基于ZigBee技術(shù)的礦井人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

朱啟成

摘要：ZigBee作為一種新型技術(shù)，近些年在我國(guó)的不同行業(yè)均有應(yīng)用。基于這一技術(shù)設(shè)計(jì)的礦井人員定位系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)在地面對(duì)工作人員的實(shí)時(shí)管控，而且為實(shí)現(xiàn)井上管理和井下的溝通與聯(lián)絡(luò)提供了便利條件。這種系統(tǒng)通過(guò)對(duì)信息的采集，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工作人員的準(zhǔn)確定位、識(shí)別身份以及繪制軌跡等，能夠?qū)崟r(shí)了解工作人員的身份狀況，為緊急救援提供了良好的技術(shù)保證。本文就ZigBee技術(shù)在礦井人員定位系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的討論。

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù);礦井人員;定位系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）14-0006-02

1ZigBee技術(shù)概述

1.1 ZigBee術(shù)內(nèi)容

在短距離通信中引入了ZigBee技術(shù)，極大地提高了通訊效率。這種技術(shù)采用2.4GHz波段，應(yīng)用跳幀技術(shù)，ZigBee技術(shù)本質(zhì)上就是一個(gè)傳輸平臺(tái)，這個(gè)平臺(tái)是網(wǎng)絡(luò)化的，由小于65000個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊所構(gòu)成，目前應(yīng)用的移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成原理與其相類似。在全網(wǎng)范圍內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)之間可以相互聯(lián)絡(luò)，不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離由75米逐步擴(kuò)大到幾百米或者幾千米。

1.2定位原理

基于ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)如圖1所示。定位的實(shí)現(xiàn)主要依賴于無(wú)線信號(hào)的傳輸，在無(wú)障礙空間中，特定功率大小的射頻信號(hào)通過(guò)地面的無(wú)線發(fā)射設(shè)備發(fā)出，不同位置射頻信號(hào)的強(qiáng)度數(shù)值和位置距離與發(fā)射天線之間的距離成反比例關(guān)系嘲。由計(jì)算公式可以得到：Tr=KQ/R2。Tr與發(fā)射設(shè)備相距R米處的信號(hào)值，Q：發(fā)射設(shè)備的信號(hào)數(shù)值，K：信號(hào)的衰減率，是一個(gè)常量。常數(shù)值和天線發(fā)射和接受信號(hào)的高度數(shù)值，信號(hào)頻率以及作業(yè)環(huán)境的條件都有關(guān)系。判斷一個(gè)無(wú)線接收設(shè)備是否能夠成功實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離信號(hào)的接收，主要取決于幾個(gè)方面的因素，首先，信號(hào)必須由無(wú)線發(fā)射設(shè)備發(fā)出，此無(wú)線發(fā)射設(shè)備必須與接收設(shè)備具有相同的信號(hào)通道和通信方式，其次，發(fā)射設(shè)備A發(fā)出的信號(hào)強(qiáng)度可以傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備B處，最后，接收設(shè)備的靈敏程度足以完好的接收信號(hào)。如果信號(hào)強(qiáng)度足夠，則接收設(shè)備便能夠?qū)崿F(xiàn)良好的信號(hào)接收。在這一操作中，需要有合理的覆蓋半徑，所謂覆蓋半徑，就是發(fā)射設(shè)備發(fā)射的信號(hào)，在距離接收設(shè)備指定距離R時(shí)恰好可以被接收設(shè)備以指定的靈敏度接收，這一距離R就是覆蓋半徑。通常，在發(fā)射設(shè)備的功率和接收設(shè)備的靈敏程度是一個(gè)不變的常量時(shí)，則覆蓋范圍就是以接收設(shè)備為圓心，以R值為半徑的圓。接收設(shè)備是位于圓上或者圓內(nèi)部的任意一點(diǎn)。一旦位于圓外，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的正常接收。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

