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物联网LPWA技术在煤矿信息化中的应用

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资料介绍

针对无线通信技术传输距离近、覆盖区域小、网络复杂、技术成本高及功耗大等问题,介绍了物联网LPWA (Low Power Wide Area)通信技术的发展现状及其优势,研究和论述了LoRa和NB-IoT (Narrow Band-Intemet of Things)技术的基本原理、应用领域和方向.依据煤矿领域的特点,重点研究了LoRa技术在煤矿井下复杂环境的应用,为物联网LPWA技术在煤矿信息化建设中的应用起到了推动作用.

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局广山机械第47卷2019年第5期

囝

”8”一。。““”“。i”⋯ 譬8⋯ ““。

；

安

秀

清

物网LPWA技在煤

信息化中的用

新

技

学院浙江

312000

摘要：

无

通信技

距离近、覆盖区域小、网

Area)通信技

ofThings)技的基本原理、

复

、技成本高及功耗大等

，介了

Power Wide

物网LPWA(Low

的

展

状及其

域和方向。依据煤

网LPWA技在煤信息化建中的用起到了推

，研究和述了LoRa和NB— loT

Band-Internet

(Narrow

用

域的特点，重点研究

了LoRa技在煤井下复

境的用，

物

作用。

关

中

：物网；LPWA；低速通信

号：TD672

分

文献

志

：B

文章号：1

001— 3954(201 9)05— 0045— 04

of internet of _thingsLPWA _technologyin

Application

informatization of

colliery

ZHANG Xin

Vocational&Technical

Shaoxing

College，Shaoxing 312000，Zhejiang，China

Abstract：In view of the

small

ofwireless communication

such as short transmission

distance，

technology

problems

cost and

introduced the current

coverage area，complex network，high

high power consumption，the paper

Power Wide

and

of internet of

things

LPWA(Low

Area)communication

field and direction of LoRa and

NB— loT(Narrow

development

advantages

technology,

and researched the basic

Intemet of

Band-

principle，application

to the features of the

also studied the

of LoRa

Things)technology．According

colliery,it

application

role for the

of internet of

complex

colliery,which

played promotion

technology

surroundings

application

LPWA _technologythe construction of

informatization．

things

colliery

KevWords：intemet

communication

things；LPWA；low— speed

机械化、信息化和智能化是当前展的主

化，当前于信息化代，正在向智能化方向展。{

近十年来，煤网技用已渗透到方方面面，i

信息化建起到了重要作用。LPWA技

是近几年迅速展和用的新型物网广域通信接入{

，相比于WiFi、ZigBee等近距离通信接入技

具有明的技。LPWA主要包括LoRa和NB— i

loT两，具有低速率、低功耗、低成本、广覆5

盖和大接的特点，适合用于数据量小、延不敏、

煤 _{要方向，也是提高煤}

生

效益的主要倍增

物

器，更是保障煤安全的具体手段。煤

大量先的机一体化机械，已基本

域采用了

机械

推

煤

技

基金目：国家科技型中小企

302220)

技

新基金目(13C26213

技

作者介：新，男，1966年生，士，工程，主要研究

方向网及无通信技

物

。

G&幻。童叠oG瞳00G最量o(通曩ao毫G皇瘩o(通量o(通暑o(避暑oC避暑o(邋G避暑o(避暑oC通譬o(通暑o(邋(通00C避量；)(避(通量oC通岔 C疆量；)C通皇o(通譬oC通；

[2]李堂，崔

．煤井下

气

防爆壳体构研究[J]

，2016，35(8)：229-230．

煤

机械，2015，36(5)：181一183．

嘲

延森．弧面防爆壳体耐特性研究【J】．煤炭工程，2016，?

’

【3】向阳．防爆开关壳体

2001(2)：94．

度

[J】内蒙古科技与

，48(增刊1)：104— 107．口

(收稿13期：2018— 08— 06)

