背景與意義
能源工業是國家經濟發展的命脈所在，近年來，隨著石油資源的緊張、石油價格的飆升，煤炭行業的重要性和不可替代性也日益凸現。雖然近年來煤炭工業得到了很大發展，但是礦下塌方、瓦斯泄漏、井下滲水等災害事故時刻都在威脅著礦井工作人員的生命安全。井下復雜的地形給礦工撤離和事故搶救帶來了極大的困難。因此，在事故發生之后，快速、準確地報告井下工作人員的位置和情況，對于救援工作的開展就有著極為重要的意義。
根據最新統計數據，我國可用煤炭總儲量接近1900億噸。我國煤炭資源豐富，煤炭是我國能源結構中的支柱。煤炭安全生產在我國國民經濟安全生產中占有重要的地位。然而，我國煤礦與世界各主要產煤國家比較，礦井下地質構造比較復雜，開采安全問題較多，而且自然災害也頻頻發生。近年來，我國煤礦事故仍然較多，個別地區重、特大事故頻有發生。據不完全統計，近幾年來中國煤炭產量占世界產量的35％，可事故傷亡人數卻占世界傷亡人數的80％。輕則造成經濟損失，重則造成人員傷亡，安全問題己經成為煤礦生產中的關鍵問題。不斷加強災害預防、事故救助等措施已成為當務之急。隨著國家對煤礦安全生產工作的日益重視，煤礦現代化管理的需求，礦井人員定位及煤礦安全監測系統越來越體現出其重要性，實現井下人員定位和各種安全生產要素以及井下環境參數(如瓦斯、溫度、風速等環境指標)的自動采集尤為重要。它們在煤礦安全生產方面具有舉足輕重的作用。國內各采礦企業也紛紛開始研究部署井下人員安全管理系統。
隨著對煤礦安全生產要求的不斷提高，開發出可靠有效的人員跟蹤定位，對于改善煤礦安全生產具有很大的現實意義和應用價值。現代化的煤礦安全監控系統除了實現對環境的監控之外，還應包括對設備和人員的監控，通過監控系統實現井下人員和設備的管理和調度，提高生產效率和安全性。因此，使用無線通信技術，建立以無線傳感器網絡為基礎的煤礦監控系統己經成為煤礦安全生產和現代化管理的需求。
國內有不少企業從事井下人員安全監控系統的研究與開發。這些系統基本上都是采RFID(RadioFrequencyIdentification射頻識別)技術，工作人員攜帶RFID電子標簽，通過在礦井進口處以及一些關鍵通道口使用射頻卡讀取的方法對下井人員進行登記記錄。但這種系統實際上僅僅是一種考勤記錄系統，而非真正的人員定位跟蹤系統。澳大利亞的NLTechnologies公司研發了采用433MHz有源RFID標簽跟蹤和管理地下作業的礦工和車輛的跟蹤管理系統，目前正在申請本質安全認證，并將在2007年7月底開始在澳大利亞昆士蘭州的英倫礦務(AngleCoalAus砌ia)安裝、實驗。該RFID標簽通信距離能達到30-50米。但是這類通信技術遠距離傳輸時通信速率較低，需采用電纜連接，故造價較高，安裝施工不方便。另外基站成本較高，如礦井全覆蓋，將極大的提高系統成本。ZigBee技術是一種新興的最具代表性的無線傳感網絡，具有統一技術標準和低成本、功耗等特點。將ZigBee技術應用于煤礦安全監測，將有效地提高煤礦安全生產監控管理水平。
基于ZigBee技術的礦井人員定位系統
ZigBee技術是基于IEEE802.15.4無線標準研制開發的一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術或無線網絡技術。它可嵌入各種設備中，主要適合于承載數據流量較小的業務，其主要目標市場是工業、家庭以及醫學等需要低功耗、低成本無線通信的應用。雖然前有Bluetooth，后有UWB，但是Zigbee技術在功耗、成本上有著獨特的優越性，逐漸顯示了其雄厚的發展潛力，ZigBee技術無疑將成為未來無線定位應用的上佳選擇。
