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地下矿井无线通信——基于RFID的传感器网络

作译者：阮锦屏,赵玉民,吴蔚英

出版时间：2014-04 千字数：630 版次：01-01 页数：392

开本：16(185*260) 装帧： I S B N ：9787121225758

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纸质书定价：￥75.0

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目    录
第1章  矿井通信技术
1.1  引言
1.2  有线通信服务
1.2.1  有线通信的类型
1.2.2  载波电流系统
1.2.3  组合系统
1.2.4  光缆通信
1.2.5  有线通信系统的限制
1.3  半无线通信系统
1.3.1  基于漏泄电缆的系统
1.3.2  人身安全定位和监测
1.3.3  增强型数字无绳电信系统
1.3.4  以太网
1.4  穿地通信系统
1.4.1  人员应急(PED)通信系统
1.4.2  发射机外盖
1.4.3  矿车守卫者矿工跟踪系统
1.4.4  Delta电磁梯度计信标跟踪系统
1.4.5  地下无线电气通信系统
1.4.6  紧急广播网
1.4.7  甚低频和低频的传播
1.4.8  对TTE的研究
1.5  无线通信服务
1.5.1  袖珍寻呼机
1.5.2  对讲机（Walkie-Talkie）系统
1.5.3  蓝牙
1.5.4  无线保真(Wi-Fi)
1.5.5  全球微波接入互操作性（WiMAX）
1.5.6  射频识别技术
1.5.7  超宽带通信
1.5.8  Watcher（注视者）-ATS
1.5.9  跟踪器标签系统
1.6  灾难管理用营救系统
1.6.1  地下和城市环境通信
1.6.2  牙齿麦克风
1.6.3  超低频信标
1.7  结论
参考文献
网站
第2章  适用频率的评价
2.1  引言
2.2  穿过媒质的波的传播 
2.3  实验室试验 
2.3.1  实验方法 
2.3.2  传输信号的分析
2.4  结果与讨论
2.5  结论
参考文献
第3章  被困矿工通信
3.1  引言
3.2  系统描述 
3.3  发射单元
3.4  接收单元
3.5  技术说明
3.5.1  电源及安全防护 
3.5.2  技术规格 
3.5.3  可靠元件
3.5.4  输入和输出的详细信息
3.6  安全性分析
3.6.1  发射单元
3.6.2  接收单元 
3.7  元件详细信息
3.7.1  安全性元件额定功率
3.7.2  发射单元元件列表
3.7.3  接收单元元件列表
3.8  系统功能
3.9  场地试验
3.10  结论
参考文献
第4章  竖井通信
4.1  引言
4.2  理论
4.2.1  电感应
4.2.2  电流钳
4.2.3  电磁耦合
4.2.4  后果
4.3  原理
4.4  系统描述
4.5  技术细节
4.5.1  发送单元
4.5.2  接收单元 
4.5.3  规格
4.6  现场安装程序
4.7  实验室和现场试验
4.7.1  实验室试验
4.7.2  现场试验
4.8  系统功能
4.9  结论
参考文献
网站
第5章  视距通信
5.1  引言
5.2  在煤矿坑道中特高频（UHF）无线电波的传播
5.2.1  波导模式
5.2.2  表面粗糙度造成的损耗
5.2.3  隧道壁倾斜造成的损耗
5.3  预期的矿井通信范围和传输损耗
5.4  系统描述
5.5  电路图
5.6  规格
5.7  现场试验
5.8  功能
5.9  结论
参考文献
第6章  全矿井范围通信
6.1  引言
6.2  系统
6.2.1  基本原理
6.2.2  系统描述
6.3  漏泄系统的技术规格
6.4  工作方法
6.5  优点
6.6  电缆类型
6.6.1  长线天线
6.6.2  双线馈线
6.6.3  Delogne系统
