煤矿员工考勤与井下人员定位系统的研究

高斌斌

(山西煤炭职业技术学院 机电工程系，山西 太原 030031)

煤矿员工考勤与井下人员定位系统的研究

高斌斌

(山西煤炭职业技术学院 机电工程系，山西 太原 030031)

将煤矿井下工作人员的考勤和定位与组态软件相结合，设计了一套能够精确提供井下被困人数和较为准确定位井下人员位置的系统。其中煤矿井下工作人员考勤系统能够收集、保存井下工作人员的各种信息，包括个人身份认证、出勤率、迟到次数等；定位系统能够确定井下矿工所在位置，为煤矿管理提供准确的考核信息。在矿难发生后，便于确定井下被困矿工人数和位置，为营救赢得时间。

煤矿监控系统；考勤；定位；组态；ZigBee

0 引言

矿难事故发生后，井下救援时仅矿工位置的确定就得花费几天时间，而因此错过了营救的最佳时间，许多矿工都是在矿难发生时被困在井下的时间过长，缺氧、缺水、缺食物等情况而遇难。因此，井下工作人员的定位在井下安全监控系统中占有重要的地位。本文将煤矿井下工作人员的考勤和定位相结合，设计了一套矿工考勤与定位系统。

1 煤矿员工考勤与井下人员定位系统的总体方案

本系统由3部分组成，包括井下人员考勤和定位、通信以及上位机监控，系统结构框图如图1所示。

图1 矿工考勤与定位系统的总体结构框图

2 井下人员考勤和定位

2.1 井下人员考勤系统

在本系统中，采用射频识别(RFID)考勤系统，将矿工的个人信息存储到射频卡中，射频卡是全双工通信，每张射频卡拥有唯一的ID，通常情况下，射频卡处于睡眠状态，当井下矿工进入系统有效范围内时，射频卡中的无线电信号被激活，通过卡内的天线发射出唯一的加密识别码，从而完成考勤任务。

2.2 井下人员定位系统

在本系统中，采用了ZigBee无线传输技术，采用2.4 GHz的高频段传输，其传输速率为250 kb/s。定位系统由服务器、音频处理客户端、无线子网接入点、无线基站和移动终端5部分组成。其中，服务器作为上位机与移动终端通信的中继点和下设子网间通信的管理员，负责移动终端与上位机的通信，同时对下设子网间的相互通信进行管理和协调。音频处理客户端用来处理服务器和无线子网接入点传输过来的信号，如果是无线传输信号，则其只作为中继点，将信号直接传输给下一站；如果是语音信号，则转换为音频数据后，传输给下一站。无线子网接入点作为系统中的协调器，用于将无线基站和终端设备的无线信息汇总，然后将其转发给音频处理客户端，同时负责将服务器的指令和信息以及音频处理客户端传输过来的语音信号传递给无线基站。无线基站作为ZigBee网络中的路由器，是定位系统的参考定位节点，ZigBee终端设备通过基站进入ZigBee网络中，实现数据的转发、路由选择等功能。移动定位终端通过无线模块与ZigBee网络进行连接和通信，发送相关数据，并向无线基站广播定位数据包，作为数据处理服务器的原始定位数据[1-3]；在移动定位终端上安装有语音芯片，通过该芯片，井下矿工之间以及同上位机进行语音通信。

在本系统中，我们在距井口不远处的办公室内放置系统服务器，在井下巷道中预先分布无线基站，每隔50 m布置一个无线基站；同时在巷道的分岔点及拐角点处安装无线子网接入点和音频处理客户端，作为系统的协调器和语音处理器，基站、无线子网接入点和音频处理客户端的位置被测出并存储在服务器中。当工作人员在井下工作时，随身携带一个无线终端，此无线终端接收到基站信号时向基站发射信号，基站接收到终端发射的信号，即可确定携带该无线终端的工作人员位于该基站的无线信号范围内，开始进行定位，并将数据传送到无线子网接入点，由无线子网接入点将所得到信号传输到音频处理客户端，通过该客户端上传给服务器，完成定位工作；同时，无线终端之间利用内置的语音芯片，通过无线基站、无线子网接入点和语音处理客户端实现互相以及同上位机的语音通信。

软件方面，基于测距技术，在已知节点接收功率的情况下，通过两个基站接收同一个无线移动终端(RF)的信号，然后根据RF到无线基站的功率损耗来测量该无线终端的位置，并通过无线子网接入点将其位置上传到监控系统中，从而实现对井下工作人员的定位和监控。

3 通信部分的设计

通信部分是整个系统的关键，考虑到煤矿的实际情况，采取无线与有线相结合的通信方式[4]。有线部分为数据传输的骨干，使用矿用阻燃电缆组成以太网；无线部分采用ZigBee网络，实现井下人员的定位。考勤系统上位工控机通过以太网将信息传输到监控室中；ZigBee无线基站负责将定位信息采集，ZigBee子网接入节点将信息汇总后，通过以太网关将信息传送到以太网，信息传送方式转换为有线。

