浅析基于ZigBee技术的煤矿井下人员定位系统

王玲

摘 要：在研究ZigBee技术的基础上设计了一套专业的煤矿井下人员定位系统。该系统采用最先进的无线收发器可以实时对井下采矿人员进行定位，识别身份，前提是井下工作人员必须穿戴一个收发信号的发射机，无线收发器收集到的信息传送到地面，有利于考察井下工作人员的工作出勤，查询井下工作人员的分布情况，提高工作的效率和安全性，发生事故时可以快速的实施救援，提高煤矿的安全管理水平。

关键词：ZigBee技术；煤矿井；无线收发器；人员定位系统

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）27-0074-02

1 ZigBee技术研究意义

为了防止重大安全事故的发生，应该加强对井下的安全管理，保障工作人员的生命财产安全。

但是目前很多的煤矿在生产过程中很难掌握井下工作人员的动态分布情况，如果发生事故，不能展开及时有效的救援，降低了井下被埋人员的存活概率，所以煤矿应该大力投资建立一套科学的井下人员定位系统，井下工作人员随时向地面提供其作业位置，有利于地面控制系统对井下人员进行管理，大力保障煤矿井下人员的安全，提高煤矿企业的工作效率和经济效益。

2 ZigBee技术阐述

2.1 技术发展的背景

20世纪80年代美国和欧洲在自己的铁路系统上采用了使用无线电台来进行信号标杆定位的方法，但是当时的技术水平非常有限，所以没有受到市场的青睐。随着ZigBee技术的研发解决了技术的困境，ZigBee技术为信号标杆定位拓展了广阔的市场，这种技术在中国市场得到了大面积的使用和推广。

ZigBee技术是IEEE802.15.4标准经过发展衍生的技术标准。该标准的工作内容主要是参与制定物理层和MAC层协议，建立应用层和安全层的规范。2004年某企业发布了正式的IEEE802.15.4协议，很多产品已经推出市场。实践证明ZigBee技术符合市场的需求。该技术可以实现不同厂商的设备之间相互通信，一方面具有良好的互操作性，产品具有高度的灵活性；另一方面能够减少原始设备厂商的成本投入，提高资金使用效率。

ZigBee技术具有结构简单，成本投入较低，消耗功耗低，非常稳定可靠的特点，是一种双向微功率网格式无线接入技术。ZigBee技术最大的优点在于地理定位，该技术主要是在无需注册的2.4 GHz ISM频率段工作，非常方便，信号传速率为250 KB/s，传输距离比较远，可达到几百米，甚至上千米。最重要的是利用ZigBee技术可以创建一个巨大的无线数据传输网络平台。

2.2 ZigBee技术的定位原理

无线收发机在空旷的环境下可以发射较大功率的射频信号，科学研究得出某位置的信号强度和该位置到发射天线的距离的平方呈反比关系，经过长期的实验研究出以下公式为：

Tγ=KQ/R2

其中Tr表示的是工作人员距离发射机R的信号强度，Q指的是发射机天线端的信号强度，K指的是信号的衰减指数，衰减指数的高低受到很多因素的影响。

实验证明只有当信号强度大于接收灵敏度时，无线发射机才可以接收到另一个发射机发出的信号。我们假设将某个位置的信号强度刚好等于无线接收机B的接收灵敏度Br时的距离记做Rs，Rs看作发射机A相对于无线接收机B的覆盖半径，那么Rs在信A信号强度增大和Br减小同时满足的情况下会增大，反之亦然。在假设如果A的位置固定，当A的发射功率等于B的接收灵敏度时，B只有在以A为圆心，Rs为半径的范围内才能接收到A的信号。总之，发射机的距离越近，信号越强。

2.3 无线网络定位系统

在情况复杂的煤矿井下面使用无线网络定位系统，必须在设计方案时，充分考虑到该系统的稳定性、抗干扰性、异常保护能力等。

在基于ZigBee技术的支撑下开发微功率收发机，主要包括井下人员的定位监控节点或网络主节点和网络分节点。在规定的范围内建立由地面控制中心和若干个微功率无线发射机组成的无线网络通信系统，采用该系统有助于地面控制中心对井下人员进行追踪定位和安全管理。

无线网络定位系统包括井上网络系统和井下网络系统，相互联系，井上网络系统是无线网络系统的监控中心，可以共享网络节点；井下网络系统是主要是通信为主的微功率发射网络系统。其中每一个微功率收发机都是一个监控节点，如图1所示。

将该系统定位好的每一个移动目标进行标识，然后在每一个移动目标上安装微功率定位信号发射机；系统工作过程中一定要保持网络主节点和子节点联系畅通，根据网络主节点判断信号的强弱，确定人员的位置和活动轨迹。

①系统硬件。系统的硬件构成主要无线射频收发器、可调节微功率电压稳定器、微控制器三个部分。研究人员要根据IEEE802.15.4标准协议设计硬件，结合ZigBee技术和经济高效的CMOS设计方法，增强定位系统的抗干扰能力，降低设备的功耗；系统要在2.4GHZ ISM频段运作，使定位系统可以正常高效运作。射频收发器和微功率控制器采用SPI串行接口实现通信交流。

②定位系统。通信系统由802.15.4无线通信模块和微功率控制器模块组成。其中802.15.4无线通信模块主要工作是收发数据，内部结构由射频和基带两大部分组成。射频负责为数据通信提供空中接口，基带为物理信道提供链路以及分类数据；微功率控制器模块主要工作是管理和控制所有信道链路，在基带通信协议的规范下，负责为无限通信建立链接、提供频率、链路，控制媒体接入、功率模式和安全算法等。经调整过的传感器模拟信号在经过A/D转换后会暂存在缓存中，无线通信模块把模拟信号发送到主节点，提取特征、融合信息、处理信息等等，具体流程，如图2所示。

图2 传感器模拟信号流程图

3 结 语

建立基于ZigBee技术的煤矿井下人员定位系统一方面能对煤矿井下工作人员实行有效的安全管理，实时监督井下的作业情况；另一方面大大提高了煤矿企业的安全管理水平，有效保障了井下人员的生命安全，进一步提高了井下危机处理的能力。模块化的设计体现了定位系统强大的可修改性和可拓展性，灵活简便，提高系统对移动目标的定位精度，确保煤矿井安全作业，高效生产。

参考文献：

[1] 黄旭慧.基于ZigBee技术的煤矿井下人员定位系统研究与应用[D].南昌：南昌大学，2012，（6）.

[2] 戴光贤.基于ZigBee技术的煤矿井下人员定位系统研究[J].煤炭技术，2012，（3）.