433M和2.4G频率的RFID设备优劣分析

2020-08-29 18:51:00 杨西华 12

            433M和2.4G频率的RFID设备优劣分析

目前国内各个厂家开发的矿井人员定位射频卡所使用的频率主要集中在433MHz2.4GHz两个频点,这两个频点各有特点,在此做一个比较。

 1、关于人员定位的行业标准:在新颁布实施的AQ6210-2007《煤矿井下作业人员管理系统通用技术条件》中明确说明识别卡的工作频率可以在300M~3GHz。因此433MHz2.4GHz频点均完全符合新的行业标准。

 2、的第一代人员定位系统采用2.4GHz频段,而第二代产品则改用433MHz频段。放弃2.4GHz频段的最主要原因是信号弱,传输距离短,易出现漏卡。

 3、信号传输距离:

下式为无线信号在空气中传输时的损耗计算公式:

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

Los是传输损耗。单位为Db,d是距离,单位是Km ,f是工作频率,单位是MHz。 可见,传输损耗与频率成正比。即频率越高,传输损耗越大。或者说在同样传输损耗情况下,传输距离与频率成反比。即频率越高,输距离越短。

目前的2.4G设备信号传输距离短,传输过程衰减大,信号穿透、绕射能力弱,信号易被物体遮挡。433M信号强,传输距离长,穿透、绕射能力强,传输过程衰减较小。

4、传输速率:2.4G数据传输速率较高(250kbps)、433M速率较低(100kbps)。

5、一般厂家所提供的信号传输距离都是在地面空旷地带条件下的理想通讯距离,但由于井下巷道结构和环境非常复杂,再加上人员、车辆的遮挡和设备的干扰,特别是2.4G信号其本来传输距离就短再加上信号穿透能力差、传输衰减大,其信号在巷道中传输的实际有效距离会大大缩短,在有些情况下信号会变得很弱,甚至收不到信号。 

6、在矿井人员定位这一特定的射频技术应用中,所需要传输的数据量非常少。目前各个厂家设计的射频卡工作过程类似。一个射频卡一般1~5秒才发送一次数据,每次也只需要发送几个字节。每次发送数据所需时间约1ms左右。其他时间射频卡均处于休眠状态以减少电池消耗。由此可见,射频卡发送数据只使用了全部带宽的几千分之一,再高的传输速率完全是浪费。也就是说,对于矿井人员定位应用433MHz2.4GHz的传输速度都是绰绰有余。

7、由于射频卡信号之间难免冲突,因此需要经过几次发送才能确保分站收到全部卡,所以在卡数量一定的情况下,系统读卡速度主要取决于射频卡每次信号发送的间隔,而不是数据传输速率。间隔越短读卡速度越快,但同时功耗也越大,电池寿命越短。为了满足行业标准对电池的寿命要求,一般射频卡发送间隔在1~5秒之间,这样就需要几秒~几十秒的时间将80个并发识别数量的卡全部读上来,这与采用的频点和数据传输速率关系不大。

8433MHz下的通讯速率已经完全可以满足200个卡的并发识别数量,我们在神华集团神东分公司的测试已经完全证明了这一点。而行业标准所规定的80个卡的并发识别数量更没有问题。神东的漏卡测试具有典型的代表性。测试要求放置于密封屏蔽的防爆胶轮车内的200个射频卡同时以80km速度通过分站而不能漏卡。许多厂家的2.4GHz产品参加测试,虽然采取了许多改进措施,但最终都没有通过测试。而公司的KJ133系统一次测试即通过,并成功在哈拉沟矿应用,现已通过正式验收。KJ133是唯一一套在神东正式应用的井下人员定位系统。这一测试和应用充分说明,2.4GHz并不能解决漏卡问题,KJ133系统独特的结构是解决漏卡问题的理想方案。

9、影响漏卡率的关键因素是信号强度而不是传输速率,如果信号很弱甚至收不到信号,那么速率再高也没有用。确保收到信号才是根本。目前一些人员定位系统在使用中出现的漏卡现象,其当时分站附近的人员数量并不多,一般也就20~40人。远远没到80人的并发识别数量指标,而实际应用时在井口附近会超过100人。所以主要的原因决不是传输速率的问题,而是因为分站信号覆盖范围太小。特别是对于2.4GHz这样的设备,因为遮挡和距离对其信号影响很大,在很多情况下会出现某些卡的信号收不到,进而导致漏卡。

10、 所以解决漏卡问题的关键是提高分站信号覆盖范围,确保分站能收到每个射频卡的信号并有足够的读卡时间。一些参与神东测试的厂家,采用2.4GHz频点。所采取的加装定向天线等措施来减少漏卡率,其目的正在于此。

