邢台矿矿山井下人员定位与通信系统的实现

张宜弛，蒋磊，常岑

中国矿业大学（北京）机电学院，北京 100083

1 研究的重要性和紧迫性

我国近年来煤矿的生产安全形势比较严峻，由于矿井的巷道和井下作业人员的分布情况复杂，灾变时难以确定井下人员的数量和位置，给救援带来很大困难，矿井下的通讯以及发生事故后的即时营救是难以实现的困难问题。现有的 RFID射频读写系统（包括SuperRFID），不能实现真正意义上的井下人员定位跟踪，无法实时地报告井下人员的具体位置，也无法实现井下实时语音通讯，只能作为下井人员区域定位和考勤登记使用。为了满足煤矿井下安全生产的需要，矿山井下无线跟踪与定位系统在正常情况下应能为煤矿管理人员提供人员实时监控、进出限制、考勤作业、实时通讯等多方面的信息。一旦发生安全事故，通过监控系统应可以知道该被困人员的具体位置，保证抢险救灾和安全救护工作的高效运作。根据邢台煤矿井下巷道距离较长，工作面较为分散，设计并安装井下定位与通信系统对于解决井下发生矿难时人员分散难以准确施救具有十分重要的意义。

2 主要研究内容

2.1 系统设计方案

矿山井下定位与通信系统拥有两个射频系统：WiFi部分和ZigBee部分。并具有通信分站和网络交换机的双重功能，可以直接连接到主干环网上，减少了基站控制器和中继器的需要，整个系统简洁、可靠性高、便于安装和维护。其主要功能有2点：

1）井下综合分站的WiFi部分实现网络交换和无线网桥功能，构建无线骨干网、提供WiFi信号覆盖和环网接力，负责在上位计算机和终端设备之间双向传递数据；

2）井下综合分站的ZigBee部分实现远距离射频识别系统的识读器功能，收集与读取矿工携带和安装在矿车上的标识卡位置信息、状态信息，并将这些信息进行本地的压缩处理，通过WLAN骨干网向上位计算机提交该数据。

2.2 系统组成

矿山井下无线跟踪与定位系统主要由网络平台、基站、上位计算机、终端设备和应用软件组成，系统组成如图1所示。它们大体上分为3层，即：

1）地面网络交换层：主要为调度室交换机、语音网关、井口分站、地面分站；

2）井下无线网络层：通过同时发射WiFi和Zigbee无线射频信号的井下综合分站实现井下定位信号和实时通讯信号的覆盖；

3）终端设备：终端设备有本安型手机、本安型标识卡。

2.3 系统网络拓扑结构

网络采用环形加树形拓扑结构。井下无线网络层通过环网交换机构成主干环网，各个井下综合基站彼此通过光纤并以接力的形式连接到井下工业以太环网实现井下的无缝隙覆盖。邢台矿井下基站拓扑结构如图1：

图1 邢台矿井下基站实际拓扑图

3 系统的硬件构成

综合分站的功能设计：

综合分站布置在各级巷道中，由于这些节点内写入的坐标与实际环境的坐标一一对应，因此，这些基站在布置完成后就不轻易更换位置，除了结点出现故障或者网络重新布置。固定在巷道中的综合分站具有主要两个功能：监测整个矿井井下人员的实时位置，转发数据。由于这些结点处于矿井巷道，因此，采用矿用照明127V线路进行供电。矿井巷道综合分站作为无线传感器网络的传输转发结点，担负着传输井下人员位置数据值。这些数据最终传送到汇聚结点，然后再经过有线网络保存在整个系统的数据服务器内。每个工作层面的无线传感器局域网内的通信采用无线方式，而无线网络之间则采用有线光纤局域网的形式进行通信。综合分站根据煤矿巷道的实际情况以及天线布置的要求，综合分站安装在巷道侧壁上。

综合分站硬件主要由四部分组成：数据采集模块、微处理模块、无线通信模块、电源模块4 个部分组成。作为一个完整的嵌入式检测系统，要求设计的组成部分的性能必须是协调和高效的，各个模块实现技术的选择需要根据实际的应用系统要求而进行权衡和舍取。数据采集模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个综合分站的操作，存储和处理本身采集的数据以及其它节点发来的数据；无线通信模块负责与其它传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据，并通过WiFi信号提供语音通信功能；电源模块通过电压变换为综合分站提供运行所需的15V直流电。

4 定位标识卡的软件设计

本系统中采用CC2430作为ZigBee模块中的主控芯片，CC2430芯片是Chipcon公司生产的符合ZigBee技术的2.4 GHz射频系统芯片，是现有的最完善的ZigBee协议的单片解决方案之一，它延用了以往CC2420芯片的架构以及2.4GHz ISM波段应用对低成本，低功耗的要求，并在单个芯片上整合了ZigBee 射频(RF)前端、内存和微控制器，能够满足大多数低功耗ZigBee（IEEE 802.15.4）无线传感器网络的应用需要。单片机是本安型标识卡终端监控模块的核心, 经过比较, 终端监控模块在设计上采用STC12C5410AD单片机作为主控单元, 它具有高抗静电性, 宽电压, 不怕电源抖动,具有低耗能工作方式, 可较简便的实现掉电保护, 宽温度范围完全满足相对恶劣的井下工作的环境、湿度等要求。系统采用CC2420作为ZIGBEE 射频发射单元, 主控模块与射频模块之间采用串口连接。

5 结论

1）将无线传感器网络最新的研究成果运用到井下定位系统，即以无线传感器网络的定位技术和通信技术现有的成果为指导，结合井下定位的实际应用情况，开发基于无线传感器网络的实时井下定位系统；

2）对井下定位系统中手持综合个人装置的功能需求进行分析。根据煤矿井下人员定位系统的设计原则制定设计目标，实现总体设计；

3）设计出功能齐全且高性价比的硬件模块，搭建井下人员跟踪定位系统综合个人装置的的硬件平台，即基于ZigBee与WiFi两种无线通信技术相结合的井下人员定位与实时通讯平台，实现井下人员精确定位以及矿井上下的实时通信。使煤矿调度室中心可以更有效率的监控工作现场并且及时的沟通与处理。

[1]刘庆华，周小燕.应用Zigbee 技术构建井下人员跟踪定位系统.煤炭科技·机电与信息化.

[2]瞿雷.一种新的无线网络通信技术ZigBee.单片机与嵌入式系统应用，2006(1).

[3]徐丽华，王宜怀.一种ZigBee 网络的设计与实现.微计算机信息，2007，23(11-2).

[4]郭韡，李郴，郑岚，杨敏，徐元元，赵伟.煤矿井下人员定位系统的现状和发展.江西煤炭科技，2008(2).