6.6.4  开槽的屏蔽电缆
6.6.5  松编织电缆
6.7  缺点
6.8  现场试验
6.9  无源放大器的开发
6.9.1  描述
6.9.2  电路图
6.9.3  规格
6.9.4  现场安装
6.9.5  天线试验
6.9.6  性能
6.10  结论
参考文献
第7章  采矿业的基于Web信息和决策支持系统
7.1  引言
7.2  煤矿需要IT应用的领域
7.2.1  提高生产力和生产率
7.2.2  轮班和人事管理
7.2.3  减少产量单货不符的情况
7.2.4  设备维修
7.2.5  库存管理
7.2.6  环境监测
7.2.7  矿史
7.2.8  灾难预测及矿山安全管理
7.2.9  法令要求
7.2.10  灾后管理
7.2.11  用网上保存的记录改进工作
7.2.12  地下矿井无线通信
7.2.13  决策
7.2.14  培训
7.3  系统描述
7.3.1  软件和数据库
7.3.2  中间件
7.3.3  硬件
7.4  结论
参考文献
第8章  ZigBee技术： 一种独特的无线传感器网络解决方案
8.1  引言
8.2  ZigBee技术
8.2.1  ZigBee协议栈
8.2.2  网络层
8.2.3  数据链路层
8.2.4  通用MAC帧结构
8.2.5  IEEE 802.15.4中的MAC协议概述
8.2.6  物理层
8.2.7  灵敏度和工作距离
8.2.8  安全性
8.2.9  限制
8.3  ZigBee技术专长
8.4  ZigBee与其他无线技术的比较
8.5  ZigBee的特点
8.6  应用领域
8.7  ZigBee的设备制造商
8.8  结论
参考文献
网站
第9章  矿山无线信息和安全系统
9.1  引言
9.2  功能
9.3  系统
9.3.1  协调器
9.3.2  路由器/终端设备
9.3.3  一氧化碳监测设备
9.3.4  甲烷监测设备 
9.3.5  信息设备 
9.4  原理及运行过程
9.4.1  跟踪和监测系统
9.4.2  减少致命事故
9.4.3  碰撞预防系统
9.4.4  效率和生产率监测系统
9.4.5  监测矿工不安全习惯与报警系统
9.4.6  信息通信系统
9.5  系统安装过程
9.6  系统功能
9.7  地下矿井RFID设备性能分析
9.7.1  评价数据包投递率实验
9.7.2  评价信标率实验 
9.8  结论
参考文献
第10章  RFID器件编程
10.1  引言
10.2  RFID设备的功能
10.3  CC2430芯片
10.4  CC2430模块
10.5  RFID设备的编程
10.5.1  使用USB接口的调试
10.5.2  利用CC2430调试连接器的调试
10.6  网络的建立
10.7  网络拓扑
10.7.1  星形拓扑
10.7.2  对等拓扑
10.7.3  分群树形拓扑
10.8  网络层次
10.8.1  应用层（层7）
10.8.2  表示层（层6）
10.8.3  会话层（层5）
10.8.4  传输层（层4）
10.8.5  网络层（层3）
10.8.6  数据链路层（层2）
10.8.7  物理层（层1）
10.9  无线应用协议
10.10  媒体访问控制
10.10.1  MAC应用
10.10.2  MAC操作
10.10.3  MAC应用程序设计
10.10.4  利用TI-MAC库的编程
10.11  RFID设备的编程和功能
10.11.1  无线网络编程
10.11.2  不同设备的功能
10.11.3  编程过程
10.12  结论
参考文献
网站
第11章  跟踪和监测软件
11.1  引言
11.2  应用软件
11.3  工作模式
11.4  流程图和算法
11.5  软件安装和操作步骤
11.5.1  安装步骤
11.5.2  操作步骤
11.6  结论
第12章  危险区的本质安全
12.1  引言
12.2  本质安全概念
12.3  分类
12.3.1  危险区
12.3.2  防爆设备的温度
