433M和2.4G頻率的RFID設(shè)備優(yōu)劣分析

目前國(guó)內(nèi)各個(gè)廠家開(kāi)發(fā)的礦井人員定位射頻卡所使用的頻率主要集中在433MHz和2.4GHz兩個(gè)頻點(diǎn),這兩個(gè)頻點(diǎn)各有特點(diǎn),在此做一個(gè)比較。

 1、關(guān)于人員定位的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：在新頒布實(shí)施的AQ6210-2007《煤礦井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)通用技術(shù)條件》中明確說(shuō)明識(shí)別卡的工作頻率可以在300M~3GHz。因此433MHz和2.4GHz頻點(diǎn)均完全符合新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

 2、的第一代人員定位系統(tǒng)采用2.4GHz頻段,而第二代產(chǎn)品則改用433MHz頻段。放棄2.4GHz頻段的最主要原因是信號(hào)弱，傳輸距離短，易出現(xiàn)漏卡。

 3、信號(hào)傳輸距離：

下式為無(wú)線信號(hào)在空氣中傳輸時(shí)的損耗計(jì)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(jiàn),傳輸損耗與頻率成正比。即頻率越高，傳輸損耗越大?；蛘哒f(shuō)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(shè)備信號(hào)傳輸距離短，傳輸過(guò)程衰減大，信號(hào)穿透、繞射能力弱，信號(hào)易被物體遮擋。433M信號(hào)強(qiáng)，傳輸距離長(zhǎng)，穿透、繞射能力強(qiáng)，傳輸過(guò)程衰減較小。

4、傳輸速率：2.4G數(shù)據(jù)傳輸速率較高（250kbps）、433M速率較低（100kbps）。

5、一般廠家所提供的信號(hào)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(jié)構(gòu)和環(huán)境非常復(fù)雜，再加上人員、車輛的遮擋和設(shè)備的干擾，特別是2.4G信號(hào)其本來(lái)傳輸距離就短再加上信號(hào)穿透能力差、傳輸衰減大，其信號(hào)在巷道中傳輸?shù)膶?shí)際有效距離會(huì)大大縮短，在有些情況下信號(hào)會(huì)變得很弱，甚至收不到信號(hào)。 

6、在礦井人員定位這一特定的射頻技術(shù)應(yīng)用中，所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量非常少。目前各個(gè)廠家設(shè)計(jì)的射頻卡工作過(guò)程類似。一個(gè)射頻卡一般1~5秒才發(fā)送一次數(shù)據(jù)，每次也只需要發(fā)送幾個(gè)字節(jié)。每次發(fā)送數(shù)據(jù)所需時(shí)間約1ms左右。其他時(shí)間射頻卡均處于休眠狀態(tài)以減少電池消耗。由此可見(jiàn)，射頻卡發(fā)送數(shù)據(jù)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(fèi)。也就是說(shuō)，對(duì)于礦井人員定位應(yīng)用433MHz和2.4GHz的傳輸速度都是綽綽有余。

7、由于射頻卡信號(hào)之間難免沖突，因此需要經(jīng)過(guò)幾次發(fā)送才能確保分站收到全部卡，所以在卡數(shù)量一定的情況下，系統(tǒng)讀卡速度主要取決于射頻卡每次信號(hào)發(fā)送的間隔，而不是數(shù)據(jù)傳輸速率。間隔越短讀卡速度越快，但同時(shí)功耗也越大，電池壽命越短。為了滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電池的壽命要求，一般射頻卡發(fā)送間隔在1~5秒之間，這樣就需要幾秒~幾十秒的時(shí)間將80個(gè)并發(fā)識(shí)別數(shù)量的卡全部讀上來(lái)，這與采用的頻點(diǎn)和數(shù)據(jù)傳輸速率關(guān)系不大。

8、433MHz下的通訊速率已經(jīng)完全可以滿足200個(gè)卡的并發(fā)識(shí)別數(shù)量，我們?cè)谏袢A集團(tuán)神東分公司的測(cè)試已經(jīng)完全證明了這一點(diǎn)。而行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的80個(gè)卡的并發(fā)識(shí)別數(shù)量更沒(méi)有問(wèn)題。神東的漏卡測(cè)試具有典型的代表性。測(cè)試要求放置于密封屏蔽的防爆膠輪車內(nèi)的200個(gè)射頻卡同時(shí)以80km速度通過(guò)分站而不能漏卡。許多廠家的2.4GHz產(chǎn)品參加測(cè)試，雖然采取了許多改進(jìn)措施，但最終都沒(méi)有通過(guò)測(cè)試。而公司的KJ133系統(tǒng)一次測(cè)試即通過(guò)，并成功在哈拉溝礦應(yīng)用，現(xiàn)已通過(guò)正式驗(yàn)收。KJ133是唯一一套在神東正式應(yīng)用的井下人員定位系統(tǒng)。這一測(cè)試和應(yīng)用充分說(shuō)明，2.4GHz并不能解決漏卡問(wèn)題，KJ133系統(tǒng)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)是解決漏卡問(wèn)題的理想方案。

