背景與意義
能源工業(yè)是國家經濟發(fā)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(yè)的重要性和不可替代性也日益凸現(xiàn)。雖然近年來煤炭工業(yè)得到了很大發(fā)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(fā)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(tǒng)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(fā)生。近年來，我國煤礦事故仍然較多，個別地區(qū)重、特大事故頻有發(fā)生。據不完全統(tǒng)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(xiàn)代化管理的需求，礦井人員定位及煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)越來越體現(xiàn)出其重要性，實現(xiàn)井下人員定位和各種安全生產要素以及井下環(huán)境參數(如瓦斯、溫度、風速等環(huán)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(yè)也紛紛開始研究部署井下人員安全管理系統(tǒng)。
隨著對煤礦安全生產要求的不斷提高，開發(fā)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(xiàn)實意義和應用價值。現(xiàn)代化的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)除了實現(xiàn)對環(huán)境的監(jiān)控之外，還應包括對設備和人員的監(jiān)控，通過監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)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(jiān)控系統(tǒng)己經成為煤礦安全生產和現(xiàn)代化管理的需求。
國內有不少企業(yè)從事井下人員安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)。這些系統(tǒng)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(tǒng)實際上僅僅是一種考勤記錄系統(tǒng)，而非真正的人員定位跟蹤系統(tǒng)。澳大利亞的NLTechnologies公司研發(fā)了采用433MHz有源RFID標簽跟蹤和管理地下作業(yè)的礦工和車輛的跟蹤管理系統(tǒng)，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(tǒng)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(tǒng)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(jiān)測，將有效地提高煤礦安全生產監(jiān)控管理水平。
基于ZigBee技術的礦井人員定位系統(tǒng)
ZigBee技術是基于IEEE802.15.4無線標準研制開發(fā)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(yè)務，其主要目標市場是工業(yè)、家庭以及醫(yī)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(yōu)越性，逐漸顯示了其雄厚的發(fā)展?jié)摿?，ZigBee技術無疑將成為未來無線定位應用的上佳選擇。
監(jiān)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(fā)送異常求救信號到監(jiān)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(yōu)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(fā)生后，可以通過主機查詢事故發(fā)生前各區(qū)域，特別是事故發(fā)生區(qū)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(jiān)測井下各工作面的環(huán)境和遇險后工作人員的動態(tài)情況。無線網絡傳送信息到監(jiān)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(xié)調器、路由參考節(jié)點、普通參考節(jié)點、移動節(jié)點。協(xié)調器和路由參考節(jié)點是Zigbee網絡中的全功能節(jié)點，普通參考節(jié)點和移動節(jié)點都是半功能節(jié)點。前三種節(jié)點都是固定節(jié)點，節(jié)點間都是通過無線方式通訊。協(xié)調器在有通信電纜的地方通過RS-232接口與現(xiàn)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(xié)調器作為網絡協(xié)調者，負責發(fā)起、組織、管理ZigBee網絡。協(xié)調器與上位機相連，將參考節(jié)點和移動節(jié)點的數據傳送至上位機；
路由參考節(jié)點在網絡中承擔路由功能，通過路由節(jié)點可以拓展ZigBee網絡的通訊范圍。路由參考節(jié)點可以管理連接在它下的普通參考節(jié)點。在定位上，它和普通參考節(jié)點具有相同功能；
普通參考節(jié)點主要用于定位。在接收到移動節(jié)點的定位請求后，將自身信息傳送給移動節(jié)點；
移動節(jié)點發(fā)起定位請求，從參考節(jié)點處獲得位置參考信息后計算位置并向協(xié)調器返回坐標。
按設備，該系統(tǒng)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(jiān)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(tǒng)維護終端和客戶終端等設備。數據傳輸接口主要負責轉發(fā)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(tǒng)。定位分站作為一個ZigBee網絡的協(xié)調器(Coordinator)，負責ZigBee網絡的創(chuàng)建、管理和維護，為其所創(chuàng)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(fā)送包含其自身ID信息的數據包，并查詢是否有監(jiān)控中心發(fā)送給它的數據。
環(huán)境監(jiān)測分站采集各種傳感器的數據，通過ZigBee無線網絡傳送給監(jiān)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(tǒng)網絡節(jié)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(yè)是國家經濟發(fā)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(yè)的重要性和不可替代性也日益凸現(xiàn)。雖然近年來煤炭工業(yè)得到了很大發(fā)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(fā)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(tǒng)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(fā)生。近年來，我國煤礦事故仍然較多，個別地區(qū)重、特大事故頻有發(fā)生。據不完全統(tǒng)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(xiàn)代化管理的需求，礦井人員定位及煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)越來越體現(xiàn)出其重要性，實現(xiàn)井下人員定位和各種安全生產要素以及井下環(huán)境參數(如瓦斯、溫度、風速等環(huán)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(yè)也紛紛開始研究部署井下人員安全管理系統(tǒng)。