12.4  有关本质安全的标准
12.4.1  ATEX指令
12.5  主要的定义
12.6  IS和关联设备的分组和分类
12.6.1  电气设备的分类
12.6.2  简单设备
12.7  本质安全设备的设计
12.7.1  结构特征
12.7.2  各种组件介绍
12.7.3  简单电路的设计
12.7.4  参数分析
12.8  本质安全考虑的参数
12.8.1  元件的额定值
12.8.2  连接器
12.8.3  熔断器
12.8.4  电池和电池组
12.8.5  半导体
12.8.6  故障
12.9  可靠元件
12.9.1  变压器
12.9.2  限流电阻
12.9.3  隔离电容器
12.10  分流安全组件的使用
12.10.1  安全分流器
12.10.2  并联分流限压器
12.10.3  导线和连接
12.10.4  电隔离元件
12.10.5  安全栅
12.11  电磁和超声波能量辐射设备
12.11.1  无线频率源
12.12  对首次设计者的建议
12.12.1  基本设计概念
12.12.2  安全性分析
12.12.3  影响本质安全的因素
12.12.4  防爆设备的维护和处理
12.13  本质安全电路设计指南
12.14  本质安全防爆的基本概念
12.15  结论
参考文献
网站
附录A  RFID设备编程
附录B  TMS软件不同模块的流程

译  者  序
正如本书作者所述， 地下矿井具有工作条件艰苦和环境危险的特点， 十分需要各种无线通信系统的开发， 特别是当前发展迅速的基于RFID（射频识别）传感器网络的应用。本书作者正是抓住了这一主题， 总结了长期这方面的工作经验而写出本书， 应该是具有一定的参考及交流价值。
本书综合论述了基于RFID传感器网络的矿井统一无线通信系统的基础内容及所能完成的各种任务。其最大特点是着重实践， 书中收编了从设计开始到制造、 组装、 本质安全分析、 测试、 实验室和现场实验、 不同无线通信系统部署和操作、 网络设计和应用、 编程方法及相关程序的所有技术细节， 许多可直接参考和应用； 并且理论方面的内容也可作为综合参考。本书介绍的内容并不是仅能用于地下矿井， 除地下矿井需考虑更严格的安全设计外， 其内容同样可用于其他领域， 如隧道通信、  复杂环境下RFID的各种应用领域、  物联网等。
但是， 本书校对工作可能比较仓促， 因此在翻译中不时会发现一些错误， 较明显的我们做了改正， 而有些只能尊重原文或加以适当说明； 并且书中的电路图及照片图较多， 由于版面有限， 有些图就很难看清； 也可发现某些电路图元件标示不清楚或与说明不符的现象， 类似的图只可作为示意性参考。这书涉及的内容较多， 只能做综合参考， 不能像设计报告那样要求详细的理论分析。如果需要， 详细内容经进一步分析或实验一般就可以理解。
本书翻译工作的安排如下：吴蔚英完成第1、 4、 5、 6章的翻译与修订； 赵玉民完成第12章的翻译与修订， 第10、 11章和附录的修订及全稿整理； 阮锦屏完成其他7章及前言、 附录等翻译工作， 对全书译稿进行了多次修订， 并主管了翻译组织与协调等工作。另外， 又请CETC-54所高工赵晓辉对“附录”原程序进行了审校， 其他参加及帮助本书翻译工作的人员将在后面列出。最后， 由深圳市远望谷信息技术股份有限公司进行了统一审校。主要翻译人员都是中电科技公司研究所的退休研究员， 从事过长期的科研开发工作， 其中也包括书中涉及的一些领域。我们对这本书的翻译很有兴趣， 也算是丰富退休生活及发挥余热。但是很遗憾， 由于种种原因， 这项工作持续了很长时间。
顺利完成本书的翻译工作也与深圳远望谷公司的领导及专家们的指导及支持分不开。深圳远望谷公司已是国内外知名的RFID上市公司， 对他们支持科研发展、 尽知名企业社会责任的努力深表感谢。孙玉院士也曾推荐过这本书， 认为其主题内容很好， 在此也表示感谢。此外， 还要感谢本书作者、 Springer出版社的版权经理陈青、 电子工业出版社的编辑周宏敏和冯小贝、 深圳远望谷公司的马琳和陈露露等多方的理解和支持， 以及为本书翻译提供帮助的阮志武、 吴鑫、 赵建军、 阮志彬、 陈秀英、 张树人等人。又获悉我国“十二五”规划， 针对矿业发展将加大对矿井安全支持力度， 包括建立各种通信与定位系统及网络； 强化矿山信息资源开发利用， 将是矿山工业可持续发展的必经之路。“十二五”规划也明确了建立传感信息中心为国家战略性新兴产业之一及要求物联网技术能有突破性进展。本书介绍的RFID传感器网络即可用于该应用， 也希望相关领域能有更多的开拓与发展。