4 上位机监控系统的设计

4.1 监控画面的设计[5-6]

在本系统中，采用了北京亚控科技公司开发的组态王软件实现对井下的组态，其组态过程包括I/O设备、数据变量、组态画面和动画连接等4个过程的建立。

(1) I/O设备的建立。本系统用到的设备有DDE设备和串口类设备。首先是DDE设备，通过组态王的“设备配置向导”，新建一个DDE设备，将VB与组态王连接，实现整个系统的监控。其次，通过COM口定义串口类设备，由于组态王一个串口只允许接同一种设备，在串口上的设备驱动都加了多串口合成工具，用于音频处理客户端以及井下各种传感器的连接。

(2) 数据变量的建立。在组态王的工程浏览器中打开数据词典，然后建立所需要的数据变量，指定变量名和变量类型，并将其与I/O设备建立链接，这样数据变量就可以代表I/O设备的实时情况。

(3) 组态画面的建立。根据需要，为井下的每一个巷道建立了组态画面，以模拟井下实际情况。

(4) 动画连接的建立。将动态数据的相关画面与所建立的数据变量相连接，实现画面随数据变化的功能。同时，为了实现多画面监控，使用VB从组态王获取数据，建立与组态王相同的画面。通过组态王和VB工程相结合，使一台电脑在不同显示器上显示不同

的画面，实现对井下的多画面监控。

4.2 数据库的建立

数据库的建立包括考勤系统数据库、定位系统数据库和用户权限设置3部分。

(1) 首先安装Microsoft SQL Server 2003，然后安装考勤系统软件。当考勤系统软件运行时，系统会自动搜索能够连接到的SQL Server服务器，先创建考勤系统数据库，然后将组态王与该数据库进行连接。

(2) 定位系统数据库的设计与考勤系统数据库的设计不同，其只需通过组态王自带的报表功能就可以实现。

(3) 用户权限的设置。为了防止工程被恶意修改，在开发系统中对工程进行了加密。为了对相关数据进行保护，建立不同用户和用户组，并授予不同的权限，操作人员必须以自己的身份登录，才能获得相应的操作权。

5 结束语

本系统在实际中运用，较好地完成了井下矿工的考勤和定位工作，同时也暴露出一定的问题。首先是电源问题，在本系统中，ZigBee无线子网接入点、无线基站和终端设备全部通过干电池来供电。终端设备为矿工随身携带，可以随时更换电池，但是无线子网接入点和无线基站，由于其特殊情况，只能是定时更换电池，其步骤较为麻烦，如果能通过井下的防爆电源和蓄电池相结合，在一般情况下，通过电源供电，一旦发生停电等特殊情况，使用备用电源，或许会更好。其次，就是定位问题，在定位过程中，将井下每个巷道的情况都显示在监视器上，但是在大多数的时间内，只有为数不多的巷道内有矿工，而其他的巷道没有动静，监视器却要显示多条巷道画面，这样就拖慢了系统，又使监视器过多，给上位机监控员操作造成一定的麻烦，假如能够实现在监视器上只显示井下有矿工的巷道画面，这样监控效果会更好。

[1] 李文仲，段超玉.ZigBee2006无线网络与无线定位实战 [M] .北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[2] 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，2007：22-28.

[3] 陈彦明，王秋光.基于ZigBee技术的音频传输系统[J] .哈尔滨理工大学学报，2009，14(6)：52-55.

[4] 李海云.城镇水厂自动供水SCADA系统的研究与应用[D] .太原：太原理工大学，2009：62-71.

[5] 李波.煤矿安全监控系统分析与设计[D].北京：北京邮电大学，2009：30-32 .

[6] 石磊，梁自泽，范长春，等.组态软件在煤矿监测监控系统中的应用[J].微计算机信息，2009(10)：21-23.

Coal Mine Staff Attendance System and Mining Personnel Locating System

GAO Bin-bin

(Department of Electrical and Mechanical Engineering, Shanxi Vocational and Technical College of Coal, Taiyuan 030031, China)

In this paper, combined the attendance, localization and configurable softwares, a system which can provide the number of trapped miners and comparatively accurate location of miners working underground is designed. The attendance system of mining personnel can collect and storage various information of mining personnel, includes personal identity authentication, attendance rate, the number of late for work, and so on. The locating system can determine the position of miners working underground, provide accurate evaluation factors for coal mine management. After the mine tragedy, it is convenient to determine the number and position of trapped miners for rescue.

monitoring system in coal mine； attendance； locating； configuration； ZigBee

1672- 6413(2015)06- 0163- 02

2015- 08- 10；

2015- 10- 25

高斌斌(1986-)，男，山西太原人，助教，硕士，研究方向为计算机监控和智能控制系统。

TP273

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