(修日j胡：2019-04-02)。：

[4】刘冰．6 kV 用防爆

器隔爆壳体的

【J】．煤炭技

《45

万方数据

圈舢机械舢籼叶⋯

感的低速通信⋯ 。煤在信息化建中，采用有

和

代LPWA国

准。NB— IoT是基于蜂

网

的全新

无

的方式构建

、机

性，如成本高、布

控系，如煤

等。由于存在技上的局限

、通信距离近和抗 f生差

低速通信述了

用，合煤

域的用，探

LoRa和NB— IoT在煤面上的用方式和方法，推

作

境

窄

授

物

网接入技，面向低功耗广域网用，采用

，并可部署于LTE网之上，具有成本低

状

困

和平滑升的能力，可

全球范部署。NB— IoT

面和控制

安

秀

清

等缺点，笔者

煤

用

，

与LTE网架构基本保持一致，分

用

LPWA技基本原理、

和

作

面。用面由E— UTRAN直 SGW；控制面方案通

MME 接SGW或SCEF。NB— loT网架构如

l所示叫】。

境特点，提出了LPWA技在煤

了LPWA技在煤

域的用和展。

LPwA技

用

◆

川

一

物

网接入技一般分近距离无接入技

距离通信技两大。近距离无接入技通常

包括WiFi、ZigBee、NFC和牙等，然部署成本

低，但覆盖区域小。物距离通信接入主要有基

于蜂通信技的2G／3G／4G和以低功耗特点

的LPWA接入技。蜂通信然具有范

_一勖

杉心I《4

h；1-1

霹㈣

和

厶¨

通

＼么

＼／

^r搿／一

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甯

网

～’

