ZigBee技術及其在井下人員定位系統(tǒng)中的應用

1、ZigBee技術及其在井下人員定位系統(tǒng)中的應用    作者：王志中，董愛華    摘要：在煤礦井下發(fā)生安全事故后，及時準確地獲知井下作業(yè)人員的位置信息是至關重要的。本文在介紹了ZigBee技術的特點、協(xié)議和組網(wǎng)技術的基礎上。提出了將ZigBee技術運用于煤礦井下定位系統(tǒng)，組成無線傳感器網(wǎng)絡，構建井下人員無線定位系統(tǒng)的設計方案。    關鍵詞：Zigbee技術；人員定位；CAN總線    0 引言   

2、60;安 全是一個永恒的話題。安全生產(chǎn)是社會進步和人類發(fā)展的重要保證。盡管20世紀科學技術的發(fā)展已經(jīng)為未來的進步構筑了堅實的平臺，新的采礦方法和技術將不斷 被采用、采礦業(yè)將向智能化和無人化的方向發(fā)展。但是，目前傳統(tǒng)的采礦方法依然占據(jù)著主導地位，是其他采礦方法在短時間內(nèi)仍無法完全替代的，傳統(tǒng)的采礦方法 所面臨的安全問題仍將困擾著人類。由于缺乏對入井人員的有效檢測、定位手段，難以及時掌握井下人員的動態(tài)分布及作業(yè)情況。一旦發(fā)生事故，對井下人員的搶救 缺乏可靠信息，搶險救災、安全救護的成功率低，造成重大的人員傷亡。這些問題的存在迫切的要求我們建立一種既經(jīng)濟實用又安全可靠的井下人員定位系統(tǒng)。 

3、   目 前，礦井無線通信技術主要有透地通信技術、中遠距離射頻感應通信技術、漏泄通信技術以及礦井移動通信技術等。上述技術有的成本較高，有的功耗相對較大，還 有的抗干擾能力相對較差等一些不足，在很大程度上阻礙了在礦業(yè)行業(yè)的推廣應用。本文提出了一種基于ZigBee技術的煤礦井下無線網(wǎng)絡通信系統(tǒng)成功解決上 述問題。    1 ZigBee技術及定位方法    1.1 ZigBee技術    ZigBee 的名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，

4、蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈來通知發(fā)現(xiàn)的新食物源的位置、距離和方向等信息，以此作為新一代無線 通訊技術的名稱。ZigBee技術是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復雜度的無線網(wǎng)絡技術。主要適用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌 入各種設備，面向的應用領域是,低速率無線個人區(qū)域網(wǎng)(LRWPAN, Low Rate Wireless Personal Area Network)，目的是為了滿足小型廉價設備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制。    ZigBee與同類技術相比，具有許多特點，其主要特點如表1所示。    表

5、1 ZigBee的特點        圖2 系統(tǒng)簡圖    2.1 井上部分    井上部分主要是地面控制中心，按照功能劃分為兩方面：實時監(jiān)控系統(tǒng)和信息處理平臺。    實 時監(jiān)控系統(tǒng)是整個智能化監(jiān)控系統(tǒng)的基礎，監(jiān)管中心的計算機通過CAN接口標準與井下的固定監(jiān)控點進行數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)控系統(tǒng)功能主要為：完成監(jiān)控點的信息采 集、實時處理和存儲。從井下上傳的信息不但包括各類有害氣體的濃度數(shù)據(jù)，還包括井下工作

6、人員和設備的位置信息，這些龐大的數(shù)據(jù)經(jīng)過壓縮后都被保存在數(shù)據(jù)庫 中，是信息聯(lián)網(wǎng)的基礎。    信息處理平臺主要負責各網(wǎng)絡傳輸節(jié)點所發(fā)信息的存儲，并能對信息進行分析處理和顯示，將信息以網(wǎng)絡形式供其它有權限的成員查閱。    2.2 井下部分    井下部分是整個系統(tǒng)的核心，分為以下幾個部分：固定定位基站、移動定位標志卡模塊、通訊部分和電源等。    各組成部分主要性能如下：    (1)固定定位基站

7、：實現(xiàn)對標識卡上數(shù)據(jù)的采集，并通過有線和無線兩種方式將信息發(fā)送給信息處理平臺，同時承載其它無線基站數(shù)據(jù)信息的中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能。    (2)標識卡模塊：下井人員隨身攜帶的無線標志卡，記錄下井人員的個人信息，不斷的發(fā)射一定頻率的射頻信號。    (3) 通訊部分：由通訊線路和通訊接口等組成。通訊線路用礦用通訊電纜或礦用通訊光纖為信號的傳輸載體，在井下形成一個通訊網(wǎng)絡，將井下設備的采集到的信號傳輸 到井上。通訊接口由光電轉(zhuǎn)換器、通訊箱、通訊控制板等組成，其功能是將井下設備上傳的電信號轉(zhuǎn)化為計算機可識別的數(shù)字信號。 

8、;   (4)電源：防爆穩(wěn)壓電源，對無線基站進行供電。將井下非本安高壓交流電轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需的本安低壓直流電，并能夠在斷電情況下自動使用蓄電池進行供電，在通電情況下自動給蓄電池進行充電。    工作人員和重要設備上的ZigBee，可以進行實時定位。井下人員可以通過攜帶的無線定位機向系統(tǒng)發(fā)出報警，監(jiān)控中心可以第一時間了解事故地點，采取行動。監(jiān)控中心通過對井下巷道的監(jiān)視，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，第一時間向井下人員發(fā)出告警。    2.3 CAN總線    為

