基于ZigBee技术的煤矿井下人员定位系统研究

　　近些年来，国家非常重视煤矿安全生产工作，已颁布多项法规明确煤矿开采的必备条件，其中准确掌握井下人员的数量和位置、遇险后撤退路线、井下的环境监测情况等是十分重要的，也是十分紧迫的任务，即将成为煤矿开采的必备条件。基于ZigBee技术的煤矿井下人员无线定位考勤系统，就是在此背景下进行研究与开发的。因此该项目的研究具有较好的社会效益和经济效益。 
    
　　井下人员定位考勤管理系统，目前国内已有多家公司推出相关产品，如：深圳世纪潮公司，北京仙导公司，上海秀派公司，这些公司推出的产品主要是基于RFID (Radio Frequency Identification，即射频识别，俗称电子标签)技术，发射采用133 kHz无线信号，接收采用450 MHz信号，该技术相对较为成熟，已广泛用于门禁系统的身份识别，其原理是利用无线信号的大功率能量激发身份卡，身份卡中无需电池，利用接收到的无线信号能量来进行信号的应答，其优点在于体积小，重量轻便于携带。而此技术在井下人员定位系统中 进行应用时存在通信距离短，目前所能达到的指标为9 in，无线基站发射功率大，15 w 以上，不利于井下安全，同时存在多人同时通过无线基站时存在漏卡现象，更无法实现井下无线信号的全覆盖和人员的精确定位，只能用于简单的人员考勤管理，并且在进入煤矿时还必须分散分批进入，使用效果不佳。基于ZigBee技术的煤矿井下无线网络通信系统成功解决上述问题。

　　1 井下人员定位考勤系统实现的功能与关键技术

　　1．1 功能

　　本矿井内人员定位考勤系统采用最新的Zigbee无线通信技术，实现了井下人员的精确定位和考勤，不仅在井下发生事故时可起到重要作用，而且可用于日常的管理，提供了较多的实用功能，比较适合煤矿企业的需求，具有较好的市场前景。系统的主要功能有：查询当前井下人员分布；井下人员跟踪且复示井下人员行踪；统计查询进入特殊区域的人员；下井人员考勤管理；井下人员的定位、寻呼及遇险紧急求救；可利用现有的通信平台实现其它信息的接人等。

　　1．2 几种无线传感器网络技术的比较

　　近十几年来，无线与移动通信以蓬勃的速度迅猛发展。随着各种便携式个人通信设备与家用电器设备的增加，人们享受数字蜂窝移动通信系统带来的便利的同时，对短距离的无线移动通信 又提出了新的要求，使得短距离无线通信异军突起，包括无 线高保真(Wi—Fi)、超宽带(UWB)、蓝芽技术(Blue Theeth)以及ZigBee技术等各种热点技术相继出现，均展现出各自巨大的应用潜力。其中，速率低、功耗低、成本低的ZigBee技术作为无线传感器网络的主要支撑技术获得广泛的关注。表1对WiFi、UWB、Blue Theeth、ZigBee的性能进行了比较。

　　表1 几种无线传感器网络技术的比较

　　从表1中可以看出ZigBee是短距离通信的一种新兴技术。它使用2．4 GHz波段，采用跳频技术，ZigBee技术更简单、功率及费用也更低，能够更好地支持游戏、消费电子、仪器和家庭自动化应用。人们期望能在工业监控、环境、军事、水利电力、医疗、楼宇监测和矿业井下作业等领域拓展ZigBee的应用。本系统正是利用ZigBee技术的优势，而这些恰好适用于煤矿井下巷道多曲折、多风门等结构特点，电源供电限制严格、煤炭行业资金短缺等特点。尽管它有着较低数据传输率，但是这一传输速度仍能够满足井下人员定位考勤系统的需求。

　　1．3 ZigBee技术 
 
　　ZigBee技术作为无线传感器网络的主要支撑技术获得人们广泛的关注。完整的ZigBee体系结构如图1所示，它由应用层、网络层和应用支持层、数据链路层、介质访问层和物理层组成。网络层以上协议由ZigBee联盟制订，物理层、介质访问层和数据链路层 采用IEEE 802．15．4标准。IEEE802．15．4物理层简单采用比特到符号映射技术、符号到码片序列转换技术、偏移正交相移键控 (OQPSK)调制技术，无须信道编码等复杂算法；介质访问层采用载波监听多址一冲突避免技术，支持休眠模式。