NB— loT网

移

NB-IoT network

Fig．1

移

大

和移性好的

LPWA技

起来的。它主要面向低速率、低功耗、低成本、广覆

，但成本高、接数小、功耗大。

NB— IoT支持待机

短、

网

接要求

高

的

，占用200 kHz的系

和180 kHz的基

是

足

距离物用而

网

的

展

，采用半双工FDD技，下行采用OFDMA

盖和大接的

延不敏感的物

用

域，适合距离、小数据量和

用。LPWA技的出，填

制，其子

和multi-tone

km。NB山0T具有以下多方面点Hl：①窄

占用180 kHz基，采用FDD

波

隔

kHz，上行可以采用single-tone

网

了

方式，通常NB— IoT通信距离可达15

物

网无通信接入技的空白，

用奠定了技。目前，LPWA技主要包括NB—

IoT、eMTC、LoRa和Sigfox等多种技。从无

物

网的深入

，高效

，

基

率

，

提高了

效率；② 源灵活部署，具 3种部署

部署和独立部署陋7；③广覆

上，又可分

授

段和非授

段，eMTC、

方式，内部署、保

NB— IoT工作在授

段，而LoRa、Sigfox工作在未

盖，相于GSM、NB— IoT在上下行分有20 dB和

授

网

段。它在技特点、部署方式、功耗、接入

用模式上都有所不同瞄一。

dB的增益，因此可得高达】0倍面的覆盖区

和

域；④低功耗、大接、低成本，基站支持达l()万

从LPWA技

展和用来看，我国的LPWA

个

端

接能力，端模具有达lo年的待机

成本降低，可大模部署。

技

主要重于NB— IoT和LoRa。NB— IoT由准化

3GPP提出制定，并得国盟ITU批

，

信

NB— IoT技是目前LPWA市最有前途的技

之一，主要由国内三大信运商提供服，构建于

准。LoRa最初由法国Cycleo公司提出，是一种基于

制的距离通信技，2013年美国Semtech公

原有移通信网之上，

用

提供深度室内覆盖，

接，并且具有

司

其核心技，2015年3月成立了LoRa 盟共

同推广LoRa 用。LPWA具有广覆盖、大容量、低

功耗和低成本的特点，以文本主，非常适合

覆盖、功耗和成本要求格的垂直行低速率用，

主要聚焦于智慧城市、智慧、公共事域，

、智能表、智能烟感、智慧照明等

支持大量的低吞吐率、超低成本

低功耗、化的网架构等特色

。当前正在初

始

展与

用

段，主要用于智慧城市、智能家居

以及智能

等域。

等

2．2

LoRa 程接入技

如共享

LoRa是一通信技，也可以称 LoRa 盟研

用。LPWA技

的

用空十分广

，

在推广和

推广的距离通信系【61。LoRa从

角度考量，

制、

展之初，需加大力度拓展其

新

用”刊。

主要包括物理和MAC 。物理采用

数字信号理和前向

等技，解决了距离

，具有抗干性好和穿

NB— loT和LoRa技

与低功耗以兼得的技

2．1

NB— loT窄物网

透能力的特点，适用于低功耗、距离、低吞吐量

2015年9月，NB— IoT被3GPP正式确定新一

的通信景。由LoRa

盟布的LoRaWAN，是一

万方数据

山机械籼籼叶⋯ 圈

种基于开源的MAC

，

LoRa技的全面

受到巷道壁和机械

的影响，

生的反射、散射，造成在巷

生复的多径播，巷道内人及

功率衰减重，

用打下

域开始了用，如智能停

、智能抄表、智慧社区和智慧城市等。

基

|71。根据LoRa技特点，目前在众

各

障碍物

无

波

多

、

物跟踪、智慧

道内的无

的移

致多普勒移，煤井下的特殊

境

安

秀

清

GHz以

LoRa使用免的ISM

，工作在l

LPWA技

的

用

生了挑 m1。

下，一般包括433、470、915 MHz等。LoRa具有高

达一148 dB的接收灵敏度，路径耗可达157 dB，

因此通信距离可达15 km以上，在城市境下可达

3．1

NB— IoT技

用

NB— loT技在国内的

商通近2年的快速布局，已在

本构建起了基于蜂大范接入网，目前

用

起步不久，信运

达地区基

km。它具有良的低功耗性能，接收流小于lo

网

的

mA，休眠

的LPWA技，具有私有个性化灵活部署的能力，

距离、低功耗、低成本、易于部署、准化等

特点。基于LoRa物理可以采用多种形式的用，

如点点通信、私有通信和LoRaWAN

流

200 nA。作工作在非授

段

展很快，不久将全面覆盖移通信网所涉及区

域， NB— IoT技的推广用打好基。依据NB—

loT技特点，它主要适用于地面物网LPWA接入

用，于煤地面用具有好的展前景。

具

匿

用

。

NB— IoT技

用最大的特点是用只需关注用

LoRaWAN 用系架构如 2所示。它是

端的用开，基站和后端运完全依

信运

LoRa 盟推广的用方案，采用星形拓扑

构

商，降低了用的开

靠。但由于所有信息都

度，系

运

相

安全可

网，主要由端、网关／基站、网

服

器和用服

网

运

商的后台系

，

器

成。

因此用信息存在安全患瞄1。NB— IoT技可以

用在煤地面的各种小数据量景，特适用于

运行状、煤

和运机械控等。

(1) 端基于LoRaWAN

范，采用跳通

用

信方式与一个或一个以上网关接，与网关

各

程

控系，如机械

距离半双工通信。端可以分 Class A、Class B和

地面地

3．2

境

Class

3种型，Class

A只能由

窗口，其余在休眠状

；Class B除了具有Class A功能外，增加了指定

端

起通信，待

LoRa技

用

信息送后开启2个接收

LoRa技与NB— IoT技相比，其在国内的

展和用更加成熟，已在众多域得到了好的推广

用。LoRa技是一种私有的距离物网接入技

，成独立体系，特适用于独立建网，具有好的

接收窗口；Class C除送信息外，其他

接收基站下的信息。

可以