監控中心可以廣播報警信號或通知到移動終端，終端設備可以發送異常求救信號到監控中心。更加便于情況異常時人員的及時撤離和開展營救。在生產管理調度室里，主機實時顯示井下管理人員、技術人員、工作人員的位置和流向，為指揮調度生產作出優化決策，使生產指揮快捷、準確，提高生產效率。在情況異常或事故發生后，可以通過主機查詢事故發生前各區域，特別是事故發生區域的人員分布和身份信息。在主干通信線路沒遭到破壞的情況下，無線網絡仍可以監測井下各工作面的環境和遇險后工作人員的動態情況。無線網絡傳送信息到監控中心，便于開展快速而有效的營救方案，爭取寶貴的救援時間，最大限度地降低事故所帶來的損失。
ZigBee網絡中包含了四種設備，分別為協調器、路由參考節點、普通參考節點、移動節點。協調器和路由參考節點是Zigbee網絡中的全功能節點，普通參考節點和移動節點都是半功能節點。前三種節點都是固定節點，節點間都是通過無線方式通訊。協調器在有通信電纜的地方通過RS-232接口與現有的通信電纜相連接，通過交換機再將信息上傳至終端管理計算機。其各部分的作用如下：
協調器作為網絡協調者，負責發起、組織、管理ZigBee網絡。協調器與上位機相連，將參考節點和移動節點的數據傳送至上位機；
路由參考節點在網絡中承擔路由功能，通過路由節點可以拓展ZigBee網絡的通訊范圍。路由參考節點可以管理連接在它下的普通參考節點。在定位上，它和普通參考節點具有相同功能；
普通參考節點主要用于定位。在接收到移動節點的定位請求后，將自身信息傳送給移動節點；
移動節點發起定位請求，從參考節點處獲得位置參考信息后計算位置并向協調器返回坐標。
按設備，該系統可分為井上設備和井下設備兩部分。井上設備主要包括位于生產監控調度中心的數據傳輸接口、數據處理服務器，數據庫服務器、系統維護終端和客戶終端等設備。數據傳輸接口主要負責轉發井下設備和地面主機之間傳輸的數據。井下設備包括定位分站、基準定位器、移動定位終端，移動定位終端由井下工作人員隨身攜帶。
定位分站、基準定位器和移動定位終端組成了ZigBee網絡定位系統。定位分站作為一個ZigBee網絡的協調器(Coordinator)，負責ZigBee網絡的創建、管理和維護，為其所創建網絡數據傳輸的總結點，也是無線網絡與有線網絡的接口。定位基準器充當ZigBee網絡中路由器(Router)的角色，與井下工作人員攜帶的移動定位終端通信，獲得移動定位終端113、RSSI等信息并傳送給定位分站。同時基準定位器還提供在礦井中的實際坐標，移動定位終端的定位坐標是根據此信息與RSSI值計算得出。
基準定位器使用普通或功率增強型ZigBee模塊，無線傳輸距離可達50-200m，基準定位器之間距離配置為50～100m，可根據井下巷道實際情況調整。移動定位終端組成ZigBee網絡中數量龐大的RFD(ReducedFunctionDevice精簡功能設備)。移動定位終端定時向無線網絡發送包含其自身ID信息的數據包，并查詢是否有監控中心發送給它的數據。
環境監測分站采集各種傳感器的數據，通過ZigBee無線網絡傳送給監控中心，可作為ZigBee網絡中的路由器或RFID。
一個典型的ZigBee無線數據傳輸系統網絡節點的硬件部分主要由微處理器模塊，無線通信模塊，數據采集模塊以及其他一些外圍電路和模塊組成。如下圖所示。
能源工業是國家經濟發展的命脈所在，近年來，隨著石油資源的緊張、石油價格的飆升，煤炭行業的重要性和不可替代性也日益凸現。雖然近年來煤炭工業得到了很大發展，但是礦下塌方、瓦斯泄漏、井下滲水等災害事故時刻都在威脅著礦井工作人員的生命安全。井下復雜的地形給礦工撤離和事故搶救帶來了極大的困難。因此，在事故發生之后，快速、準確地報告井下工作人員的位置和情況，對于救援工作的開展就有著極為重要的意義。