人員定位系統(tǒng)是分布式的，是整個(gè)煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部的一個(gè)組成部分，定位系統(tǒng)的組成包括幾個(gè)方面，分別為：中心站、數(shù)據(jù)接口、定位站和標(biāo)識(shí)卡等設(shè)備，礦井下的定位系統(tǒng)根據(jù)不同的功能可以分為三個(gè)部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1）數(shù)據(jù)中心站

數(shù)據(jù)中心站主要包括兩個(gè)組成部分，分別為信息處理系統(tǒng)和轉(zhuǎn)換接口。信息處理系統(tǒng)的工作內(nèi)容是將不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)布的信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，并且及時(shí)有針對(duì)性地處理、顯示。其他成員能夠依據(jù)實(shí)際需要，對(duì)這些信息進(jìn)行查閱、為了實(shí)現(xiàn)RS232總線與RS485總線之間的無(wú)損轉(zhuǎn)換，需要設(shè)置一個(gè)滿足要求的轉(zhuǎn)換接口，不僅能夠及時(shí)傳遞井上信息，而且可以傳遞井下信息。

2）采集信息

位于礦井上的定位站和讀卡設(shè)備共同實(shí)現(xiàn)了信息的全面采集。標(biāo)識(shí)卡的資料采集由讀卡設(shè)備完成，定位站則是在對(duì)標(biāo)識(shí)卡資料采集的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將其傳遞至處理系統(tǒng)，傳遞的方式有兩種，分別為有線傳遞和無(wú)線傳遞。使用RS485接口負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。

3）標(biāo)識(shí)卡

標(biāo)識(shí)卡的使用目的是依據(jù)確定的時(shí)間間隔向系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，來(lái)確定人員的具體位置。標(biāo)識(shí)卡由工作人員佩戴在身上，卡內(nèi)安裝電池，以維護(hù)卡的正常使用。系統(tǒng)的電力供給依靠無(wú)線基站來(lái)實(shí)現(xiàn)，井下的高壓電是非本安型的，需要將其轉(zhuǎn)換為低壓直流電，此低壓電是本安型的，一旦出現(xiàn)斷電，則自動(dòng)啟動(dòng)蓄電池，如果保持充電狀態(tài)，則能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電池的充電。

4）硬件環(huán)境設(shè)計(jì)

監(jiān)控點(diǎn)的組成主要包括無(wú)線射頻接收設(shè)備、發(fā)射設(shè)備、微控制設(shè)備、電壓穩(wěn)壓設(shè)備等，全頻譜編譯碼，設(shè)備中采用CMOS以后，不需要額外增加其他組件，系統(tǒng)能夠抵抗較強(qiáng)的干擾，功率可以達(dá)到一個(gè)較低的水平，穩(wěn)定性強(qiáng)。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)備的傳輸距離以及可靠程度都能夠滿足應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

5）軟件環(huán)境設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)的組成包括通信模塊、控制設(shè)備模塊、不同設(shè)備接口、直流電源模塊、外部存儲(chǔ)設(shè)備等，通信模塊均為無(wú)線型，負(fù)責(zé)設(shè)備的收發(fā)，包含視頻和基帶兩個(gè)部分，射頻部分負(fù)責(zé)為數(shù)據(jù)通信提供接口，基帶部分則負(fù)責(zé)為鏈路提供通道，通視將數(shù)據(jù)信息合理分類，鏈路的管控由控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)執(zhí)行基帶的通信協(xié)議。執(zhí)行內(nèi)容包括：形成連接、選擇頻率、選擇鏈路類別、接人以及控制媒體、安全運(yùn)算等。模擬信號(hào)值經(jīng)過(guò)傳感器的調(diào)整以后，再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)于緩存中，被無(wú)線通信模塊傳輸至主要控制點(diǎn)，將信息選擇性提取，再按照需要進(jìn)行融合，進(jìn)行高級(jí)處理。