　　ZigBee技术以IEEE 802．15．4协议为基础，使用全球免费频段进行通讯，能够在三个不同的频段上通讯。全球通用频段是2．400—2．484 GHz，欧洲采用的是868．0—868．6 MHz，美国采用的是902—928 MHz，传输速率分别为250 kbit／s、20 kbit／s和40 kbit／s，通讯距离的理论值为1O-75 M。整个协议的设计使得ZigBee技术具有数据传输速率低、功耗低、成本低、网络容量大、时延短、安全、有效范围小、工作频段灵活等特点，更加适合于工业监控系统、传感器网络、家庭监控系统、安全系统等应用。

　　2 基于ZigBee技术的矿井内人员定位考勤

　　井下系统由信息处理中心、RS232／RS485隔离转换器、无线基站、身份卡、隔爆电源和各种总线电缆等组成。

　　2．1 各组成部分主要性能

　　(1)信息处理平台。主要负责各网络传输节点所发信息的存储，并能对信息进行分析处理和显示，将信息以网络形式供其它有权限的成员查阅。 
　　(2)无线基站。实现对标识卡数据的采集并通过有线和无线两种方式将信息发送给信息处理平台，同时承载其它无线基站数据信息的中继转发功能。 
　　(3)标识卡。主要是通过定时向系统发信号进行注册，来实现人员的定位。 
　　(4)RS232／RS485隔离转换器。此模块完成RS232总线与RS485总线的转换，在功能上作为井上信息处理中心与井下无线基站之间的数据传输通道。 
　　(5)电源。对无线基站进行供电，将井下非本安高压交流电转换成系统所需的本安低压直流电，并能够在断电情况下自动使用蓄电池进行供电，在通电情况下自动给蓄电池进行充电。

　　2．2 系统的通信组网方式

　　目前系统的组网方式其它厂商主要采用的是RS485总线方式，由于采用此方式在一对总线上挂过多的节点会影响通信距离，因此其网络节点数和通信距离均有限。本项目通信组网方式采用zigbee通信技术。其通信链路的建立在链路层协议中已经得到了保证，并且可实现自动组网和通信数据的逐级转发。数据采用突发冲撞模式带路由功能，可容纳较多的节点数。因此当采用信号的全覆盖方式需较多的节点数和中继功能时，采用zigbee通信方式才能实现。但系统的物理层协议使用的是2．4G扩频通信方式，此技术虽然在相同的发射功率和接收灵敏度的前提下可以传输较远的通信距离，并且抗干扰能力较强，但信号的穿透力和绕射能力不够，井下环境复杂，所有区域不可能均是直线可视的，在一个通信节点发生故障时有可能导致一段区域的通信全部中断。针对这一问题采取3种方式提高其通信可靠性。

　　(1)所有通信节点要保证能与上下4个节点进行通信，当任意1 个发生故障时，可跳过这一节点与下1个节点直接通信，目前网络传输模块通信距离为400～500 In，因此在布置节点时应在200 In左右布置1个节点。 
　　(2)整个系统通信网应该尽量布成一个环网(按通风回路布置)，当某一段出现塌方，无线信号无法通过时可从另一端继续与系统保持通信。 
　　(3)对于井下采掘区地形复杂，无线信号无法跨节点级连和形成通信回路，可利用网络传输模块的RS485总线与系统相连，提高系统通信的可靠性，当出现塌方时，只要通信电缆未断，仍可与系统保持通信链路的畅通。这可能成为被困人员的救命线。

　　3 结束语

　　基于Zigbee技术的矿井内人员无线定位考勤系统的设计和研究，采用最新的无线通信技术，利用无线基站对每个矿工所持身份卡信号的采集达到人员定位的目的，实现了井下人员的精确定位和考勤，不仅在井下发生事故时可起到重要作用，而且可用于日常的管理，提供了较多的实用功能，比较适合煤矿企业的需求，具有较好的市场前景。此系统的研究目前在国内处于领先水平。