基于ZigBee定位的设备生命周期管理

韩忠利 傅阳

1.神华神东煤炭集团有限责任公司工程师 陕西榆林 719300

2.深圳市翌日科技有限公司产品经理 广东深圳 518000

地下资源勘测技术越来越成熟，随着开采深度和范围都在逐步扩大，所使用设备的种类和数量都在增多，尤其是可移动设备增多，给井下设备的管理和维护带来了巨大的压力[1-2]。经常找不到移动设备而造成经济损失，人工审查物资耗时耗力且容易出现漏检。部分矿井可通过带有无线定位功能的设备识别目标设备的位置信息，但是对于没有信号覆盖的盲区则不能有效获取设备的信息[3-4]；同时，对于设备的异常出井的情况也会疏于监控。

1 现有的设备管理手段

在现有的矿山环境中，井下资产采用人工管理方式通常存在设备管理混乱、设备遗失、人工盘检效率低下、漏检、无法跟踪而长期搁置等问题[5-6]。部分采用物资管理平台，将设备信息保存在二维码或条码中，但不能主动录入设备信息且纸质条码容易丢失[7-9]。同种设备在矿井的不同阶段，产品的厂商、型号也会不同，有基于射频识别技术的方案来建立设备档案的数据库，但是其依然需要人员近距离读取设备信息，射频装置耗电较大且不能主动上报设备信息，依然给设备检修带来了极大不便[10-12]。因此，缺乏物联网基础设施的支持，很难全面的实现对井下设备全生命周期的追踪管理。

2 基站定位的生命周期管理系统

基站定位的生命周期管理系统由定位标识卡、手持机、定位基站、网络设备、服务器、主机等设备以及软件平台系统组成[13-15]。标识卡为矿工个人佩戴设备，通过无线个域网ZigBee/IEEE802．15．4通信协议与读卡主站和读卡辅站相连，获得定位卡在矿井中的位置，可实现对设备从入库、使用、维护、修理、改造、更新直到报废全生命周期的精准定位和管理。

当标识卡经过读卡分基站时，分基站将接收到其ID码，并将此编码信息随同分基站自身的地址码一起通过信息传输接口传送给主机,从而使主机获取该移动目标的当前位置信息；标识卡能够识别物品在井上井下，当设备异常出井时报警，从而加强对设备的管理；对于信号盲区的标识卡，使用手持机扫描到设备信息后，能够离线存储设备信息在手持机中，到有信号的地方再将设备信息上传，解决信号盲区设备无法管理的问题；从而更好的实现对矿山的物资设备信息的采集与管理。系统的拓扑图如图1所示：

图1 系统的拓扑图

2.1 标识卡

标识卡采用卡片式设计，边角采用大圆角设计，减少碰撞的可能性，整体轻便美观，并且材料防火阻燃，结构内部浇胶密封防水防尘；与上层定位系统双向通信，支持存储和修改信息，支持磁铁激励和手持机读写功能。标识卡的外部无按键，有低电和信号指示两个灯。正常工作时信号指示灯每隔15秒以绿灯轻微闪烁一下，当触动“求救”信号时，指示灯以红灯闪烁并伴有蜂鸣声；标识卡的电量正常时以3．7V的直流电压工作时，指示灯以绿灯轻微闪烁，电量不足时低电灯以红灯轻微闪烁。标识卡的结构示意图如图2。

图2 标识卡的结构示意图

标识卡的天线采用IFA天线，无线信号覆盖的范围为400m，定位精度可达1-3米，接收灵敏度为-75dBm，发射功率小于20dBm。采用ZigBee无线通信技术具有低功耗、距离远的特点，主芯片采用JN5168和RFX2401C，待机电流控制在20uA，电池容量为4000mAh，每15秒发出一次数据，可正常工作5年，具有8K存储空间，可以存储物品设备的相关文本信息。

