淺析基于ZigBee技術(shù)的煤礦井下人員定位系統(tǒng)

王玲

摘 要：在研究ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計了一套專業(yè)的煤礦井下人員定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用最先進(jìn)的無線收發(fā)器可以實時對井下采礦人員進(jìn)行定位，識別身份，前提是井下工作人員必須穿戴一個收發(fā)信號的發(fā)射機(jī)，無線收發(fā)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(fā)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(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；煤礦井；無線收發(fā)器；人員定位系統(tǒng)

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

1 ZigBee技術(shù)研究意義

為了防止重大安全事故的發(fā)生，應(yīng)該加強(qiáng)對井下的安全管理，保障工作人員的生命財產(chǎn)安全。

但是目前很多的煤礦在生產(chǎn)過程中很難掌握井下工作人員的動態(tài)分布情況，如果發(fā)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(yīng)該大力投資建立一套科學(xué)的井下人員定位系統(tǒng)，井下工作人員隨時向地面提供其作業(yè)位置，有利于地面控制系統(tǒng)對井下人員進(jìn)行管理，大力保障煤礦井下人員的安全，提高煤礦企業(yè)的工作效率和經(jīng)濟(jì)效益。

2 ZigBee技術(shù)闡述

2.1 技術(shù)發(fā)展的背景

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

ZigBee技術(shù)是IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過發(fā)展衍生的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)的工作內(nèi)容主要是參與制定物理層和MAC層協(xié)議，建立應(yīng)用層和安全層的規(guī)范。2004年某企業(yè)發(fā)布了正式的IEEE802.15.4協(xié)議，很多產(chǎn)品已經(jīng)推出市場。實踐證明ZigBee技術(shù)符合市場的需求。該技術(shù)可以實現(xiàn)不同廠商的設(shè)備之間相互通信，一方面具有良好的互操作性，產(chǎn)品具有高度的靈活性；另一方面能夠減少原始設(shè)備廠商的成本投入，提高資金使用效率。

ZigBee技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單，成本投入較低，消耗功耗低，非常穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，是一種雙向微功率網(wǎng)格式無線接入技術(shù)。ZigBee技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)在于地理定位，該技術(shù)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(yuǎn)，可達(dá)到幾百米，甚至上千米。最重要的是利用ZigBee技術(shù)可以創(chuàng)建一個巨大的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺。

2.2 ZigBee技術(shù)的定位原理

無線收發(fā)機(jī)在空曠的環(huán)境下可以發(fā)射較大功率的射頻信號，科學(xué)研究得出某位置的信號強(qiáng)度和該位置到發(fā)射天線的距離的平方呈反比關(guān)系，經(jīng)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(fā)射機(jī)R的信號強(qiáng)度，Q指的是發(fā)射機(jī)天線端的信號強(qiáng)度，K指的是信號的衰減指數(shù)，衰減指數(shù)的高低受到很多因素的影響。

實驗證明只有當(dāng)信號強(qiáng)度大于接收靈敏度時，無線發(fā)射機(jī)才可以接收到另一個發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號。我們假設(shè)將某個位置的信號強(qiáng)度剛好等于無線接收機(jī)B的接收靈敏度Br時的距離記做Rs，Rs看作發(fā)射機(jī)A相對于無線接收機(jī)B的覆蓋半徑，那么Rs在信A信號強(qiáng)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(shè)如果A的位置固定，當(dāng)A的發(fā)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(nèi)才能接收到A的信號?？傊?，發(fā)射機(jī)的距離越近，信號越強(qiáng)。

2.3 無線網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)

在情況復(fù)雜的煤礦井下面使用無線網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)，必須在設(shè)計方案時，充分考慮到該系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抗干擾性、異常保護(hù)能力等。

在基于ZigBee技術(shù)的支撐下開發(fā)微功率收發(fā)機(jī)，主要包括井下人員的定位監(jiān)控節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)分節(jié)點(diǎn)。在規(guī)定的范圍內(nèi)建立由地面控制中心和若干個微功率無線發(fā)射機(jī)組成的無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)有助于地面控制中心對井下人員進(jìn)行追蹤定位和安全管理。

無線網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)包括井上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和井下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，相互聯(lián)系，井上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的監(jiān)控中心，可以共享網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；井下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是主要是通信為主的微功率發(fā)射網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其中每一個微功率收發(fā)機(jī)都是一個監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。

將該系統(tǒng)定位好的每一個移動目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)識，然后在每一個移動目標(biāo)上安裝微功率定位信號發(fā)射機(jī)；系統(tǒng)工作過程中一定要保持網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)聯(lián)系暢通，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)判斷信號的強(qiáng)弱，確定人員的位置和活動軌跡。

①系統(tǒng)硬件。系統(tǒng)的硬件構(gòu)成主要無線射頻收發(fā)器、可調(diào)節(jié)微功率電壓穩(wěn)定器、微控制器三個部分。研究人員要根據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議設(shè)計硬件，結(jié)合ZigBee技術(shù)和經(jīng)濟(jì)高效的CMOS設(shè)計方法，增強(qiáng)定位系統(tǒng)的抗干擾能力，降低設(shè)備的功耗；系統(tǒng)要在2.4GHZ ISM頻段運(yùn)作，使定位系統(tǒng)可以正常高效運(yùn)作。射頻收發(fā)器和微功率控制器采用SPI串行接口實現(xiàn)通信交流。

②定位系統(tǒng)。通信系統(tǒng)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(fā)數(shù)據(jù)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)由射頻和基帶兩大部分組成。射頻負(fù)責(zé)為數(shù)據(jù)通信提供空中接口，基帶為物理信道提供鏈路以及分類數(shù)據(jù)；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(xié)議的規(guī)范下，負(fù)責(zé)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(jīng)調(diào)整過的傳感器模擬信號在經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后會暫存在緩存中，無線通信模塊把模擬信號發(fā)送到主節(jié)點(diǎn)，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(jié) 語

建立基于ZigBee技術(shù)的煤礦井下人員定位系統(tǒng)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(jiān)督井下的作業(yè)情況；另一方面大大提高了煤礦企業(yè)的安全管理水平，有效保障了井下人員的生命安全，進(jìn)一步提高了井下危機(jī)處理的能力。模塊化的設(shè)計體現(xiàn)了定位系統(tǒng)強(qiáng)大的可修改性和可拓展性，靈活簡便，提高系統(tǒng)對移動目標(biāo)的定位精度，確保煤礦井安全作業(yè)，高效生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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