淺析基于ZigBee技術的煤礦井下人員定位系統

王玲

摘 要：在研究ZigBee技術的基礎上設計了一套專業的煤礦井下人員定位系統。該系統采用最先進的無線收發器可以實時對井下采礦人員進行定位，識別身份，前提是井下工作人員必須穿戴一個收發信號的發射機，無線收發器收集到的信息傳送到地面，有利于考察井下工作人員的工作出勤，查詢井下工作人員的分布情況，提高工作的效率和安全性，發生事故時可以快速的實施救援，提高煤礦的安全管理水平。

關鍵詞：ZigBee技術；煤礦井；無線收發器；人員定位系統

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）27-0074-02

1 ZigBee技術研究意義

為了防止重大安全事故的發生，應該加強對井下的安全管理，保障工作人員的生命財產安全。

但是目前很多的煤礦在生產過程中很難掌握井下工作人員的動態分布情況，如果發生事故，不能展開及時有效的救援，降低了井下被埋人員的存活概率，所以煤礦應該大力投資建立一套科學的井下人員定位系統，井下工作人員隨時向地面提供其作業位置，有利于地面控制系統對井下人員進行管理，大力保障煤礦井下人員的安全，提高煤礦企業的工作效率和經濟效益。

2 ZigBee技術闡述

2.1 技術發展的背景

20世紀80年代美國和歐洲在自己的鐵路系統上采用了使用無線電臺來進行信號標桿定位的方法，但是當時的技術水平非常有限，所以沒有受到市場的青睞。隨著ZigBee技術的研發解決了技術的困境，ZigBee技術為信號標桿定位拓展了廣闊的市場，這種技術在中國市場得到了大面積的使用和推廣。

ZigBee技術是IEEE802.15.4標準經過發展衍生的技術標準。該標準的工作內容主要是參與制定物理層和MAC層協議，建立應用層和安全層的規范。2004年某企業發布了正式的IEEE802.15.4協議，很多產品已經推出市場。實踐證明ZigBee技術符合市場的需求。該技術可以實現不同廠商的設備之間相互通信，一方面具有良好的互操作性，產品具有高度的靈活性；另一方面能夠減少原始設備廠商的成本投入，提高資金使用效率。

ZigBee技術具有結構簡單，成本投入較低，消耗功耗低，非常穩定可靠的特點，是一種雙向微功率網格式無線接入技術。ZigBee技術最大的優點在于地理定位，該技術主要是在無需注冊的2.4 GHz ISM頻率段工作，非常方便，信號傳速率為250 KB/s，傳輸距離比較遠，可達到幾百米，甚至上千米。最重要的是利用ZigBee技術可以創建一個巨大的無線數據傳輸網絡平臺。

2.2 ZigBee技術的定位原理

無線收發機在空曠的環境下可以發射較大功率的射頻信號，科學研究得出某位置的信號強度和該位置到發射天線的距離的平方呈反比關系，經過長期的實驗研究出以下公式為：

Tγ=KQ/R2

其中Tr表示的是工作人員距離發射機R的信號強度，Q指的是發射機天線端的信號強度，K指的是信號的衰減指數，衰減指數的高低受到很多因素的影響。

實驗證明只有當信號強度大于接收靈敏度時，無線發射機才可以接收到另一個發射機發出的信號。我們假設將某個位置的信號強度剛好等于無線接收機B的接收靈敏度Br時的距離記做Rs，Rs看作發射機A相對于無線接收機B的覆蓋半徑，那么Rs在信A信號強度增大和Br減小同時滿足的情況下會增大，反之亦然。在假設如果A的位置固定，當A的發射功率等于B的接收靈敏度時，B只有在以A為圓心，Rs為半徑的范圍內才能接收到A的信號。總之，發射機的距離越近，信號越強。

2.3 無線網絡定位系統

在情況復雜的煤礦井下面使用無線網絡定位系統，必須在設計方案時，充分考慮到該系統的穩定性、抗干擾性、異常保護能力等。

在基于ZigBee技術的支撐下開發微功率收發機，主要包括井下人員的定位監控節點或網絡主節點和網絡分節點。在規定的范圍內建立由地面控制中心和若干個微功率無線發射機組成的無線網絡通信系統，采用該系統有助于地面控制中心對井下人員進行追蹤定位和安全管理。

無線網絡定位系統包括井上網絡系統和井下網絡系統，相互聯系，井上網絡系統是無線網絡系統的監控中心，可以共享網絡節點；井下網絡系統是主要是通信為主的微功率發射網絡系統。其中每一個微功率收發機都是一個監控節點，如圖1所示。

將該系統定位好的每一個移動目標進行標識，然后在每一個移動目標上安裝微功率定位信號發射機；系統工作過程中一定要保持網絡主節點和子節點聯系暢通，根據網絡主節點判斷信號的強弱，確定人員的位置和活動軌跡。

①系統硬件。系統的硬件構成主要無線射頻收發器、可調節微功率電壓穩定器、微控制器三個部分。研究人員要根據IEEE802.15.4標準協議設計硬件，結合ZigBee技術和經濟高效的CMOS設計方法，增強定位系統的抗干擾能力，降低設備的功耗；系統要在2.4GHZ ISM頻段運作，使定位系統可以正常高效運作。射頻收發器和微功率控制器采用SPI串行接口實現通信交流。

②定位系統。通信系統由802.15.4無線通信模塊和微功率控制器模塊組成。其中802.15.4無線通信模塊主要工作是收發數據，內部結構由射頻和基帶兩大部分組成。射頻負責為數據通信提供空中接口，基帶為物理信道提供鏈路以及分類數據；微功率控制器模塊主要工作是管理和控制所有信道鏈路，在基帶通信協議的規范下，負責為無限通信建立鏈接、提供頻率、鏈路，控制媒體接入、功率模式和安全算法等。經調整過的傳感器模擬信號在經過A/D轉換后會暫存在緩存中，無線通信模塊把模擬信號發送到主節點，提取特征、融合信息、處理信息等等，具體流程，如圖2所示。

圖2 傳感器模擬信號流程圖

3 結 語

建立基于ZigBee技術的煤礦井下人員定位系統一方面能對煤礦井下工作人員實行有效的安全管理，實時監督井下的作業情況；另一方面大大提高了煤礦企業的安全管理水平，有效保障了井下人員的生命安全，進一步提高了井下危機處理的能力。模塊化的設計體現了定位系統強大的可修改性和可拓展性，靈活簡便，提高系統對移動目標的定位精度，確保煤礦井安全作業，高效生產。

參考文獻：

[1] 黃旭慧.基于ZigBee技術的煤礦井下人員定位系統研究與應用[D].南昌：南昌大學，2012，（6）.

[2] 戴光賢.基于ZigBee技術的煤礦井下人員定位系統研究[J].煤炭技術，2012，（3）.