9、 了更好的解決井上信息處理中心與井下無線基站之間的數(shù)據(jù)傳輸通道問題。本設計采用CAN總線方式。CAN采用了新技術及獨特的設計，與RS485相比具有 突出的可靠性、實時性和靈活性。CAN的雙向通信彌補了RS485半雙工通信的缺陷，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)位置信息的上傳，當需要時還可以實時修改井下某監(jiān)控接點 信息。比較可知，RS-485網(wǎng)絡除了硬件成本、開發(fā)難度比CAN-BUS網(wǎng)絡稍具優(yōu)勢外，其他性能方面都沒有可比性。在產(chǎn)品更新速度特別快的今天，如果 將產(chǎn)品的上市時間，產(chǎn)品的后期維護軟件開發(fā)難度等計算在一起，RS-485的硬件成本優(yōu)勢也變得不十分明顯，因而用CAN總線取代RS-485總線是一種 比較徹底的方案

10、。    2.4 設置方案    在本設計中，井下人員定位系統(tǒng)采用Zigbee無線網(wǎng)絡技 術，Zigbee讀寫器設置在人員出入的井口及井下主要巷道的分岔口、各工作面入口等關鍵部位，其數(shù)量和密度決定了人員定位的精確程度，一般是根據(jù)現(xiàn)場實 際需要，沿坑道每隔200m距離(與井下電源接口位置一致)，工作面距離則可降低為50m在坑道適當位置(例如頂部)，所安置的網(wǎng)絡模塊將自動組成一個 Zigbee通信網(wǎng)絡，這個通信網(wǎng)絡實際就是一個定位網(wǎng)絡，每一個網(wǎng)絡節(jié)點就是一個定位點，網(wǎng)絡節(jié)點可通過自動讀取移動目標的信息和信號強度，來確定

11、移動 目標的位置信息，網(wǎng)絡定位節(jié)點在已有通信電纜的地方直接通過RS-232接口與CAN總線或現(xiàn)有的通信電纜相連接，再通過交換機將信息上傳至終端管理計算 機。通過井下人員跟蹤定位軟件系統(tǒng)處理，實現(xiàn)人員跟蹤定位系統(tǒng)的全部功能。    3 軟件設計    作為整個定位系統(tǒng)的一部分，軟件的設計具有極其重要的地位。本設計的軟件部分由以下幾部分組成：數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)、地面報警顯示子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、傳感器信號監(jiān)控子系統(tǒng)、井下人員定位子系統(tǒng)。    數(shù)據(jù)庫管理部分：數(shù)據(jù)庫模塊是整個軟件的基

12、礎與核心部分，根據(jù)實際需求，設計人員信息數(shù)據(jù)庫，地理信息數(shù)據(jù)庫和參數(shù)數(shù)據(jù)庫。這三個部分分別用于存儲不同類型的數(shù)據(jù)信息。    地 面報警顯示子系統(tǒng)：當發(fā)現(xiàn)有人失蹤或有緊急事故等情況時發(fā)出報警。緊急撤離信號只有離開危險區(qū)域后才會解除。而尋呼功能是在提示一段時間后或按緊呼鍵后自 動撤消。緊急呼叫和尋呼方式均采用信號互控方式，保證在收到尋呼信息和緊急撤離通知信號后信息處理平臺上有指示并能形成記錄供查閱。    通 信軟件是整個系統(tǒng)軟件的核心部分，關系到系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。數(shù)據(jù)無論在哪個環(huán)節(jié)都是不能丟失的。在定位分站與中心站主

13、機通信過程中，為了保證數(shù)據(jù)可靠地被中 心站收到，采用了確認信息傳輸?shù)姆椒ǎ终緜魍暌粭l數(shù)據(jù)，即卡號、天線號、時間信息后，等待中心站的確認信息，如收到中心站的確認信息后，則刪除這條信 息，否則下次仍繼續(xù)發(fā)送該條信息，以保證歷史數(shù)據(jù)不會丟失。    人員定位軟件系統(tǒng)由操作界面，以及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組成。當檢測到有信號傳 輸過來之后，立即執(zhí)行相應的程序，數(shù)據(jù)庫中如果有信息則自動讀取并發(fā)送到通信平臺，如有控制信息也寫到指定區(qū)域，程序檢測到以后發(fā)出控制命令，以把相應的 信息顯示到電腦或顯示屏上，實現(xiàn)相應的功能。    標志卡和讀寫

14、器部分軟件：標志卡主要是完成緊急呼叫的檢測、緊急撤離和尋呼信號的指示。讀寫器主要接收標志卡發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。其基本功能部分的流程圖如圖3所示。在完成對數(shù)據(jù)的正確接收之后，讀寫器將數(shù)據(jù)發(fā)送至基站，再由基站向上位機傳送。    4 結束語    基 于ZigBee人員定位的礦井井下通信系統(tǒng)可以通過有線與無線相結合的方式來實現(xiàn)，不僅節(jié)約成本，而且適合井下的特殊環(huán)境。采用信號強度檢測的方法，可以 實現(xiàn)地面控制中心對井下人員的實時通信與位置監(jiān)測。通過傳感設備還可以實現(xiàn)對井下重要儀器設備進行實時監(jiān)控和故障預報。在環(huán)境較為復雜的地方，特別是定位 區(qū)域并非線狀的地方，可通過適當增加定位節(jié)點數(shù)量的方法來提高定位精度。整個通信系統(tǒng)各功能實現(xiàn)獨立，方便實際應用與功能擴展。該系統(tǒng)不僅在井下發(fā)生事故 時可起到重要作用，而且可用于日常的管理，提供了較多的實用功能，比較適合煤礦企業(yè)的需求，具有較好的市場前景。    參考文獻：    1湛浩旻，孫長嵩，吳珊，等.ZigBee技術在煤礦井下救援系統(tǒng)中的應用J.計算機