尽管我们付出了最大努力， 但是本书的内容涉及众多学科主题， 短时间掌握较困难（译者与矿业的接触并不多）， 译者的精力和水平也有限， 加上本书作者是印度人， 英语写作风格也有些不适应， 因此错误难免。书中在难理解的地方已做了说明或提供原文， 不过我们还计划开辟网页供读者讨论及更新勘误等。目前， 读者可先通过Email（ruan_jp@sina.com）与译者联系。前    言
在过去几十年里，  无线通信已成为一门独立的学科。从蜂窝电话到利用无线传感器网络的无线数据传输， 已经深刻地影响了安全、  生产、  工业生产率， 也影响到我们的生活方式。经过10多年的呈指数的增长， 无线工业已是世界上最大的产业之一。因此， 如果不探索用于采矿业的无线通信， 会是不公正的。
地下矿井具有工作条件艰苦和环境危险的特点， 为矿井工作的顺利运作和确保更好的安全性， 需要易操作的全矿范围的通信系统。适当和可靠的通信系统， 不但可减少机器故障时间， 而且有助于在发生灾难时加速救援工作， 也有助于即时地将日常正常采矿作业的信息从地下工作区传递到附近地面。因此， 一个可靠和有效的通信系统， 为安全工作和保持地下矿井必要的生产和生产率是不可少的。大多数现有的通常可供地下矿井使用的系统是基于线路（有线）通信的原理， 这在灾难环境和某些不便部署线路的地方是无法接受的。而无线通信是一种必需的、  可信的和方便的系统， 对日常的正常工作或灾害情况都是十分重要的。目前在全球市场还没有关于地下矿井和危险地区无线通信技术的相关书籍， 因此一本介绍地下矿井无线通信的综合书籍， 对采矿和电子工程师都是极其需要的， 以便能提供对这一重要课题和安全系统设计方面的更深入的理解。考虑这些情况， 本书写作时包括了由作者为地下矿井不同区域无线通信所设计和开发的各种通信设备及其现场实验结果。
除了存在易燃气体和危险环境外， 由于地下地层对无线电波的高衰减， 地面应用的无线通信系统不能直接用到地下矿井。在通信路径上非匀称的矿井拓扑结构、 不平坦的矿山结构、 复杂的地质结构及大量错综复杂的情况， 产生了进一步的障碍。地下矿井无线通信是一项涉及多学科主题的非常复杂的技术， 因此本书的重点是关于地下矿井和危险区域无线通信技术的最近进展。本书给出了一个综合性的处理， 以提供一个无线通信系统数据、 语音和视频传输的统一的基础。这本书的新颖之处在于， 它不但包含了无线传感器网络、 射频识别设备、 系统专用的嵌入式软件、 应用软件和防爆电路的设计及开发技术， 也涵盖了广泛的无线通信系统最新的实践。
书中详细阐述了被困矿工安全通信系统、 竖井通信系统、 视距通信系统、 全矿井范围通信系统和基于Web的信息系统的技术内容， 还介绍了最新的RFID技术、 矿工信息和安全系统、 系统专用的嵌入式软件和应用软件。此外， 本书还提供了系统在地下矿井的部署和运行情况。因此， 本书包含了从设计开始， 制造、 组装、 安全分析、 测试、 实验室和现场实验、 部署和不同无线通信系统业务的所有技术细节。全书共分12章， 包括了地下矿井和无线通信技术不同方面的内容， 下面列举各章的简要内容。 
第1章——矿井通信技术。对全球应用的各种地下矿井通信技术进行了总结。 
第2章——适用频率的评价。收编了为确定不同地下矿区通信系统的精确频率， 在实验室和现场给出的实验结果。
第3章——被困矿工通信。在地下矿井， 有时由于地层裂缝、  坑道顶棚或侧壁倒塌而使矿工被困在封闭的地区， 许多矿工还可能被困在大块倒下的顶棚下面。为找出被困矿工的实际位置以加快救援行动， 在被困矿工与救援队之间建立通信链路是必不可少的。因此， 在这一章中， 讨论了由作者开发的被困矿工安全通信系统的系统描述、 技术描述、 框图、 详细电路图、 印制电路板布局、 电源安全保护、 安全分析以及实验室和现场试验的结果。 
