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        433M和2.4G頻率的RFID設備優劣分析

        2020-08-29 18:51:00 楊西華 96

                    433M和2.4G頻率的RFID設備優劣分析

        目前國內各個廠家開發的礦井人員定位射頻卡所使用的頻率主要集中在433MHz2.4GHz兩個頻點,這兩個頻點各有特點,在此做一個比較。

         1、關于人員定位的行業標準:在新頒布實施的AQ6210-2007《煤礦井下作業人員管理系統通用技術條件》中明確說明識別卡的工作頻率可以在300M~3GHz。因此433MHz2.4GHz頻點均完全符合新的行業標準。

         2、的第一代人員定位系統采用2.4GHz頻段,而第二代產品則改用433MHz頻段。放棄2.4GHz頻段的最主要原因是信號弱,傳輸距離短,易出現漏卡。

         3、信號傳輸距離:

        下式為無線信號在空氣中傳輸時的損耗計算公式:

        Los = 32.44 + 20lg d(Km) + 20lg f(MHz) 

        Los是傳輸損耗。單位為Db,d是距離,單位是Km ,f是工作頻率,單位是MHz。 可見,傳輸損耗與頻率成正比。即頻率越高,傳輸損耗越大。或者說在同樣傳輸損耗情況下,傳輸距離與頻率成反比。即頻率越高,輸距離越短。

        目前的2.4G設備信號傳輸距離短,傳輸過程衰減大,信號穿透、繞射能力弱,信號易被物體遮擋。433M信號強,傳輸距離長,穿透、繞射能力強,傳輸過程衰減較小。

        4、傳輸速率:2.4G數據傳輸速率較高(250kbps)、433M速率較低(100kbps)。

        5、一般廠家所提供的信號傳輸距離都是在地面空曠地帶條件下的理想通訊距離,但由于井下巷道結構和環境非常復雜,再加上人員、車輛的遮擋和設備的干擾,特別是2.4G信號其本來傳輸距離就短再加上信號穿透能力差、傳輸衰減大,其信號在巷道中傳輸的實際有效距離會大大縮短,在有些情況下信號會變得很弱,甚至收不到信號。 

        6、在礦井人員定位這一特定的射頻技術應用中,所需要傳輸的數據量非常少。目前各個廠家設計的射頻卡工作過程類似。一個射頻卡一般1~5秒才發送一次數據,每次也只需要發送幾個字節。每次發送數據所需時間約1ms左右。其他時間射頻卡均處于休眠狀態以減少電池消耗。由此可見,射頻卡發送數據只使用了全部帶寬的幾千分之一,再高的傳輸速率完全是浪費。也就是說,對于礦井人員定位應用433MHz2.4GHz的傳輸速度都是綽綽有余。

        7、由于射頻卡信號之間難免沖突,因此需要經過幾次發送才能確保分站收到全部卡,所以在卡數量一定的情況下,系統讀卡速度主要取決于射頻卡每次信號發送的間隔,而不是數據傳輸速率。間隔越短讀卡速度越快,但同時功耗也越大,電池壽命越短。為了滿足行業標準對電池的壽命要求,一般射頻卡發送間隔在1~5秒之間,這樣就需要幾秒~幾十秒的時間將80個并發識別數量的卡全部讀上來,這與采用的頻點和數據傳輸速率關系不大。

        8433MHz下的通訊速率已經完全可以滿足200個卡的并發識別數量,我們在神華集團神東分公司的測試已經完全證明了這一點。而行業標準所規定的80個卡的并發識別數量更沒有問題。神東的漏卡測試具有典型的代表性。測試要求放置于密封屏蔽的防爆膠輪車內的200個射頻卡同時以80km速度通過分站而不能漏卡。許多廠家的2.4GHz產品參加測試,雖然采取了許多改進措施,但最終都沒有通過測試。而公司的KJ133系統一次測試即通過,并成功在哈拉溝礦應用,現已通過正式驗收。KJ133是唯一一套在神東正式應用的井下人員定位系統。這一測試和應用充分說明,2.4GHz并不能解決漏卡問題,KJ133系統獨特的結構是解決漏卡問題的理想方案。

        9、影響漏卡率的關鍵因素是信號強度而不是傳輸速率,如果信號很弱甚至收不到信號,那么速率再高也沒有用。確保收到信號才是根本。目前一些人員定位系統在使用中出現的漏卡現象,其當時分站附近的人員數量并不多,一般也就20~40人。遠遠沒到80人的并發識別數量指標,而實際應用時在井口附近會超過100人。所以主要的原因決不是傳輸速率的問題,而是因為分站信號覆蓋范圍太小。特別是對于2.4GHz這樣的設備,因為遮擋和距離對其信號影響很大,在很多情況下會出現某些卡的信號收不到,進而導致漏卡。

        10、 所以解決漏卡問題的關鍵是提高分站信號覆蓋范圍,確保分站能收到每個射頻卡的信號并有足夠的讀卡時間。一些參與神東測試的廠家,采用2.4GHz頻點。所采取的加裝定向天線等措施來減少漏卡率,其目的正在于此。

