基于ZigBee技術(shù)的礦井無(wú)線定位系統(tǒng)研究

摘 要：隨著社會(huì)的發(fā)展，煤礦業(yè)生產(chǎn)事故頻發(fā)，生產(chǎn)安全引起了人們的重視。生產(chǎn)安全成為了我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)首要問(wèn)題。在此背景下，一種基于ZigBee協(xié)議的煤礦安全監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

關(guān)鍵詞：礦井定位；ZigBee技術(shù)；特點(diǎn)；原理；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP212.9；TN929.5

近年來(lái)，我國(guó)煤礦業(yè)安全事故接連發(fā)生，尤其是瓦斯爆炸事故，嚴(yán)重威脅著工作人員的生命財(cái)產(chǎn)安全，給社會(huì)造成了嚴(yán)重影響。煤礦業(yè)生產(chǎn)安全問(wèn)題越來(lái)越引起社會(huì)各界人士的重視。

礦井定位是確保礦井下安全生產(chǎn)重要組成部分之一。隨著科技不斷的推陳出新，一種基于ZigBee協(xié)議的煤礦安全監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。ZigBee技術(shù)在礦井定位中的應(yīng)用能夠在發(fā)生安全事故時(shí)及時(shí)采取應(yīng)急措施，減少事故造成的損失。

1 ZigBee技術(shù)極其特點(diǎn)

1.1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee是一種低功耗、低數(shù)據(jù)、短距離的新興無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。由物理層、介質(zhì)訪問(wèn)層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用支持層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層組成了完整的ZigBee體系（見表1），主要用于遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)控制領(lǐng)域[1]。ZigBee通過(guò)調(diào)頻技術(shù)、各數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)間的相互通信。

2 煤礦井下定位跟現(xiàn)代ZigBee技術(shù)的融合系統(tǒng)

2.1 地面數(shù)據(jù)中心

地面數(shù)據(jù)中心站主要有轉(zhuǎn)換接口和信息處理兩個(gè)部分。信息處理主要有存儲(chǔ)所獲取的信息，并對(duì)所獲信息進(jìn)行分析處理以及顯示的功能，通過(guò)信息處理能夠把井下情況在計(jì)算機(jī)上顯現(xiàn)出來(lái)。轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行信息傳輸?shù)耐ǖ?，能夠把井下和地面的信息進(jìn)行傳輸和轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)接口和信息處理是井下和地面信息在多臺(tái)計(jì)算機(jī)設(shè)備之間進(jìn)行傳輸和信息呈現(xiàn)的重要處理環(huán)節(jié)[2]。

2.2 數(shù)據(jù)采集

信息采集中心主要用于井下定位信息的獲取工作。主要包括讀卡器和礦井巷道上定位分站兩部分。讀卡器主要用于采集標(biāo)識(shí)卡呈現(xiàn)出的數(shù)據(jù)信息。標(biāo)識(shí)卡以一種特殊的數(shù)據(jù)符號(hào)向讀卡器傳達(dá)數(shù)據(jù)，讀卡器經(jīng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總并傳遞給地面數(shù)據(jù)中心。在這里讀卡器是一個(gè)信息采集中心，同時(shí)也是一個(gè)無(wú)線基站數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中心。也就是說(shuō)，ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在無(wú)線和有線網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳播[3]。

2.3 標(biāo)識(shí)卡

標(biāo)識(shí)卡是獲取井下情況、進(jìn)行井下定位搜索的前提和基礎(chǔ)。也是信息獲取的一個(gè)基本單位。通常標(biāo)識(shí)卡會(huì)分布在礦井巷道里或者攜帶在井下監(jiān)管人員以及井下礦工的身上。

3 井下定位原理和特點(diǎn)

