基于ZigBee技術的礦井人員定位系統設計與應用

朱啟成

摘要：ZigBee作為一種新型技術，近些年在我國的不同行業均有應用。基于這一技術設計的礦井人員定位系統，不僅能夠實現在地面對工作人員的實時管控，而且為實現井上管理和井下的溝通與聯絡提供了便利條件。這種系統通過對信息的采集，實現了對工作人員的準確定位、識別身份以及繪制軌跡等，能夠實時了解工作人員的身份狀況，為緊急救援提供了良好的技術保證。本文就ZigBee技術在礦井人員定位系統中的應用進行了詳細的討論。

關鍵詞：ZigBee技術;礦井人員;定位系統

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）14-0006-02

1ZigBee技術概述

1.1 ZigBee術內容

在短距離通信中引入了ZigBee技術，極大地提高了通訊效率。這種技術采用2.4GHz波段，應用跳幀技術，ZigBee技術本質上就是一個傳輸平臺，這個平臺是網絡化的，由小于65000個無線數據傳輸模塊所構成，目前應用的移動數據網絡的構成原理與其相類似。在全網范圍內，網絡之間可以相互聯絡，不同網絡節點間的距離由75米逐步擴大到幾百米或者幾千米。

1.2定位原理

基于ZigBee技術的網絡平臺如圖1所示。定位的實現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射設備發出，不同位置射頻信號的強度數值和位置距離與發射天線之間的距離成反比例關系嘲。由計算公式可以得到：Tr=KQ/R2。Tr與發射設備相距R米處的信號值，Q：發射設備的信號數值，K：信號的衰減率，是一個常量。常數值和天線發射和接受信號的高度數值，信號頻率以及作業環境的條件都有關系。判斷一個無線接收設備是否能夠成功實現較遠距離信號的接收，主要取決于幾個方面的因素，首先，信號必須由無線發射設備發出，此無線發射設備必須與接收設備具有相同的信號通道和通信方式，其次，發射設備A發出的信號強度可以傳輸到接收設備B處，最后，接收設備的靈敏程度足以完好的接收信號。如果信號強度足夠，則接收設備便能夠實現良好的信號接收。在這一操作中，需要有合理的覆蓋半徑，所謂覆蓋半徑，就是發射設備發射的信號，在距離接收設備指定距離R時恰好可以被接收設備以指定的靈敏度接收，這一距離R就是覆蓋半徑。通常，在發射設備的功率和接收設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備為圓心，以R值為半徑的圓。接收設備是位于圓上或者圓內部的任意一點。一旦位于圓外，則無法實現信號的正常接收。

2系統設計

人員定位系統是分布式的，是整個煤礦生產安全監控系統內部的一個組成部分，定位系統的組成包括幾個方面，分別為：中心站、數據接口、定位站和標識卡等設備，礦井下的定位系統根據不同的功能可以分為三個部分。系統結構示意圖如圖2所示。

1）數據中心站

數據中心站主要包括兩個組成部分，分別為信息處理系統和轉換接口。信息處理系統的工作內容是將不同網絡節點發布的信息數據實時存儲，并且及時有針對性地處理、顯示。其他成員能夠依據實際需要，對這些信息進行查閱、為了實現RS232總線與RS485總線之間的無損轉換，需要設置一個滿足要求的轉換接口，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備共同實現了信息的全面采集。標識卡的資料采集由讀卡設備完成，定位站則是在對標識卡資料采集的基礎上，進一步將其傳遞至處理系統，傳遞的方式有兩種，分別為有線傳遞和無線傳遞。使用RS485接口負責數據信息的轉發任務。

3）標識卡

標識卡的使用目的是依據確定的時間間隔向系統發出信號，實時監測，來確定人員的具體位置。標識卡由工作人員佩戴在身上，卡內安裝電池，以維護卡的正常使用。系統的電力供給依靠無線基站來實現，井下的高壓電是非本安型的，需要將其轉換為低壓直流電，此低壓電是本安型的，一旦出現斷電，則自動啟動蓄電池，如果保持充電狀態，則能夠實現對電池的充電。

4）硬件環境設計

監控點的組成主要包括無線射頻接收設備、發射設備、微控制設備、電壓穩壓設備等，全頻譜編譯碼，設備中采用CMOS以后，不需要額外增加其他組件，系統能夠抵抗較強的干擾，功率可以達到一個較低的水平，穩定性強。經過多次試驗驗證，設備的傳輸距離以及可靠程度都能夠滿足應用標準。

5）軟件環境設計

網絡通訊系統的組成包括通信模塊、控制設備模塊、不同設備接口、直流電源模塊、外部存儲設備等，通信模塊均為無線型，負責設備的收發，包含視頻和基帶兩個部分，射頻部分負責為數據通信提供接口，基帶部分則負責為鏈路提供通道，通視將數據信息合理分類，鏈路的管控由控制系統實現，同時執行基帶的通信協議。執行內容包括：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。模擬信號值經過傳感器的調整以后，再進行模數轉換，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系統在礦井中的應用

煤礦井下巷道呈u形布局，系統中的ZigBee無線節點布置示意圖如圖3所示。

3.1實現準確的人員定位

井下作業的工作人員身上佩戴標識卡，標識卡會持續發射出射頻信號，信號中包含特定的信息，包括：作業人員的身份、ID號碼等，射頻信號被最近一級的定位點接收，定位點將井下作業人員通過標識卡發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束。通過信息處理點的計算機設備對其進行詳細的記錄與處理，同時對數據進行合理管控、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實現對井下工作人員的合理管控，通過實時定位，了解井下作業人員的具體位置，查看工作進度。當井上需要召集井下的工作人員時，可以借助系統實現呼叫，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備馬上傳遞至井下;同時，井下的作業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

系統能夠描繪人員的軌跡。通過定位系統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系統，數據庫中設置定位基站表，將ID號碼準確記錄，建立節點表，準確記錄各個節點的坐標值，通過路由表記錄和處理不同基站的坐標值。依據上述所有信息，實現工作人員軌跡的描繪。

4系統測試

對系統進行測試，需要選取合理的環境和條件，可以將模擬場景設置在學校的教室，先將設備合理定位，然后依據教室的實際狀況妥善安裝，尤其注意定位系統位置的選擇，為了實現對工作人員的實時定位，在設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對工作人員的考核。初始化設置全部監控點，全面準確地錄入、存儲工作人員的基礎信息資料，使設備更加準確、可靠地開展工作。考核中首先測試單一標識卡在各個監控點出現時的信號值，然后再將多張測試卡以群組的方式在各個監控點進行測試，為了提高測試的精度以及靈敏性，可以實時調整接收設備天線的朝向，準確記錄數據，然后針對分析結果進行系統的改進。

綜上所述，井下人員定位系統應用了ZigBee技術，基于其微功率以及強大的無線網絡，實現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，不同監控點實現了高效的數據采集。根據系統在實際應用中出現的弊端，技術人員可以對其實時修改、實時擴充，任何模塊都可以根據使用要求進行相應的調整，實現高精度的井下人員定位。