基于ZigBee技术的矿井人员定位系统设计与应用

朱启成

摘要：ZigBee作为一种新型技术，近些年在我国的不同行业均有应用。基于这一技术设计的矿井人员定位系统，不仅能够实现在地面对工作人员的实时管控，而且为实现井上管理和井下的沟通与联络提供了便利条件。这种系统通过对信息的采集，实现了对工作人员的准确定位、识别身份以及绘制轨迹等，能够实时了解工作人员的身份状况，为紧急救援提供了良好的技术保证。本文就ZigBee技术在矿井人员定位系统中的应用进行了详细的讨论。

关键词：ZigBee技术;矿井人员;定位系统

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）14-0006-02

1ZigBee技术概述

1.1 ZigBee术内容

在短距离通信中引入了ZigBee技术，极大地提高了通讯效率。这种技术采用2.4GHz波段，应用跳帧技术，ZigBee技术本质上就是一个传输平台，这个平台是网络化的，由小于65000个无线数据传输模块所构成，目前应用的移动数据网络的构成原理与其相类似。在全网范围内，网络之间可以相互联络，不同网络节点间的距离由75米逐步扩大到几百米或者几千米。

1.2定位原理

基于ZigBee技术的网络平台如图1所示。定位的实现主要依赖于无线信号的传输，在无障碍空间中，特定功率大小的射频信号通过地面的无线发射设备发出，不同位置射频信号的强度数值和位置距离与发射天线之间的距离成反比例关系嘲。由计算公式可以得到：Tr=KQ/R2。Tr与发射设备相距R米处的信号值，Q：发射设备的信号数值，K：信号的衰减率，是一个常量。常数值和天线发射和接受信号的高度数值，信号频率以及作业环境的条件都有关系。判断一个无线接收设备是否能够成功实现较远距离信号的接收，主要取决于几个方面的因素，首先，信号必须由无线发射设备发出，此无线发射设备必须与接收设备具有相同的信号通道和通信方式，其次，发射设备A发出的信号强度可以传输到接收设备B处，最后，接收设备的灵敏程度足以完好的接收信号。如果信号强度足够，则接收设备便能够实现良好的信号接收。在这一操作中，需要有合理的覆盖半径，所谓覆盖半径，就是发射设备发射的信号，在距离接收设备指定距离R时恰好可以被接收设备以指定的灵敏度接收，这一距离R就是覆盖半径。通常，在发射设备的功率和接收设备的灵敏程度是一个不变的常量时，则覆盖范围就是以接收设备为圆心，以R值为半径的圆。接收设备是位于圆上或者圆内部的任意一点。一旦位于圆外，则无法实现信号的正常接收。

2系统设计

人员定位系统是分布式的，是整个煤矿生产安全监控系统内部的一个组成部分，定位系统的组成包括几个方面，分别为：中心站、数据接口、定位站和标识卡等设备，矿井下的定位系统根据不同的功能可以分为三个部分。系统结构示意图如图2所示。

1）数据中心站

数据中心站主要包括两个组成部分，分别为信息处理系统和转换接口。信息处理系统的工作内容是将不同网络节点发布的信息数据实时存储，并且及时有针对性地处理、显示。其他成员能够依据实际需要，对这些信息进行查阅、为了实现RS232总线与RS485总线之间的无损转换，需要设置一个满足要求的转换接口，不仅能够及时传递井上信息，而且可以传递井下信息。

2）采集信息

位于矿井上的定位站和读卡设备共同实现了信息的全面采集。标识卡的资料采集由读卡设备完成，定位站则是在对标识卡资料采集的基础上，进一步将其传递至处理系统，传递的方式有两种，分别为有线传递和无线传递。使用RS485接口负责数据信息的转发任务。

3）标识卡

标识卡的使用目的是依据确定的时间间隔向系统发出信号，实时监测，来确定人员的具体位置。标识卡由工作人员佩戴在身上，卡内安装电池，以维护卡的正常使用。系统的电力供给依靠无线基站来实现，井下的高压电是非本安型的，需要将其转换为低压直流电，此低压电是本安型的，一旦出现断电，则自动启动蓄电池，如果保持充电状态，则能够实现对电池的充电。