3系統(tǒng)在礦井中的應(yīng)用

煤礦井下巷道呈u形布局，系統(tǒng)中的ZigBee無(wú)線節(jié)點(diǎn)布置示意圖如圖3所示。

3.1實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的人員定位

井下作業(yè)的工作人員身上佩戴標(biāo)識(shí)卡，標(biāo)識(shí)卡會(huì)持續(xù)發(fā)射出射頻信號(hào)，信號(hào)中包含特定的信息，包括：作業(yè)人員的身份、ID號(hào)碼等，射頻信號(hào)被最近一級(jí)的定位點(diǎn)接收，定位點(diǎn)將井下作業(yè)人員通過(guò)標(biāo)識(shí)卡發(fā)出的信號(hào)和定位點(diǎn)的信號(hào)綜合起來(lái)，通過(guò)RS485線路傳送至距離最近的上一級(jí)定位點(diǎn)，逐級(jí)傳遞，直至地面中心處理點(diǎn)結(jié)束。通過(guò)信息處理點(diǎn)的計(jì)算機(jī)設(shè)備對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的記錄與處理，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理管控、方便不同部門人員開(kāi)展查詢工作，管理人員可借助這一系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)井下工作人員的合理管控，通過(guò)實(shí)時(shí)定位，了解井下作業(yè)人員的具體位置，查看工作進(jìn)度。當(dāng)井上需要召集井下的工作人員時(shí)，可以借助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)呼叫，可以每次只找某一個(gè)人，也可以同時(shí)找到幾個(gè)人或者幾十個(gè)人。井上的呼叫可以通過(guò)設(shè)備馬上傳遞至井下;同時(shí)，井下的作業(yè)人員一旦遇到了緊急事件，也能夠隨時(shí)呼叫井上的管理人員或者值班人員，這種呼叫是雙向性的、實(shí)時(shí)性的。

3.2確定井下工作人員的活動(dòng)軌跡

系統(tǒng)能夠描繪人員的軌跡。通過(guò)定位系統(tǒng)可以獲取人員在井下的活動(dòng)軌跡圖，管理井下工作人員的基站將識(shí)別卡中的ID信息進(jìn)行記錄，然后通過(guò)線路傳遞至服務(wù)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)置定位基站表，將ID號(hào)碼準(zhǔn)確記錄，建立節(jié)點(diǎn)表，準(zhǔn)確記錄各個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值，通過(guò)路由表記錄和處理不同基站的坐標(biāo)值。依據(jù)上述所有信息，實(shí)現(xiàn)工作人員軌跡的描繪。

4系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，需要選取合理的環(huán)境和條件，可以將模擬場(chǎng)景設(shè)置在學(xué)校的教室，先將設(shè)備合理定位，然后依據(jù)教室的實(shí)際狀況妥善安裝，尤其注意定位系統(tǒng)位置的選擇，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)工作人員的實(shí)時(shí)定位，在設(shè)備的主機(jī)上安裝人員跟蹤裝置，通過(guò)合理安裝考勤軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)工作人員的考核。初始化設(shè)置全部監(jiān)控點(diǎn)，全面準(zhǔn)確地錄入、存儲(chǔ)工作人員的基礎(chǔ)信息資料，使設(shè)備更加準(zhǔn)確、可靠地開(kāi)展工作。考核中首先測(cè)試單一標(biāo)識(shí)卡在各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)的信號(hào)值，然后再將多張測(cè)試卡以群組的方式在各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，為了提高測(cè)試的精度以及靈敏性，可以實(shí)時(shí)調(diào)整接收設(shè)備天線的朝向，準(zhǔn)確記錄數(shù)據(jù)，然后針對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)的改進(jìn)。

綜上所述，井下人員定位系統(tǒng)應(yīng)用了ZigBee技術(shù)，基于其微功率以及強(qiáng)大的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下人員的有效管控，避免了冗雜的線路所造成的干擾，不同監(jiān)控點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了高效的數(shù)據(jù)采集。根據(jù)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的弊端，技術(shù)人員可以對(duì)其實(shí)時(shí)修改、實(shí)時(shí)擴(kuò)充，任何模塊都可以根據(jù)使用要求進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)高精度的井下人員定位。