        11 2.4GHz的優點是傳輸速度較高。但在井下人員定位應用中,這一優勢得不到體現。而2.4GHz信號弱的缺點卻在此應用中表現出來。433MHz的傳輸速度完全可以滿足應用的要求,而信號強度和質量則明顯好于2.4GHz。實際的漏卡測試結果和應用效果已證明了這一點

        12KJ133系統所使用的射頻卡,經過國家級權威檢測機構檢測。其人體輻射吸收值只是國家和國際標準限值的八千分之一,人員使用絕對安全。

        13、每臺KJ133系統分站,其至少500米的信號連續覆蓋范圍是在井下環境下實際有效的通訊距離,并且不會因為巷道拐彎、起伏等地形條件的變化而縮短。因此可以確保收到每一個卡的信號,并保證足夠的讀卡時間。

        14 KJ133系統是以全礦井、全覆蓋為設計目標。由于2.4GHz信號頻率高、傳輸衰減大,難以實現大范圍信號覆蓋。如果要實現較大范圍的信號覆蓋,則成本和代價太大。采用433MHz則可以較低的成本實現全礦井或工作面等重點區域信號全覆蓋。這樣除了可以有效解決漏卡問題以外,還可以實現更多的附加功能如實時雙向無線尋呼/呼救功能、無線移動瓦斯監測功能、雙向語音通訊功能等,使系統發揮更大、更有效的作用。

        15、 由于2.4G通訊距離短,加放大器提高功率則要大幅度提高功耗。對射頻卡來說是不現實的,再加上對遮擋等比較敏感、因此實際的通訊距離更短,如果不采取特別措施提高通訊距離和讀卡速度的話很容易出現漏卡。

        16、礦井人員定位是非常簡單的射頻技術應用。目前所采用的射頻收發芯片。無論是433MHz還是2.4GHz、其芯片的結構和技術含量都差不多、很難說誰比誰更先進。2.4GHz技術的先進性實際體現在基于該頻點上所開發的帶有復雜智能協議的應用。如無線局域網、藍牙、無線傳感器網絡ZigBee等。它們的先進性體現在復雜的協議和應用上。如智能網絡和自組網技術等。而絕不是體現在射頻收發采用了2.4GHz這個頻率。在礦井人員定位這個特定的應用中,如果說2.4GHz433MHz先進,那是偷換了概念。而實際上2.4GHz通訊速度較快的優勢在此應用中并不能得到體現。相反它的缺點卻明顯地表現出來,如信號弱、通訊距離短、信號易被遮擋等,甚至因信號弱導致接收不到,而出現漏卡。是不是先進還是要看實際使用的效果。

        17、 關于電池壽命 KJ133系統所使用的射頻卡,如果只實現類似其他系統的考勤和區域定位功能。則電池壽命完全可以達到2年。 射頻卡的功能越多,耗電越大,功能越少,耗電越小。所以不能孤立地看待電池使用壽命這一個指標,還要看射頻卡的功能。有些射頻卡雖然耗電少,但功能非常簡單,通訊距離也很短,容易出現漏卡,更無法實現精確定位、雙向無線尋呼和呼救、位置連續監測等功能。 KJ133系統所使用的射頻卡,其電池使用壽命完全滿足相關行業標準。

        18 2.4G射頻卡對其他設備的干擾。 由于2.4GHz頻段在國際上和國內都是無需許可證的開放頻段,因此在此頻段開發了許多應用,這一頻段已十分擁擠。目前在2.4GHz頻段上開發的應用主要有:無線局域網、藍牙、ZigBee無線傳感器網絡、部分無繩電話以及其他一些短距離無線通訊設備等。其中無線局域網和藍牙已經大量應用,無線傳感器網絡也是方興未艾。由于射頻卡數量大,每個礦少則幾百,多則幾千。而且很多卡會由相關人員攜帶在礦區各處行走、移動。如果采用2.4GHz頻段,則對其他2.4GHz應用來說,在整個礦區將會增加大量移動的2.4GHz干擾信號源,勢必對這些設備和它們的正常使用產生干擾。采用跳頻技術可以減少干擾,但不能避免干擾,并且目前許多2.4GHz射頻卡并未使用跳頻技術。 從技術的發展趨勢來看。以太網技術已經開始應用到井下,無線局域網設備也必然逐漸應用到井下,另外ZigBee無線傳感器設備也將逐漸應用到井下。

        如果射頻卡也采用2.4GHz那么這些設備之間將產生嚴重的相互干擾,使得各種2.4GHz設備都無法正常工作。 因此應當慎重考慮2.4GHz射頻卡的使用。 

        19、 關于3G 3G是英文3rd Generation的簡稱。意思是第三代移動通訊,而不是代表頻率。3G所使用的頻率和GSM、小靈通接近,仍然在2GHz左右。移動設備制造商和運營商實際上都更愿意使用較低的頻率,只不過較低的頻率已經被各種應用占,而不得不向高頻發展。而較高的頻率意味著信號質量的下降和設備成本的提高。 1900MHz的小靈通通話質量不如900MHzGSM手機也說明,頻率不是關鍵,重要的是信號質量。


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