标识卡在接入电池后开始工作，MCU控制射频芯片以触发方式周期性地发射其标识卡ID码信号。具体硬件结构如图3所示。

图3 标识卡的结构示意图

2.2 手持设备

手持机的激励方式为对标识卡的霍尔元件激励，激励距离为10厘米，可对标识卡的无线发射频率进行实时修改。手持机标识卡管理软件的功能包括基础信息管理、信息查询、维修记录管理、修改RSSI频道。可对标识卡号、名称、电压、状态、周期等基础信息进行增删改查，可按筛选条件进行读取和显示，可对维修记录进行增删改查，可修改标识卡的RSSI频道，并将这些信息反馈至服务器。

2.3 定位基站

定位基站为矿用本质安全型基站，用于实现资产卡的定位和数据采集，并上报到服务器，也可将服务器的指令下发给终端。输入电压为9-36V，单个基站覆盖距离要不小于400米，配有三个百兆光口、五个电口，可接入井下环网，最多可同时接收最多40张标识卡的定位信息。

2.4 资产管理软件系统

系统分为4大功能模块，共12个子功能。功能模块包括资产信息登记、设备盘点、轨迹查看、实时报警、推送同步服务。可实现绑定标识卡卡号后可实时显示卡的位置信息，可增删改查设备信息；查看指定区域内的所有设备及实时位置；特定设备在井下轨迹的查看并支持导出；当未申请设备出井的情况下，若设备非法出井，则会发出报警；当标识卡的电量低于3V的阈值时，发出低电报警，当标识卡未按设定的周期进行定位和数据发送，则发出工作异常警报；当设备离开登记时的工作区域时，发出区域报警。

3 系统软件设计

软件设计是整个系统的核心部分，保证有限的带宽下系统的效率依然高、异常情况能迅速的恢复正常、特定领域的特定要求亦能满足。

软件包括入网模块，定位模块，求救模块，撤离模块，其工作流程图如图4所示。其中，重点论述入网模块和定位模块。

图4 系统软件工作流程图

3.1 入网模块

标识卡需要加入读卡主站的网络，才能开始进行定位。其工作流程为：

（1）定位主站广播AVAILABLE帧，表明自己有接收标识卡入网的能力。

（2）标识卡发送REQUEST，向定位主站申请入网。

（3）定位主站回复ACCEPT，接受标识卡入网。

3.2 定位模块

当标识卡加入网络后，即周期性进行定位操作，定位周期为5秒钟。为进行省电操作标识卡在非定位时间内进行休眠。读卡主站、读卡辅站分别和标识卡做TOF测距，根据两者测距的结果D1和D2，由定位主站计算出标识卡的实时位置。在一次定位中，定位主站或定位辅站为Master端，标识卡为Slave端。定位测距拓扑如图5所示。具体的流程如下：

（1）标识卡休眠。

（2）定位时刻到来，标识卡醒来。

（3）读卡主站与标识卡进行TOF测距，标识卡为被动回应。

（4）读卡辅站与标识卡进行TOF测距。

（5）读卡辅站向读卡主站发送TOF_LOCATOR_FINISH，上报自己与标识卡的测距结果。

（6）读卡主站向标识卡发TOF_STATION_FINISH，代表一次定位结束。

（7）标识卡再次休眠。

（8）读卡主站根据两次测距结果计算定位，将定位结果向信息传输分站上报。

图5 定位测距拓扑图

4 结语

基站定位的设备生命周期管理中，标识卡体积小、易安装，手持机支持离线上传定位，上层软件支持报警、监控、信息管理功能。可满足设备入井后的移动轨迹监控，设备的入井时间、出厂日期、品牌型号等特征信息的查询，设备异常出井时的报警，信号盲区用手持设备离线上传数据的设备管理等功能，达到提高设备的利用率和安全性的目的。同时，在检修换件时，通过生命周期软件精准定位目标设备，节约大量核查和检修时间，大大提高检修效率。