邢臺礦礦山井下人員定位與通信系統的實現

張宜弛，蔣磊，常岑

中國礦業大學（北京）機電學院，北京 100083

1 研究的重要性和緊迫性

我國近年來煤礦的生產安全形勢比較嚴峻，由于礦井的巷道和井下作業人員的分布情況復雜，災變時難以確定井下人員的數量和位置，給救援帶來很大困難，礦井下的通訊以及發生事故后的即時營救是難以實現的困難問題。現有的 RFID射頻讀寫系統（包括SuperRFID），不能實現真正意義上的井下人員定位跟蹤，無法實時地報告井下人員的具體位置，也無法實現井下實時語音通訊，只能作為下井人員區域定位和考勤登記使用。為了滿足煤礦井下安全生產的需要，礦山井下無線跟蹤與定位系統在正常情況下應能為煤礦管理人員提供人員實時監控、進出限制、考勤作業、實時通訊等多方面的信息。一旦發生安全事故，通過監控系統應可以知道該被困人員的具體位置，保證搶險救災和安全救護工作的高效運作。根據邢臺煤礦井下巷道距離較長，工作面較為分散，設計并安裝井下定位與通信系統對于解決井下發生礦難時人員分散難以準確施救具有十分重要的意義。

2 主要研究內容

2.1 系統設計方案

礦山井下定位與通信系統擁有兩個射頻系統：WiFi部分和ZigBee部分。并具有通信分站和網絡交換機的雙重功能，可以直接連接到主干環網上，減少了基站控制器和中繼器的需要，整個系統簡潔、可靠性高、便于安裝和維護。其主要功能有2點：

1）井下綜合分站的WiFi部分實現網絡交換和無線網橋功能，構建無線骨干網、提供WiFi信號覆蓋和環網接力，負責在上位計算機和終端設備之間雙向傳遞數據；

2）井下綜合分站的ZigBee部分實現遠距離射頻識別系統的識讀器功能，收集與讀取礦工攜帶和安裝在礦車上的標識卡位置信息、狀態信息，并將這些信息進行本地的壓縮處理，通過WLAN骨干網向上位計算機提交該數據。

2.2 系統組成

礦山井下無線跟蹤與定位系統主要由網絡平臺、基站、上位計算機、終端設備和應用軟件組成，系統組成如圖1所示。它們大體上分為3層，即：

1）地面網絡交換層：主要為調度室交換機、語音網關、井口分站、地面分站；

2）井下無線網絡層：通過同時發射WiFi和Zigbee無線射頻信號的井下綜合分站實現井下定位信號和實時通訊信號的覆蓋；

3）終端設備：終端設備有本安型手機、本安型標識卡。

2.3 系統網絡拓撲結構

網絡采用環形加樹形拓撲結構。井下無線網絡層通過環網交換機構成主干環網，各個井下綜合基站彼此通過光纖并以接力的形式連接到井下工業以太環網實現井下的無縫隙覆蓋。邢臺礦井下基站拓撲結構如圖1：

圖1 邢臺礦井下基站實際拓撲圖

3 系統的硬件構成

綜合分站的功能設計：

綜合分站布置在各級巷道中，由于這些節點內寫入的坐標與實際環境的坐標一一對應，因此，這些基站在布置完成后就不輕易更換位置，除了結點出現故障或者網絡重新布置。固定在巷道中的綜合分站具有主要兩個功能：監測整個礦井井下人員的實時位置，轉發數據。由于這些結點處于礦井巷道，因此，采用礦用照明127V線路進行供電。礦井巷道綜合分站作為無線傳感器網絡的傳輸轉發結點，擔負著傳輸井下人員位置數據值。這些數據最終傳送到匯聚結點，然后再經過有線網絡保存在整個系統的數據服務器內。每個工作層面的無線傳感器局域網內的通信采用無線方式，而無線網絡之間則采用有線光纖局域網的形式進行通信。綜合分站根據煤礦巷道的實際情況以及天線布置的要求，綜合分站安裝在巷道側壁上。

綜合分站硬件主要由四部分組成：數據采集模塊、微處理模塊、無線通信模塊、電源模塊4 個部分組成。作為一個完整的嵌入式檢測系統，要求設計的組成部分的性能必須是協調和高效的，各個模塊實現技術的選擇需要根據實際的應用系統要求而進行權衡和舍取。數據采集模塊負責監測區域內信息的采集和數據轉換；處理器模塊負責控制整個綜合分站的操作，存儲和處理本身采集的數據以及其它節點發來的數據；無線通信模塊負責與其它傳感器節點進行無線通信，交換控制消息和收發采集數據，并通過WiFi信號提供語音通信功能；電源模塊通過電壓變換為綜合分站提供運行所需的15V直流電。

4 定位標識卡的軟件設計

本系統中采用CC2430作為ZigBee模塊中的主控芯片，CC2430芯片是Chipcon公司生產的符合ZigBee技術的2.4 GHz射頻系統芯片，是現有的最完善的ZigBee協議的單片解決方案之一，它延用了以往CC2420芯片的架構以及2.4GHz ISM波段應用對低成本，低功耗的要求，并在單個芯片上整合了ZigBee 射頻(RF)前端、內存和微控制器，能夠滿足大多數低功耗ZigBee（IEEE 802.15.4）無線傳感器網絡的應用需要。單片機是本安型標識卡終端監控模塊的核心, 經過比較, 終端監控模塊在設計上采用STC12C5410AD單片機作為主控單元, 它具有高抗靜電性, 寬電壓, 不怕電源抖動,具有低耗能工作方式, 可較簡便的實現掉電保護, 寬溫度范圍完全滿足相對惡劣的井下工作的環境、濕度等要求。系統采用CC2420作為ZIGBEE 射頻發射單元, 主控模塊與射頻模塊之間采用串口連接。

5 結論

1）將無線傳感器網絡最新的研究成果運用到井下定位系統，即以無線傳感器網絡的定位技術和通信技術現有的成果為指導，結合井下定位的實際應用情況，開發基于無線傳感器網絡的實時井下定位系統；

2）對井下定位系統中手持綜合個人裝置的功能需求進行分析。根據煤礦井下人員定位系統的設計原則制定設計目標，實現總體設計；

3）設計出功能齊全且高性價比的硬件模塊，搭建井下人員跟蹤定位系統綜合個人裝置的的硬件平臺，即基于ZigBee與WiFi兩種無線通信技術相結合的井下人員定位與實時通訊平臺，實現井下人員精確定位以及礦井上下的實時通信。使煤礦調度室中心可以更有效率的監控工作現場并且及時的溝通與處理。

[1]劉慶華，周小燕.應用Zigbee 技術構建井下人員跟蹤定位系統.煤炭科技·機電與信息化.

[2]瞿雷.一種新的無線網絡通信技術ZigBee.單片機與嵌入式系統應用，2006(1).

[3]徐麗華，王宜懷.一種ZigBee 網絡的設計與實現.微計算機信息，2007，23(11-2).

[4]郭韡，李郴，鄭嵐，楊敏，徐元元，趙偉.煤礦井下人員定位系統的現狀和發展.江西煤炭科技，2008(2).