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

朱啟成

摘要：ZigBee作為一種新型技術(shù)，近些年在我國的不同行業(yè)均有應(yīng)用?；谶@一技術(shù)設(shè)計的礦井人員定位系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)在地面對工作人員的實時管控，而且為實現(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)通過對信息的采集，實現(xiàn)了對工作人員的準(zhǔn)確定位、識別身份以及繪制軌跡等，能夠?qū)崟r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)用進行了詳細的討論。

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

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：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)上就是一個傳輸平臺，這個平臺是網(wǎng)絡(luò)化的，由小于65000個無線數(shù)據(jù)傳輸模塊所構(gòu)成，目前應(yīng)用的移動數(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)點間的距離由75米逐步擴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)平臺如圖1所示。定位的實現(xiàn)主要依賴于無線信號的傳輸，在無障礙空間中，特定功率大小的射頻信號通過地面的無線發(fā)射設(shè)備發(fā)出，不同位置射頻信號的強度數(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米處的信號值，Q：發(fā)射設(shè)備的信號數(shù)值，K：信號的衰減率，是一個常量。常數(shù)值和天線發(fā)射和接受信號的高度數(shù)值，信號頻率以及作業(yè)環(huán)境的條件都有關(guān)系。判斷一個無線接收設(shè)備是否能夠成功實現(xiàn)較遠距離信號的接收，主要取決于幾個方面的因素，首先，信號必須由無線發(fā)射設(shè)備發(fā)出，此無線發(fā)射設(shè)備必須與接收設(shè)備具有相同的信號通道和通信方式，其次，發(fā)射設(shè)備A發(fā)出的信號強度可以傳輸?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。如果信號強度足夠，則接收設(shè)備便能夠?qū)崿F(xiàn)良好的信號接收。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，在距離接收設(shè)備指定距離R時恰好可以被接收設(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不變的常量時，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。一旦位于圓外，則無法實現(xiàn)信號的正常接收。

2系統(tǒng)設(shè)計

人員定位系統(tǒng)是分布式的，是整個煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部的一個組成部分，定位系統(tǒng)的組成包括幾個方面，分別為：中心站、數(shù)據(jù)接口、定位站和標(biāo)識卡等設(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)點發(fā)布的信息數(shù)據(jù)實時存儲，并且及時有針對性地處理、顯示。其他成員能夠依據(jù)實際需要，對這些信息進行查閱、為了實現(xiàn)RS232總線與RS485總線之間的無損轉(zhuǎn)換，需要設(shè)置一個滿足要求的轉(zhuǎn)換接口，不僅能夠及時傳遞井上信息，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)備共同實現(xiàn)了信息的全面采集。標(biāo)識卡的資料采集由讀卡設(shè)備完成，定位站則是在對標(biāo)識卡資料采集的基礎(chǔ)上，進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線傳遞。使用RS485接口負責(zé)數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。

3）標(biāo)識卡

標(biāo)識卡的使用目的是依據(jù)確定的時間間隔向系統(tǒng)發(fā)出信號，實時監(jiān)測，來確定人員的具體位置。標(biāo)識卡由工作人員佩戴在身上，卡內(nèi)安裝電池，以維護卡的正常使用。系統(tǒng)的電力供給依靠無線基站來實現(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，則自動啟動蓄電池，如果保持充電狀態(tài)，則能夠?qū)崿F(xiàn)對電池的充電。

4）硬件環(huán)境設(shè)計

監(jiān)控點的組成主要包括無線射頻接收設(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)能夠抵抗較強的干擾，功率可以達到一個較低的水平，穩(wěn)定性強。經(jīng)過多次試驗驗證，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

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、外部存儲設(shè)備等，通信模塊均為無線型，負責(zé)設(shè)備的收發(fā)，包含視頻和基帶兩個部分，射頻部分負責(zé)為數(shù)據(jù)通信提供接口，基帶部分則負責(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)實現(xiàn)，同時執(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、安全運算等。模擬信號值經(jīng)過傳感器的調(diào)整以后，再進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，存儲于緩存中，被無線通信模塊傳輸至主要控制點，將信息選擇性提取，再按照需要進行融合，進行高級處理。

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無線節(jié)點布置示意圖如圖3所示。

3.1實現(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)識卡，標(biāo)識卡會持續(xù)發(fā)射出射頻信號，信號中包含特定的信息，包括：作業(yè)人員的身份、ID號碼等，射頻信號被最近一級的定位點接收，定位點將井下作業(yè)人員通過標(biāo)識卡發(fā)出的信號和定位點的信號綜合起來，通過RS485線路傳送至距離最近的上一級定位點，逐級傳遞，直至地面中心處理點結(jié)束。通過信息處理點的計算機設(shè)備對其進行詳細的記錄與處理，同時對數(shù)據(jù)進行合理管控、方便不同部門人員開展查詢工作，管理人員可借助這一系統(tǒng)實現(xiàn)對井下工作人員的合理管控，通過實時定位，了解井下作業(yè)人員的具體位置，查看工作進度。當(dāng)井上需要召集井下的工作人員時，可以借助系統(tǒng)實現(xiàn)呼叫，可以每次只找某一個人，也可以同時找到幾個人或者幾十個人。井上的呼叫可以通過設(shè)備馬上傳遞至井下;同時，井下的作業(yè)人員一旦遇到了緊急事件，也能夠隨時呼叫井上的管理人員或者值班人員，這種呼叫是雙向性的、實時性的。

3.2確定井下工作人員的活動軌跡

系統(tǒng)能夠描繪人員的軌跡。通過定位系統(tǒng)可以獲取人員在井下的活動軌跡圖，管理井下工作人員的基站將識別卡中的ID信息進行記錄，然后通過線路傳遞至服務(wù)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫中設(shè)置定位基站表，將ID號碼準(zhǔn)確記錄，建立節(jié)點表，準(zhǔn)確記錄各個節(jié)點的坐標(biāo)值，通過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，實現(xiàn)工作人員軌跡的描繪。

4系統(tǒng)測試

對系統(tǒng)進行測試，需要選取合理的環(huán)境和條件，可以將模擬場景設(shè)置在學(xué)校的教室，先將設(shè)備合理定位，然后依據(jù)教室的實際狀況妥善安裝，尤其注意定位系統(tǒng)位置的選擇，為了實現(xiàn)對工作人員的實時定位，在設(shè)備的主機上安裝人員跟蹤裝置，通過合理安裝考勤軟件實現(xiàn)對工作人員的考核。初始化設(shè)置全部監(jiān)控點，全面準(zhǔn)確地錄入、存儲工作人員的基礎(chǔ)信息資料，使設(shè)備更加準(zhǔn)確、可靠地開展工作?？己酥惺紫葴y試單一標(biāo)識卡在各個監(jiān)控點出現(xiàn)時的信號值，然后再將多張測試卡以群組的方式在各個監(jiān)控點進行測試，為了提高測試的精度以及靈敏性，可以實時調(diào)整接收設(shè)備天線的朝向，準(zhǔn)確記錄數(shù)據(jù)，然后針對分析結(jié)果進行系統(tǒng)的改進。

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大的無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了對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)控點實現(xiàn)了高效的數(shù)據(jù)采集。根據(jù)系統(tǒng)在實際應(yīng)用中出現(xiàn)的弊端，技術(shù)人員可以對其實時修改、實時擴充，任何模塊都可以根據(jù)使用要求進行相應(yīng)的調(diào)整，實現(xiàn)高精度的井下人員定位。