11 2.4GHz的优点是传输速度较高。但在井下人员定位应用中,这一优势得不到体现。而2.4GHz信号弱的缺点却在此应用中表现出来。433MHz的传输速度完全可以满足应用的要求,而信号强度和质量则明显好于2.4GHz。实际的漏卡测试结果和应用效果已证明了这一点

12KJ133系统所使用的射频卡,经过国家级权威检测机构检测。其人体辐射吸收值只是国家和国际标准限值的八千分之一,人员使用绝对安全。

13、每台KJ133系统分站,其至少500米的信号连续覆盖范围是在井下环境下实际有效的通讯距离,并且不会因为巷道拐弯、起伏等地形条件的变化而缩短。因此可以确保收到每一个卡的信号,并保证足够的读卡时间。

14 KJ133系统是以全矿井、全覆盖为设计目标。由于2.4GHz信号频率高、传输衰减大,难以实现大范围信号覆盖。如果要实现较大范围的信号覆盖,则成本和代价太大。采用433MHz则可以较低的成本实现全矿井或工作面等重点区域信号全覆盖。这样除了可以有效解决漏卡问题以外,还可以实现更多的附加功能如实时双向无线寻呼/呼救功能、无线移动瓦斯监测功能、双向语音通讯功能等,使系统发挥更大、更有效的作用。

15、 由于2.4G通讯距离短,加放大器提高功率则要大幅度提高功耗。对射频卡来说是不现实的,再加上对遮挡等比较敏感、因此实际的通讯距离更短,如果不采取特别措施提高通讯距离和读卡速度的话很容易出现漏卡。

16、矿井人员定位是非常简单的射频技术应用。目前所采用的射频收发芯片。无论是433MHz还是2.4GHz、其芯片的结构和技术含量都差不多、很难说谁比谁更先进。2.4GHz技术的先进性实际体现在基于该频点上所开发的带有复杂智能协议的应用。如无线局域网、蓝牙、无线传感器网络ZigBee等。它们的先进性体现在复杂的协议和应用上。如智能网络和自组网技术等。而绝不是体现在射频收发采用了2.4GHz这个频率。在矿井人员定位这个特定的应用中,如果说2.4GHz433MHz先进,那是偷换了概念。而实际上2.4GHz通讯速度较快的优势在此应用中并不能得到体现。相反它的缺点却明显地表现出来,如信号弱、通讯距离短、信号易被遮挡等,甚至因信号弱导致接收不到,而出现漏卡。是不是先进还是要看实际使用的效果。

17、 关于电池寿命 KJ133系统所使用的射频卡,如果只实现类似其他系统的考勤和区域定位功能。则电池寿命完全可以达到2年。 射频卡的功能越多,耗电越大,功能越少,耗电越小。所以不能孤立地看待电池使用寿命这一个指标,还要看射频卡的功能。有些射频卡虽然耗电少,但功能非常简单,通讯距离也很短,容易出现漏卡,更无法实现精确定位、双向无线寻呼和呼救、位置连续监测等功能。 KJ133系统所使用的射频卡,其电池使用寿命完全满足相关行业标准。

18 2.4G射频卡对其他设备的干扰。 由于2.4GHz频段在国际上和国内都是无需许可证的开放频段,因此在此频段开发了许多应用,这一频段已十分拥挤。目前在2.4GHz频段上开发的应用主要有:无线局域网、蓝牙、ZigBee无线传感器网络、部分无绳电话以及其他一些短距离无线通讯设备等。其中无线局域网和蓝牙已经大量应用,无线传感器网络也是方兴未艾。由于射频卡数量大,每个矿少则几百,多则几千。而且很多卡会由相关人员携带在矿区各处行走、移动。如果采用2.4GHz频段,则对其他2.4GHz应用来说,在整个矿区将会增加大量移动的2.4GHz干扰信号源,势必对这些设备和它们的正常使用产生干扰。采用跳频技术可以减少干扰,但不能避免干扰,并且目前许多2.4GHz射频卡并未使用跳频技术。 从技术的发展趋势来看。以太网技术已经开始应用到井下,无线局域网设备也必然逐渐应用到井下,另外ZigBee无线传感器设备也将逐渐应用到井下。

如果射频卡也采用2.4GHz那么这些设备之间将产生严重的相互干扰,使得各种2.4GHz设备都无法正常工作。 因此应当慎重考虑2.4GHz射频卡的使用。 

19、 关于3G 3G是英文3rd Generation的简称。意思是第三代移动通讯,而不是代表频率。3G所使用的频率和GSM、小灵通接近,仍然在2GHz左右。移动设备制造商和运营商实际上都更愿意使用较低的频率,只不过较低的频率已经被各种应用占,而不得不向高频发展。而较高的频率意味着信号质量的下降和设备成本的提高。 1900MHz的小灵通通话质量不如900MHzGSM手机也说明,频率不是关键,重要的是信号质量。