(2)网关／基站透明

数据并，网关和网

数据，接收端上行

路

灵活性和适性。LoRa技在煤

有广展与用空一l。基于LoRa技

一般可以采用点点通信和网通信，煤地面

可以充分

域中的用具

服

器之基于TCP／IP通

的

用

信。

(3)网

服

器

整个网的管理，

行

LoRa 距离通信能力，相比近距离物

MAC

理等。

网接入具有更大的覆盖范，与NB— loT技相比

具有更好的灵活性和信息安全性，LoRa技和NB—

IoT技在煤地面上的用存在相互交叉和覆盖的

(4) 用服器从网

数据的分析理卜引。

服

器

取

用数据，

H}三

器

状况。另外，采用LoRaWAN 范的

在不增加

UIl

bll

b．t

外硬件下可以

行定位服

距离定位功能，可

。

煤

地面人

和

煤

井下是LoRa技的主要

用

景，可以充

分

其

距离、低功耗、低成本、抗干性好和穿

，构建起低速程通信平台，

井下控系。煤井下空特

Iti故抻}

A¨till。断j-：i

透I生

各

的

网

LoRaWAN 用系

煤

服

复

LoRaWAN _application

Fig．2

system

殊，造成

波

播

生

重的影响，LoRa采用了

等多种技，提高了信

能力和抗干能力，表明在煤井下有

跳

制和前向

LPWA技

用在煤

号

好的无通信性能，可以采用基于私有通信

煤

生涉及地面和煤井下2个区域，地面与

和LoRaWAN

LoRaWAN

来

井

程

网低速用”01。

推出的MAC 以

井下境状况相差很大，

无

通信

用

生的影响

波由于

是由LoRa 盟

也

著不同。井巷道境十分复，无

万方数据

囝舢机械舢籼畔⋯

空区煤自燃

警、煤井下人定位和急保障

上通信

，它的特点是国

准化，具有更好

LoRa技

的

，适用于更复，技性能要求更

等。LoRa技在煤井下用具有好的前景，有

待于一步深化研究。

高和

但

大

模

网

用，具有井下距离定位能力，

用成本相

高，技大。

度

安

妻

参考文献

基于LoRawAN的煤井下用系，常采用

⋯ 吴毅，夏婷婷，李青．基于NB-IoT及LORA的技

分

多基站来大覆盖面和安全性，它适用于

大模和

析和用展望【J】中国管理信息化，2018，21(3)：162— 164．

高要求的用情况，主要

端、LoRaWAN基站／网关、网

包括LoRaWAN

器和用服

【2]田敬波．LPWA物网技

50(8)：1747-1751．

展研究【J】通信技，2017，

服

器等阻¨。一般I青况下，井低速

不会很大，信息安全性和性要求也不太高，

用不是十分复，因此可以通个性化开私有通信

程

网的端数量

[3】文妍．LoRa物理和MAC

2017，32(17)：71— 77．

技

述[J】移通信，

[4]

光

，

震

，

娜．NB— loT技特性与网浅析[J】

物

网学，2017，l(2)：84-90．

来

LoRa物理的性能。以煤

例，其用系架构如 3所示，系

包括前置感器、

接入网关和用服器等”2。旧1。以采煤机

机

状

[5】万春，婷，高音．NB— loT系

状与展[J】中

系

渭

通迅技，2017，23(1)：10— 14．

主要

端

、LoRa基站、

【6】朱

，

蓓，

，等．物网无接入技研究

研

，。

，11

[J]物网学，2018，5(2)：77～88．

究

象，承和扇等是其关部件，些部件承受

大的冲和磨，因此，在关部件安装相

器，其相关参数(如温度、振

感知得的温度、振

用服

[7】静，光添．LoRa无

网

技

分析【J]．移通信，

2016，31(21)：50— 57．

感

[8】

玉，

．

井巷道合衰减模型与无

率

)

行

量。

信息，

理中心，适当

控制的信息，家系

性能合比【J]煤炭学，2011，36(9)：1581— 1586．

【9] 新．煤井下【J】．工化，

通

端

等

状

程

控

端

自

基站通

理后存

网

入

2018，44(12)：101— 105．

用，于需要

[10l 志彬，德，吴吴．新

窄

物

网技 NB— IoT[J]

智能化理和数据挖掘与分析，通通信平台反

物

网学，2017，1(3)：24— 32．

[111 新．基于LoRaWAN的煤井下安全急保障系

端

，

控管理，也可通

移

井下

系

互

[J] 山机械，2018，46(9)：62— 66．

网向管理者提供告警信息，达到

煤

信

[121 新．煤井下

2019，47(2)：53-57．

程

系

研究[JJ．山机械，

用研究【J】山机

息的

掌控n

。煤

端

机

状

采用

MAC

SXl278芯片研

以上私有通信

和基站

，

[131 新．采空区煤炭自燃

警技

，构建适用于煤井下距离通信

涉及信道争和避碰、低功

耗控制、通信高效收和通信参数化等。

械，2019，47(3)：57-60．口

■i萎摹釜；；：二凳

(收稿13期：2018— 12— 27)

(修日期：2019— 03— 15)

网平台，主要关

技

忘7

2019年

舅数据中心

刖p

端

3煤

机

系

for electromechanical

colliery

Fig．3 Monitoring system

equipments

物网LPWA技是新型程物网接入技

，具有距离、低功耗、广覆盖、大接和低成本

：(0379)64087788( 斌)

真：(0379)64087868

63．com

箱：ksjx— zb@1

的

点。LPWA具有明的技

性和穿透能力的特点，完全可以用于煤井下多

型煤安全控系中，如煤、采

，特是其抗干

网址：www．ksjx．COrn．Cfl

作

境

万方数据

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