收购业界另一主要生产商c h i p c o l l ) 、s e m t e c k ( 2 0 0 6 年，收购业界另一主要生产商x e i n i c s ) 、m a x i m 、a 嘧e l 、m i c r c l 、m i c r o c h i p 、 r f