UWB技术在煤矿行业中的应用前景探讨

【摘 要】通过对UWB技术的介绍，针对煤矿行业物联网建设的复杂要求，提出一种新思路，开拓UWB技术在煤矿行业中的应用前景。

【关键词】UWB；超宽带；物联网；煤矿

1、UWB技术的介绍

UWB（UltraWideBand又称超宽带技术）是一种无线载波通信技术，即不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。UWB是利用纳秒级窄脉冲发射无线信号的技术，适用于高速、近距离的无线个人通信。按照FCC的规定，从3.1GHz到10.6GHz之间的7.5GHz的带宽频率为UWB所使用的频率范围，且最大发射功率不能超过41.3dBm/MHz。

2、UWB技术的特点

UWB为无线局域网WLAN和个人局域网PAN的接口卡和接入技术提供低功耗、高带宽并且相对简单的无线通信服务。UWB具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、被截获的可能性低、系统复杂度低、厘米级的定位精度等优点。主要表现有以下几点：

1）抗干扰性能强：UWB采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。

2）传输速率高：UWB的数据速率可以达到几十Mbit/s到几百Mbit/s。

3）带宽极宽：UWB使用的带宽在1GHz以上，高达几个GHz。超宽带系统容量大，并且可以和目前的窄带通信系统同时工作而互不干扰。

4）消耗电能小：UWB不使用载波。只是发出瞬间脉冲电波，所以消耗电能小。

5）保密性好：一方面是采用跳时扩频，接收机只有已知发送端扩频码时才能解出发射数据，另一方面是系统的发射功率谱密度极低，用传统的接收机无法接收。

6）发射功率非常小：UWB设备可以用小于1mw的发射功率就能实现通信。低发射功率大大延长系统电源工作时间，其电磁波辐射对人体的影响也会很小，因而UWB的应用面必然更加广阔。

3、煤矿行业的特殊性对物联网系统的要求

煤矿行业具有一定的行业特殊性，尤其是井下情况复杂，地理情况特殊，且无规律性，同时具备各种极端环境特点，比如富含瓦斯、矿尘大、潮湿、巷道空间狭小、巷道弯曲和分支众多等，各种事故随时威胁着煤矿安全生产。因此，常规用于地面的物联网技术和设备，难以直接用于煤矿井下。应用于煤矿行业的物联网系统，必须能够适应以下几个方面：

1）电气防爆。煤矿井下有甲烷等可燃性气体和煤尘，设备必须是防爆型电气设备，并宜采用安全性能好的本质安全型防爆措施，输入输出信号必须是本质安全信号。

2）电磁波传输衰耗大。井下空间狭小，阻挡体、巷道介质、弯曲、分支、倾斜、表面粗糙度、巷道支护等均会影响电磁波的传输，传输衰耗大。

3）GPS信号不能覆盖煤矿井下。

4）无线发射功率小。本质安全型防爆电气设备的最大输出功率为25W左右。

5）抗干扰能力强。煤矿井下空间狭小、机电设备相对集中，电磁干扰严重。特别是大功率变频器、大型机电设备启停、架线电机车电火花等对设备干扰大。

6）网络结构宜采用树形结构。煤矿井下巷道为分支结构、呈树形布置、分支长度数千米，煤矿井下电缆和光缆必须沿巷道敷设，挂在巷道壁上，宜采用树形结构。

7）传输距离相对较远。煤矿采掘工作面距地面调度室距离可达十多千米。

8）不宜采用中继器。由于中继器是有源设备，故障率较无中继器系统高，并且在煤矿井下电源的供给受电气防爆的限制，在中继器处不一定好取电源，因此，不宜采用中继器。

9）电源电压波动适应能力强。设备应具有较强的电源电压波动适应能力，特别当电网停电时，应由备用电源维持不小于2小时的正常工作。

10）抗故障能力强。煤矿井下环境恶劣，设备故障率高，顶板冒落等会造成电缆和光缆断缆、设备损坏。因此，设备应具有较强的抗故障能力，当系统中某些设备发生故障时，不会造成整个系统瘫痪，其余非故障设备仍能继续工作。

11）防护性能好。煤矿井下除有瓦斯等爆炸性气体外，还有硫化氢等腐蚀性气体、矿尘大、潮湿、有淋水。因此，设备应具有防尘、防水、防腐、耐机械冲击等性能。

12）设备体积小。煤矿井下空间狭小，因此，设备的体积、特别是天线体积不能很大，便携式设备更要注意设备的体积和重量。

4、UWB技术在煤矿行业中的市场应用前景

UWB技术由于同时具有无线通信和定位的功能，可应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面的雷达和图像系统中，诸如救援、测量、勘探和科研等领域，用做隐秘安全通信、救援应急通信、精确测距和定位、透地探测雷达、墙内和穿墙成像等。

UWB是一种特别适合煤矿行业领域内的通信技术。在矿井环境中，由于频谱的使用没有严格的限制，对数据速率的要求也不是很高，可以利用超宽带信号频带宽的特点来换取传输距离的延长；又由于功耗低，所以非常利于“本安型”电路的设计。这是一种全新的探索，采用UWB技术的通信设备同时具备体积小、重量轻，功耗低，抗干扰能力强，结构简单，可以采用电池设计，实现灵活安装与分布等特点，能够彻底解决煤矿长期以来在井下物联网建设中所遭遇的各种难题。不论是井下人员与设备的精确定位，还是井下各种监控对象的实时通讯监测，UWB技术带来了一种全新的通信理念，将它应用于煤矿井下物联网系统更是一种全新的探索。在不远的将来，能够预见到，采用UWB技术的煤矿物联网架构，能够与全新的三维GIS系统完美结合，展现出全方位立体监控管理下的煤矿矿井面貌。

结束语

UWB技术所具有的低功耗、高数据率、抗干扰能力强、系统复杂性低等特点，能够很好地对矿井井下生产环节进行实时监测，尤其在水灾、火灾、塌方等恶性事故救生抢险中更能起到至关重要作用。随着UWB技术的不断成熟，相关规范的不断成熟与完善，作为新兴物联网感知层的代表技术，在煤矿井下的物联网建设应用中必将具有很大的发展前景。

参考文献

[1]张文祥，马银花.短距离无线通信技术在煤矿井下的应用探讨[J].移动通信，2009（Z1）

[2]张靖，黎海涛，张平.超宽带无线通信技术及发展[J].电信科学，2001（11）

[3]张文祥，马银花.UWB技术在矿井无线通信系统中的应用研究[J].移动通信，2008（20）