根據最新統計數據，我國可用煤炭總儲量接近1900億噸。我國煤炭資源豐富，煤炭是我國能源結構中的支柱。煤炭安全生產在我國國民經濟安全生產中占有重要的地位。然而，我國煤礦與世界各主要產煤國家比較，礦井下地質構造比較復雜，開采安全問題較多，而且自然災害也頻頻發生。近年來，我國煤礦事故仍然較多，個別地區重、特大事故頻有發生。據不完全統計，近幾年來中國煤炭產量占世界產量的35％，可事故傷亡人數卻占世界傷亡人數的80％。輕則造成經濟損失，重則造成人員傷亡，安全問題己經成為煤礦生產中的關鍵問題。不斷加強災害預防、事故救助等措施已成為當務之急。隨著國家對煤礦安全生產工作的日益重視，煤礦現代化管理的需求，礦井人員定位及煤礦安全監測系統越來越體現出其重要性，實現井下人員定位和各種安全生產要素以及井下環境參數(如瓦斯、溫度、風速等環境指標)的自動采集尤為重要。它們在煤礦安全生產方面具有舉足輕重的作用。國內各采礦企業也紛紛開始研究部署井下人員安全管理系統。
隨著對煤礦安全生產要求的不斷提高，開發出可靠有效的人員跟蹤定位，對于改善煤礦安全生產具有很大的現實意義和應用價值。現代化的煤礦安全監控系統除了實現對環境的監控之外，還應包括對設備和人員的監控，通過監控系統實現井下人員和設備的管理和調度，提高生產效率和安全性。因此，使用無線通信技術，建立以無線傳感器網絡為基礎的煤礦監控系統己經成為煤礦安全生產和現代化管理的需求。
國內有不少企業從事井下人員安全監控系統的研究與開發。這些系統基本上都是采RFID(RadioFrequencyIdentification射頻識別)技術，工作人員攜帶RFID電子標簽，通過在礦井進口處以及一些關鍵通道口使用射頻卡讀取的方法對下井人員進行登記記錄。但這種系統實際上僅僅是一種考勤記錄系統，而非真正的人員定位跟蹤系統。澳大利亞的NLTechnologies公司研發了采用433MHz有源RFID標簽跟蹤和管理地下作業的礦工和車輛的跟蹤管理系統，目前正在申請本質安全認證，并將在2007年7月底開始在澳大利亞昆士蘭州的英倫礦務(AngleCoalAus砌ia)安裝、實驗。該RFID標簽通信距離能達到30-50米。但是這類通信技術遠距離傳輸時通信速率較低，需采用電纜連接，故造價較高，安裝施工不方便。另外基站成本較高，如礦井全覆蓋，將極大的提高系統成本。ZigBee技術是一種新興的最具代表性的無線傳感網絡，具有統一技術標準和低成本、功耗等特點。將ZigBee技術應用于煤礦安全監測，將有效地提高煤礦安全生產監控管理水平。
基于ZigBee技術的礦井人員定位系統
ZigBee技術是基于IEEE802.15.4無線標準研制開發的一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術或無線網絡技術。它可嵌入各種設備中，主要適合于承載數據流量較小的業務，其主要目標市場是工業、家庭以及醫學等需要低功耗、低成本無線通信的應用。雖然前有Bluetooth，后有UWB，但是Zigbee技術在功耗、成本上有著獨特的優越性，逐漸顯示了其雄厚的發展潛力，ZigBee技術無疑將成為未來無線定位應用的上佳選擇。
監控中心可以廣播報警信號或通知到移動終端，終端設備可以發送異常求救信號到監控中心。更加便于情況異常時人員的及時撤離和開展營救。在生產管理調度室里，主機實時顯示井下管理人員、技術人員、工作人員的位置和流向，為指揮調度生產作出優化決策，使生產指揮快捷、準確，提高生產效率。在情況異常或事故發生后，可以通過主機查詢事故發生前各區域，特別是事故發生區域的人員分布和身份信息。在主干通信線路沒遭到破壞的情況下，無線網絡仍可以監測井下各工作面的環境和遇險后工作人員的動態情況。無線網絡傳送信息到監控中心，便于開展快速而有效的營救方案，爭取寶貴的救援時間，最大限度地降低事故所帶來的損失。
ZigBee網絡中包含了四種設備，分別為協調器、路由參考節點、普通參考節點、移動節點。協調器和路由參考節點是Zigbee網絡中的全功能節點，普通參考節點和移動節點都是半功能節點。前三種節點都是固定節點，節點間都是通過無線方式通訊。協調器在有通信電纜的地方通過RS-232接口與現有的通信電纜相連接，通過交換機再將信息上傳至終端管理計算機。其各部分的作用如下：
