基于ZigBee技術的井下機車定位系統的研究

吳輝

摘 要：無線通信在工業中已經得到了廣泛的應用，主要使用在地形復雜且動態性能要求較高的通信需求場合。在礦井生產中，井下機車的定位一直是自動化監控領域研究的熱點。文章研究了無線通信網絡的特點，并提出采用ZigBee技術構建自動化井下機車定位系統，并通過RFID（射頻識別）實現機車身份識別的設計方案，有效提高了機車定位的準確度和實時性，具有一定的應用價值。

關鍵詞：礦井；RFID；ZigBee；機車定位

1 概述

近年來，井下安全事故時有發生，嚴重威脅到了井下工作人員的生命安全，快速準確的定位技術可以有效提高井下生產的安全等級，在事故發生時也能在第一時間將井下的人員和車輛的分布情況通知地面；另一方面，隨著井下工作面的不斷延伸，機車的運行控制也越來越復雜，如何更有效地對井下機車進行實時定位與監管，已經成為自動化監控領域和煤礦安全領域研究的重點。本設計的主要目標是通過ZigBee技術構建井下無線通信網絡，在配合RFID技術實現動態的機車實時定位，以加強井下機車運行的監控力度。

2 ZigBee技術介紹

ZigBee是一款基于IEEE 802.15.4協議的無線通訊技術，它的特點是傳輸距離較短、傳輸帶寬較小、成本開銷低廉、結構簡單、低功耗，并支持全雙工通信。

ZigBee技術廣泛的應用在工業控制、智能家居、森林安防、水文勘探等實時性要求較高、傳輸帶寬要求較小的無線通信場合，尤其在工礦企業中更為常見，由于工業中傳輸的指令和信號相對簡單，并不需要太高的傳輸帶寬，而對數據傳輸的實時性、可靠性和能耗有著較高的要求，這正是ZigBee網絡的優勢所在。

依據表1可以看出，在幾種無線技術當中，ZigBee的最大優勢就在于低功耗、低成本，在保證傳輸帶寬可以滿足控制信號傳輸需求的前提下，ZigBee網絡可以極大地延長無線網絡的生存周期，這對于井下環境復雜，供電受到嚴格限制的特點而言是非常合適的。同時ZigBee網絡的安裝也非常方便，只需要在井下每隔一段距離設置固定節點即可，甚至可以利用原有已鋪設好的網絡來減少工作量，壓縮安裝成本。因此，在本系統中，沒有選擇其他傳輸帶寬更好，但成本或使用條件也更苛刻的無線通信技術，而是選用了ZigBee來完成無線網絡的組網工作。

3 本系統的信號傳輸機制

本系統在信號傳輸和處理上分為兩種模式，即地面模式和井下模式。

3.1 地面模式

該模式主要處理傳輸過來的數據，通過快速的匯總、解析和計算，在最短的時間內得出結果，向管理者遞交。在地面模式下，將不再采用ZigBee無線網絡來完成傳輸，因為此時ZigBee網絡的低傳輸速率可能會影響系統的響應速度，且地面環境相對簡單穩定，更宜鋪設通信質量更高的有線網絡（如工業上常用的CAN總線網絡或者工業以太網）。如果礦區本身已經建立的類似的網絡，也應當盡可能地充分利用，以壓縮成本。地面設備有網絡監控中心、用于機車定位的管理軟件以及報警裝置等。

3.2 井下模式

該模式下，系統主要采用ZigBee無線網絡來完成組網工作，一是在固定位置（相隔50-100m）設置通信節點和傳感器節點，以撲捉機車通過的信息，實現固定點的定位。這些固定通信節點又分為路由節點和接入節點。路由節點工作在網絡層，通過相關協議組成網絡， 而接入節點則用來與有線網絡連接，通過自動讀取移動目標的識別信息來確定位置。另一方面，在礦井機車上安裝RFID通信模塊，可提供動態的識別信號，即定位節點。

4 本系統的機車動態定位原理

如上所述，井下車輛安裝有RFID通信模塊，根據不同頻率進行識別，此射頻信號發送給離機車最近的通信節點，該節點將車輛識別信號的編碼和自身的靜態地址相組合，再不斷向后轉發，直至傳輸至數據中心，然后由上位機進行大量數據的分析處理，并將結果展現給管理員，使其及時掌握井下狀況。同時，根據不同的頻率可由分析軟件在屏幕上顯示具體的車輛名稱編號，管理者還可以隨之呼叫和控制其中某一輛選定的機車。每輛車有緊急情況也可呼救井上管理中心，這種雙向交互式通信對于井下復雜的工作環境而言起到了良好的保障作用。系統示例按圖1所示。

5 結束語

本設計將無線傳感器網絡應用于礦井機車定位系統，利用ZigBee通訊技術功耗低、成本低、實時性高的特點，完成了井下通訊節點到地面監控服務器的數據傳輸，從而完成了地面控制中心對井下機車的遠程監控，同時利用RFID提高了該系統的動態性能，實現了更有效地對井下車輛的調度與分配，加強了管理力度，提高了工作效率。隨著煤礦企業智能化開采程度的提高，該系統有著越來越廣泛的使用前景。

參考文獻

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[2]原羿，蘇鴻根.基于ZigBee技術的無線網絡研究[J].計算機應用與軟件，2004.