隨著對煤礦安全生產要求的不斷提高，開發(fā)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(xiàn)實意義和應用價值。現(xiàn)代化的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)除了實現(xiàn)對環(huán)境的監(jiān)控之外，還應包括對設備和人員的監(jiān)控，通過監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)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(jiān)控系統(tǒng)己經成為煤礦安全生產和現(xiàn)代化管理的需求。
國內有不少企業(yè)從事井下人員安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)。這些系統(tǒng)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(tǒng)實際上僅僅是一種考勤記錄系統(tǒng)，而非真正的人員定位跟蹤系統(tǒng)。澳大利亞的NLTechnologies公司研發(fā)了采用433MHz有源RFID標簽跟蹤和管理地下作業(yè)的礦工和車輛的跟蹤管理系統(tǒng)，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(tǒng)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(tǒng)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(jiān)測，將有效地提高煤礦安全生產監(jiān)控管理水平。
基于ZigBee技術的礦井人員定位系統(tǒng)
ZigBee技術是基于IEEE802.15.4無線標準研制開發(fā)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(yè)務，其主要目標市場是工業(yè)、家庭以及醫(yī)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(yōu)越性，逐漸顯示了其雄厚的發(fā)展?jié)摿?，ZigBee技術無疑將成為未來無線定位應用的上佳選擇。
監(jiān)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(fā)送異常求救信號到監(jiān)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(yōu)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(fā)生后，可以通過主機查詢事故發(fā)生前各區(qū)域，特別是事故發(fā)生區(qū)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(jiān)測井下各工作面的環(huán)境和遇險后工作人員的動態(tài)情況。無線網絡傳送信息到監(jiān)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(xié)調器、路由參考節(jié)點、普通參考節(jié)點、移動節(jié)點。協(xié)調器和路由參考節(jié)點是Zigbee網絡中的全功能節(jié)點，普通參考節(jié)點和移動節(jié)點都是半功能節(jié)點。前三種節(jié)點都是固定節(jié)點，節(jié)點間都是通過無線方式通訊。協(xié)調器在有通信電纜的地方通過RS-232接口與現(xiàn)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(xié)調器作為網絡協(xié)調者，負責發(fā)起、組織、管理ZigBee網絡。協(xié)調器與上位機相連，將參考節(jié)點和移動節(jié)點的數據傳送至上位機；
路由參考節(jié)點在網絡中承擔路由功能，通過路由節(jié)點可以拓展ZigBee網絡的通訊范圍。路由參考節(jié)點可以管理連接在它下的普通參考節(jié)點。在定位上，它和普通參考節(jié)點具有相同功能；
普通參考節(jié)點主要用于定位。在接收到移動節(jié)點的定位請求后，將自身信息傳送給移動節(jié)點；
移動節(jié)點發(fā)起定位請求，從參考節(jié)點處獲得位置參考信息后計算位置并向協(xié)調器返回坐標。
按設備，該系統(tǒng)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(jiān)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(tǒng)維護終端和客戶終端等設備。數據傳輸接口主要負責轉發(fā)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(tǒng)。定位分站作為一個ZigBee網絡的協(xié)調器(Coordinator)，負責ZigBee網絡的創(chuàng)建、管理和維護，為其所創(chuàng)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(fā)送包含其自身ID信息的數據包，并查詢是否有監(jiān)控中心發(fā)送給它的數據。
環(huán)境監(jiān)測分站采集各種傳感器的數據，通過ZigBee無線網絡傳送給監(jiān)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(tǒng)網絡節(jié)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(fā)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(tǒng)的規(guī)定及跟蹤定位系統(tǒng)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(xù)工作7天以上。
(2)發(fā)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(tǒng)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(xié)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(tǒng)，可以實現(xiàn)井下人員的精確跟蹤定位，同時可以進行考勤和監(jiān)督管理。不僅在井下發(fā)生事故時發(fā)揮重要作用，而且可以用于日常的管理，整合環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)使得功能更加完善，通過網絡可以實現(xiàn)監(jiān)控終端和井下工作人員的雙向通信。開發(fā)礦井人員跟蹤定位系統(tǒng)是煤礦安全生產的需求，將在煤礦安全生產和管理中發(fā)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