協調器作為網絡協調者，負責發起、組織、管理ZigBee網絡。協調器與上位機相連，將參考節點和移動節點的數據傳送至上位機；
路由參考節點在網絡中承擔路由功能，通過路由節點可以拓展ZigBee網絡的通訊范圍。路由參考節點可以管理連接在它下的普通參考節點。在定位上，它和普通參考節點具有相同功能；
普通參考節點主要用于定位。在接收到移動節點的定位請求后，將自身信息傳送給移動節點；
移動節點發起定位請求，從參考節點處獲得位置參考信息后計算位置并向協調器返回坐標。
按設備，該系統可分為井上設備和井下設備兩部分。井上設備主要包括位于生產監控調度中心的數據傳輸接口、數據處理服務器，數據庫服務器、系統維護終端和客戶終端等設備。數據傳輸接口主要負責轉發井下設備和地面主機之間傳輸的數據。井下設備包括定位分站、基準定位器、移動定位終端，移動定位終端由井下工作人員隨身攜帶。
定位分站、基準定位器和移動定位終端組成了ZigBee網絡定位系統。定位分站作為一個ZigBee網絡的協調器(Coordinator)，負責ZigBee網絡的創建、管理和維護，為其所創建網絡數據傳輸的總結點，也是無線網絡與有線網絡的接口。定位基準器充當ZigBee網絡中路由器(Router)的角色，與井下工作人員攜帶的移動定位終端通信，獲得移動定位終端113、RSSI等信息并傳送給定位分站。同時基準定位器還提供在礦井中的實際坐標，移動定位終端的定位坐標是根據此信息與RSSI值計算得出。
基準定位器使用普通或功率增強型ZigBee模塊，無線傳輸距離可達50-200m，基準定位器之間距離配置為50～100m，可根據井下巷道實際情況調整。移動定位終端組成ZigBee網絡中數量龐大的RFD(ReducedFunctionDevice精簡功能設備)。移動定位終端定時向無線網絡發送包含其自身ID信息的數據包，并查詢是否有監控中心發送給它的數據。
環境監測分站采集各種傳感器的數據，通過ZigBee無線網絡傳送給監控中心，可作為ZigBee網絡中的路由器或RFID。
一個典型的ZigBee無線數據傳輸系統網絡節點的硬件部分主要由微處理器模塊，無線通信模塊，數據采集模塊以及其他一些外圍電路和模塊組成。如下圖所示。
移動定位終端是下井人員隨身攜帶的設備，是ZigBee網絡中的RFD(精簡功能設備)。移動定位終端通過無線模塊與ZigBee網絡進行連接和通訊，接收上層網絡發送的廣播信息，同時向基準定位器廣播定位數據包，作為數據處理服務器的原始定位數據。
根據國家有關煤礦井下人員管理系統的規定及跟蹤定位系統的研究，對移動定位終端的要求如下：
(1)電池：移動定位終端采用不可更換電池的電池壽命應不小于2年：采用可更換電池的電池壽命不應小于6個月，且每次沖滿電后應能保證連續工作7天以上。
(2)發生意外井下人員請求幫助時，移動定位終端應具有呼叫告急功能。
(3)應具有電池低電壓報警功能。
(4)移動定位終端的無線傳輸距離應不小于10米。
(5)宜具有語音提示功能。
(6)移動定位終端宜小巧輕便。
根據要求，本文設計的移動定位終端結構框圖如下圖所示：
系統設計
3.1硬件設計
3..1芯片選擇與外圍電路設計
3.1.1Zigbee芯片的選擇：cc2430。目前ZigBee技術提供方式有三種：
1)ZigBeeRF+MCU；
2)單芯片集成SOC；
3)單芯片內置ZIGBEE協議棧＋外掛芯片。
結束語
采用ZigBee無線通信技術的人員跟蹤定位系統，可以實現井下人員的精確跟蹤定位，同時可以進行考勤和監督管理。不僅在井下發生事故時發揮重要作用，而且可以用于日常的管理，整合環境監測系統使得功能更加完善，通過網絡可以實現監控終端和井下工作人員的雙向通信。開發礦井人員跟蹤定位系統是煤礦安全生產的需求，將在煤礦安全生產和管理中發揮重要的作用，具有先進性、實用性和社會價值。
粵公網安備 44030902003195號