第4章——竖井通信。如今在印度和其他一些国家的大部分地下矿井中， 正使用着响铃信令系统。但这种系统有其自身的缺陷， 需要经改进的移动料车中人与升降机操作员之间的升降机通信。因此， 为在竖井中进行可靠和实时通信， 对用升降机/导索作为电流载体的基于感应的通信系统的设计与开发进行了描述， 并且进行了系统、 技术、 框图、 详细电路图、 印制电路板布局、 电源安全保护、 安全分析和对所开发系统的实验室和现场试验的描述。 
第5章——视距通信。讨论了采用超高频收发器的视距通信， 对系统描述、 技术细节、 详细的电路图和安全方面的问题给出了应有的重视。 
第6章——全矿井范围通信。详细列举了用于全矿井范围通信的漏泄基通信技术。也讨论了其技术细节、 安全方面、 安装和调试的过程。 
第7章——采矿业基于Web的信息和决策支持系统。介绍了采用不同模块的基于Web的系统开发， 用于提高生产和生产率、 轮班和人事管理、 减少产量单货不符、 设备维修、 库存管理 、 环境监测、 矿井信息、 灾难预报、 矿井安全管理、 法令要求、 灾后管理、 用网上保存记录改进工作、 地下矿井无线通信、 决策、 培训和其他功能。突出存在的问题和不同模块的解决方案， 本章概要说明了Web基系统开发的领域。 
第8章——ZigBee技术。一种独特的无线传感器网络解决方案：详细讨论了用于地下的射频识别（RFID）技术的全球进展， 还讨论了在地下矿井中该技术的可行性和探索。详尽阐述了ZigBee技术。
第9章——矿山无线信息和安全系统。在地下矿井， 许多矿工一般在轮班时进入地下， 到不同的工作面开采煤/矿物。按现行的做法， 在灾难发生时， 识别与跟踪矿工是非常困难的。因此， 对地下矿井的管理来说， 不但在正常工作条件时， 而且在灾难情况下， 对矿工的识别和编码是亟须解决的一件事。因此， 本章对由作者开发的利用RFID技术的矿工信息和安全系统进行了详细的讨论， 对在地下与露天矿山的安装和调试过程及在地下矿井的工作性能也都进行了介绍。 
第10章——RFID器件编程。讨论了为动态无线传感器网络的地下应用所需的专用兼容系统的嵌入软件， 这可解决大网络中的冗余问题。该软件旨在使RFID设备作为协调器、 路由器和不同地下用途的终端设备， 例如矿工和机器跟踪、 监测矿工不安全的做法和提供现场甲烷和一氧化碳气体的预警及监测、 车辆相撞的预防、 致命事故预防和提供信息。对不同的设备， 如协调器、 路由器、 终端设备、 气体监测设备、 接近报警设备、 信息设备还提供了完整的程序代码。
第11章——跟踪和监测软件。详细讨论了采矿用的应用软件， 也讨论了编程方法。该软件是专门为采矿的不同目的而设计的， 有不同的模块， 即矿工和车辆跟踪、 露天矿的路线跟踪、 防止致命事故和车辆碰撞、 环境监测、 监测矿工的不安全做法、 发送警告信息、 信息通信和准备计算机化的矿工上班时间记录模块。不同软件模块的算法也被纳入该章。
第12章——危险区的本质安全。防爆电路开发的概念是本章的重点。详细说明了设计和开发防爆电路的技术内容。此外还列举了有害地区防爆电路的设计过程。
所有各章都精心描述了地下矿井用的不同类型的无线通信系统。每一章是针对特定的方向而写的。各种作者开发的通信设备的详细技术内容， 包括实施、 安装及交付过程， 在相应章节都进行了讨论。本书是写给在矿区通信和自动化领域的现代电信、 电子和仪器仪表、 软件及系统、 计算机科学、 电气和采矿专业的工程师、 科学家和研究人员的。对献身于这类课题的工程师们会从书中获益匪浅， 尤其在系统的安全设计方面。该书还会使从事该领域研究的大学、 研究所和研发机构的研究人员和企业专业人士获益。

L.K.Bandyopadhyay博士
S.K.Chaulya博士
P.K.Mishra博士
印度， 丹巴德

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