9、影響漏卡率的關(guān)鍵因素是信號(hào)強(qiáng)度而不是傳輸速率，如果信號(hào)很弱甚至收不到信號(hào)，那么速率再高也沒(méi)有用。確保收到信號(hào)才是根本。目前一些人員定位系統(tǒng)在使用中出現(xiàn)的漏卡現(xiàn)象，其當(dāng)時(shí)分站附近的人員數(shù)量并不多，一般也就20~40人。遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)到80人的并發(fā)識(shí)別數(shù)量指標(biāo)，而實(shí)際應(yīng)用時(shí)在井口附近會(huì)超過(guò)100人。所以主要的原因決不是傳輸速率的問(wèn)題，而是因?yàn)榉终拘盘?hào)覆蓋范圍太小。特別是對(duì)于2.4GHz這樣的設(shè)備，因?yàn)檎趽鹾途嚯x對(duì)其信號(hào)影響很大，在很多情況下會(huì)出現(xiàn)某些卡的信號(hào)收不到，進(jìn)而導(dǎo)致漏卡。

10、 所以解決漏卡問(wèn)題的關(guān)鍵是提高分站信號(hào)覆蓋范圍，確保分站能收到每個(gè)射頻卡的信號(hào)并有足夠的讀卡時(shí)間。一些參與神東測(cè)試的廠家，采用2.4GHz頻點(diǎn)。所采取的加裝定向天線等措施來(lái)減少漏卡率，其目的正在于此。

11、 2.4GHz的優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度較高。但在井下人員定位應(yīng)用中，這一優(yōu)勢(shì)得不到體現(xiàn)。而2.4GHz信號(hào)弱的缺點(diǎn)卻在此應(yīng)用中表現(xiàn)出來(lái)。433MHz的傳輸速度完全可以滿足應(yīng)用的要求，而信號(hào)強(qiáng)度和質(zhì)量則明顯好于2.4GHz。實(shí)際的漏卡測(cè)試結(jié)果和應(yīng)用效果已證明了這一點(diǎn)

12、KJ133系統(tǒng)所使用的射頻卡，經(jīng)過(guò)國(guó)家級(jí)權(quán)威檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)。其人體輻射吸收值只是國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)限值的八千分之一，人員使用絕對(duì)安全。

13、每臺(tái)KJ133系統(tǒng)分站，其至少500米的信號(hào)連續(xù)覆蓋范圍是在井下環(huán)境下實(shí)際有效的通訊距離，并且不會(huì)因?yàn)橄锏拦諒?、起伏等地形條件的變化而縮短。因此可以確保收到每一個(gè)卡的信號(hào)，并保證足夠的讀卡時(shí)間。

14、 KJ133系統(tǒng)是以全礦井、全覆蓋為設(shè)計(jì)目標(biāo)。由于2.4GHz信號(hào)頻率高、傳輸衰減大，難以實(shí)現(xiàn)大范圍信號(hào)覆蓋。如果要實(shí)現(xiàn)較大范圍的信號(hào)覆蓋，則成本和代價(jià)太大。采用433MHz則可以較低的成本實(shí)現(xiàn)全礦井或工作面等重點(diǎn)區(qū)域信號(hào)全覆蓋。這樣除了可以有效解決漏卡問(wèn)題以外，還可以實(shí)現(xiàn)更多的附加功能如實(shí)時(shí)雙向無(wú)線尋呼/呼救功能、無(wú)線移動(dòng)瓦斯監(jiān)測(cè)功能、雙向語(yǔ)音通訊功能等，使系統(tǒng)發(fā)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(duì)射頻卡來(lái)說(shuō)是不現(xiàn)實(shí)的，再加上對(duì)遮擋等比較敏感、因此實(shí)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(xiàn)漏卡。