4）硬件环境设计

监控点的组成主要包括无线射频接收设备、发射设备、微控制设备、电压稳压设备等，全频谱编译码，设备中采用CMOS以后，不需要额外增加其他组件，系统能够抵抗较强的干扰，功率可以达到一个较低的水平，稳定性强。经过多次试验验证，设备的传输距离以及可靠程度都能够满足应用标准。

5）软件环境设计

网络通讯系统的组成包括通信模块、控制设备模块、不同设备接口、直流电源模块、外部存储设备等，通信模块均为无线型，负责设备的收发，包含视频和基带两个部分，射频部分负责为数据通信提供接口，基带部分则负责为链路提供通道，通视将数据信息合理分类，链路的管控由控制系统实现，同时执行基带的通信协议。执行内容包括：形成连接、选择频率、选择链路类别、接人以及控制媒体、安全运算等。模拟信号值经过传感器的调整以后，再进行模数转换，存储于缓存中，被无线通信模块传输至主要控制点，将信息选择性提取，再按照需要进行融合，进行高级处理。

3系统在矿井中的应用

煤矿井下巷道呈u形布局，系统中的ZigBee无线节点布置示意图如图3所示。

3.1实现准确的人员定位

井下作业的工作人员身上佩戴标识卡，标识卡会持续发射出射频信号，信号中包含特定的信息，包括：作业人员的身份、ID号码等，射频信号被最近一级的定位点接收，定位点将井下作业人员通过标识卡发出的信号和定位点的信号综合起来，通过RS485线路传送至距离最近的上一级定位点，逐级传递，直至地面中心处理点结束。通过信息处理点的计算机设备对其进行详细的记录与处理，同时对数据进行合理管控、方便不同部门人员开展查询工作，管理人员可借助这一系统实现对井下工作人员的合理管控，通过实时定位，了解井下作业人员的具体位置，查看工作进度。当井上需要召集井下的工作人员时，可以借助系统实现呼叫，可以每次只找某一个人，也可以同时找到几个人或者几十个人。井上的呼叫可以通过设备马上传递至井下;同时，井下的作业人员一旦遇到了紧急事件，也能够随时呼叫井上的管理人员或者值班人员，这种呼叫是双向性的、实时性的。

3.2确定井下工作人员的活动轨迹

系统能够描绘人员的轨迹。通过定位系统可以获取人员在井下的活动轨迹图，管理井下工作人员的基站将识别卡中的ID信息进行记录，然后通过线路传递至服务系统，数据库中设置定位基站表，将ID号碼准确记录，建立节点表，准确记录各个节点的坐标值，通过路由表记录和处理不同基站的坐标值。依据上述所有信息，实现工作人员轨迹的描绘。

4系统测试

对系统进行测试，需要选取合理的环境和条件，可以将模拟场景设置在学校的教室，先将设备合理定位，然后依据教室的实际状况妥善安装，尤其注意定位系统位置的选择，为了实现对工作人员的实时定位，在设备的主机上安装人员跟踪装置，通过合理安装考勤软件实现对工作人员的考核。初始化设置全部监控点，全面准确地录入、存储工作人员的基础信息资料，使设备更加准确、可靠地开展工作。考核中首先测试单一标识卡在各个监控点出现时的信号值，然后再将多张测试卡以群组的方式在各个监控点进行测试，为了提高测试的精度以及灵敏性，可以实时调整接收设备天线的朝向，准确记录数据，然后针对分析结果进行系统的改进。

综上所述，井下人员定位系统应用了ZigBee技术，基于其微功率以及强大的无线网络，实现了对井下人员的有效管控，避免了冗杂的线路所造成的干扰，不同监控点实现了高效的数据采集。根据系统在实际应用中出现的弊端，技术人员可以对其实时修改、实时扩充，任何模块都可以根据使用要求进行相应的调整，实现高精度的井下人员定位。