3.1 井下定位原理

通過(guò)分布在礦井巷道中或者井下工作人員攜帶的標(biāo)識(shí)卡，可以將井下現(xiàn)場(chǎng)的具體情況以代表每一地段、每一個(gè)人的射頻信號(hào)的形式進(jìn)行發(fā)出，標(biāo)識(shí)卡發(fā)出的射頻信號(hào)會(huì)被附近的定位分站接收。為了能夠保證標(biāo)識(shí)卡發(fā)出來(lái)的射頻信號(hào)能被各定位分站能夠及時(shí)有效地接收，應(yīng)考慮標(biāo)識(shí)卡的分布與定位分站的設(shè)立之間的緊密聯(lián)系[4]。

3.2 井下定位特點(diǎn)

采用ZigBee技術(shù)的無(wú)線定位系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)井下信息與地面信息的雙向交流。采用了ZigBee2006網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，提高了網(wǎng)絡(luò)通訊的可靠性。各節(jié)點(diǎn)能自動(dòng)計(jì)算自己的精確位置，具有完善的防沖突機(jī)制，實(shí)時(shí)定位精度高，能夠通過(guò)標(biāo)識(shí)卡的活動(dòng)路徑在計(jì)算機(jī)上展示井下現(xiàn)場(chǎng)的活動(dòng)軌跡，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，有效預(yù)防意外發(fā)生。一旦發(fā)生意外情況，能及時(shí)的做出合理的對(duì)策，最大限度降低意外造成的損失。

4 軟硬件環(huán)境的結(jié)合

由于煤礦井下采集工作的環(huán)境十分惡劣，給檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)備建設(shè)工作造成了諸多的的不便。特別是周邊自然環(huán)境對(duì)電路電網(wǎng)、通訊線路的搭建約束較大。ZigBee系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)性能方面有著非常高的要求。通常情況下為了能夠保證ZigBee系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)能夠高速率運(yùn)行，需要主頻大于2.6GHz的CPU，120G以上的硬盤、足夠大的內(nèi)存，雙硬盤設(shè)置，雙顯示器[5]。此外，對(duì)計(jì)算機(jī)的主機(jī)、軟件保護(hù)器、轉(zhuǎn)換接口、電源系統(tǒng)等外部配件也有著很高的要求。這樣都是保證ZigBee系統(tǒng)正常運(yùn)行的地面建設(shè)基本設(shè)備。

5 結(jié)束語(yǔ)

在我國(guó)，煤礦開采業(yè)的安全問(wèn)題備受關(guān)注。ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下信息進(jìn)行采集、處理、分析最終在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行顯示，并將決策信息傳達(dá)到井下工人的雙向交流。ZigBee系統(tǒng)信息傳遞高效、定位準(zhǔn)確，能夠有效預(yù)防意外發(fā)生，最大程度的降低安全事故造成的損失，是保障煤礦開采安全的一種重要手段。ZigBee檢測(cè)系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢(shì)但仍需不斷完善，為井下安全工作更好的保駕護(hù)航。

參考文獻(xiàn)：

[1]盛利.基于RFID和Zigbee技術(shù)煤礦井下人員跟蹤定位系統(tǒng)研究[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2009（11）：25.

[2]駱科學(xué).基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在礦井機(jī)車運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].山東科技大學(xué)，2010.

[3]張艷紅.基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)礦井人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].湖南師范大學(xué)，2010.

[4]劉德國(guó)，黃成玉，劉永濤.ZigBee技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)中的應(yīng)用[A].中國(guó)職業(yè)安全健康協(xié)會(huì)2013年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C]，2013：1037-1041.

[5]李偉.ZigBee和GIS技術(shù)的井下人員定位系統(tǒng)的應(yīng)用[D].太原理工大學(xué)，2010.

[6]滕志軍，李國(guó)強(qiáng)，何建強(qiáng).基于ZigBee的礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)與定位系統(tǒng)[J].自動(dòng)化與儀表，2013（01）：22-25+34.

作者簡(jiǎn)介：粟慧龍（1982.07-），湖南常德人，講師，工程師，研究方向：嵌入式技術(shù)；韓雪（1982.07-），安徽淮北人，講師。

作者單位：湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲 412000；湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲 412000