16、礦井人員定位是非常簡(jiǎn)單的射頻技術(shù)應(yīng)用。目前所采用的射頻收發(fā)芯片。無(wú)論是433MHz還是2.4GHz、其芯片的結(jié)構(gòu)和技術(shù)含量都差不多、很難說(shuō)誰(shuí)比誰(shuí)更先進(jìn)。2.4GHz技術(shù)的先進(jìn)性實(shí)際體現(xiàn)在基于該頻點(diǎn)上所開(kāi)發(fā)的帶有復(fù)雜智能協(xié)議的應(yīng)用。如無(wú)線局域網(wǎng)、藍(lán)牙、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBee等。它們的先進(jìn)性體現(xiàn)在復(fù)雜的協(xié)議和應(yīng)用上。如智能網(wǎng)絡(luò)和自組網(wǎng)技術(shù)等。而絕不是體現(xiàn)在射頻收發(fā)采用了2.4GHz這個(gè)頻率。在礦井人員定位這個(gè)特定的應(yīng)用中，如果說(shuō)2.4GHz比433MHz先進(jìn)，那是偷換了概念。而實(shí)際上2.4GHz通訊速度較快的優(yōu)勢(shì)在此應(yīng)用中并不能得到體現(xiàn)。相反它的缺點(diǎn)卻明顯地表現(xiàn)出來(lái)，如信號(hào)弱、通訊距離短、信號(hào)易被遮擋等，甚至因信號(hào)弱導(dǎo)致接收不到，而出現(xiàn)漏卡。是不是先進(jìn)還是要看實(shí)際使用的效果。

17、 關(guān)于電池壽命 KJ133系統(tǒng)所使用的射頻卡，如果只實(shí)現(xiàn)類似其他系統(tǒng)的考勤和區(qū)域定位功能。則電池壽命完全可以達(dá)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(gè)指標(biāo)，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(jiǎn)單，通訊距離也很短，容易出現(xiàn)漏卡，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確定位、雙向無(wú)線尋呼和呼救、位置連續(xù)監(jiān)測(cè)等功能。 KJ133系統(tǒng)所使用的射頻卡，其電池使用壽命完全滿足相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

18、 2.4G射頻卡對(duì)其他設(shè)備的干擾。 由于2.4GHz頻段在國(guó)際上和國(guó)內(nèi)都是無(wú)需許可證的開(kāi)放頻段，因此在此頻段開(kāi)發(fā)了許多應(yīng)用，這一頻段已十分擁擠。目前在2.4GHz頻段上開(kāi)發(fā)的應(yīng)用主要有：無(wú)線局域網(wǎng)、藍(lán)牙、ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、部分無(wú)繩電話以及其他一些短距離無(wú)線通訊設(shè)備等。其中無(wú)線局域網(wǎng)和藍(lán)牙已經(jīng)大量應(yīng)用，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也是方興未艾。由于射頻卡數(shù)量大，每個(gè)礦少則幾百，多則幾千。而且很多卡會(huì)由相關(guān)人員攜帶在礦區(qū)各處行走、移動(dòng)。如果采用2.4GHz頻段，則對(duì)其他2.4GHz應(yīng)用來(lái)說(shuō)，在整個(gè)礦區(qū)將會(huì)增加大量移動(dòng)的2.4GHz干擾信號(hào)源，勢(shì)必對(duì)這些設(shè)備和它們的正常使用產(chǎn)生干擾。采用跳頻技術(shù)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(shù)。 從技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看。以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用到井下，無(wú)線局域網(wǎng)設(shè)備也必然逐漸應(yīng)用到井下，另外ZigBee無(wú)線傳感器設(shè)備也將逐漸應(yīng)用到井下。

如果射頻卡也采用2.4GHz那么這些設(shè)備之間將產(chǎn)生嚴(yán)重的相互干擾，使得各種2.4GHz設(shè)備都無(wú)法正常工作。 因此應(yīng)當(dāng)慎重考慮2.4GHz射頻卡的使用。 

19、 關(guān)于3G， 3G是英文3rd Generation的簡(jiǎn)稱。意思是第三代移動(dòng)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(dòng)設(shè)備制造商和運(yùn)營(yíng)商實(shí)際上都更愿意使用較低的頻率，只不過(guò)較低的頻率已經(jīng)被各種應(yīng)用占，而不得不向高頻發(fā)展。而較高的頻率意味著信號(hào)質(zhì)量的下降和設(shè)備成本的提高。 1900MHz的小靈通通話質(zhì)量不如900MHz的GSM手機(jī)也說(shuō)明，頻率不是關(guān)鍵，重要的是信號(hào)質(zhì)量。