背景与意义
能源工业是国家经济发展的命脉所在，近年来，随着石油资源的紧张、石油价格的飙升，煤炭行业的重要性和不可替代性也日益凸现。虽然近年来煤炭工业得到了很大发展，但是矿下塌方、瓦斯泄漏、井下渗水等灾害事故时刻都在威胁着矿井工作人员的生命安全。井下复杂的地形给矿工撤离和事故抢救带来了极大的困难。因此，在事故发生之后，快速、准确地报告井下工作人员的位置和情况，对于救援工作的开展就有着极为重要的意义。
根据最新统计数据，我国可用煤炭总储量接近1900亿吨。我国煤炭资源丰富，煤炭是我国能源结构中的支柱。煤炭安全生产在我国国民经济安全生产中占有重要的地位。然而，我国煤矿与世界各主要产煤国家比较，矿井下地质构造比较复杂，开采安全问题较多，而且自然灾害也频频发生。近年来，我国煤矿事故仍然较多，个别地区重、特大事故频有发生。据不完全统计，近几年来中国煤炭产量占世界产量的35％，可事故伤亡人数却占世界伤亡人数的80％。轻则造成经济损失，重则造成人员伤亡，安全问题己经成为煤矿生产中的关键问题。不断加强灾害预防、事故救助等措施已成为当务之急。随着国家对煤矿安全生产工作的日益重视，煤矿现代化管理的需求，矿井人员定位及煤矿安全监测系统越来越体现出其重要性，实现井下人员定位和各种安全生产要素以及井下环境参数(如瓦斯、温度、风速等环境指标)的自动采集尤为重要。它们在煤矿安全生产方面具有举足轻重的作用。国内各采矿企业也纷纷开始研究部署井下人员安全管理系统。
随着对煤矿安全生产要求的不断提高，开发出可靠有效的人员跟踪定位，对于改善煤矿安全生产具有很大的现实意义和应用价值。现代化的煤矿安全监控系统除了实现对环境的监控之外，还应包括对设备和人员的监控，通过监控系统实现井下人员和设备的管理和调度，提高生产效率和安全性。因此，使用无线通信技术，建立以无线传感器网络为基础的煤矿监控系统己经成为煤矿安全生产和现代化管理的需求。
国内有不少企业从事井下人员安全监控系统的研究与开发。这些系统基本上都是采RFID(RadioFrequencyIdentification射频识别)技术，工作人员携带RFID电子标签，通过在矿井进口处以及一些关键通道口使用射频卡读取的方法对下井人员进行登记记录。但这种系统实际上仅仅是一种考勤记录系统，而非真正的人员定位跟踪系统。澳大利亚的NLTechnologies公司研发了采用433MHz有源RFID标签跟踪和管理地下作业的矿工和车辆的跟踪管理系统，目前正在申请本质安全认证，并将在2007年7月底开始在澳大利亚昆士兰州的英伦矿务(AngleCoalAus砌ia)安装、实验。该RFID标签通信距离能达到30-50米。但是这类通信技术远距离传输时通信速率较低，需采用电缆连接，故造价较高，安装施工不方便。另外基站成本较高，如矿井全覆盖，将极大的提高系统成本。ZigBee技术是一种新兴的最具代表性的无线传感网络，具有统一技术标准和低成本、功耗等特点。将ZigBee技术应用于煤矿安全监测，将有效地提高煤矿安全生产监控管理水平。
基于ZigBee技术的矿井人员定位系统
ZigBee技术是基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术。它可嵌入各种设备中，主要适合于承载数据流量较小的业务，其主要目标市场是工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本无线通信的应用。虽然前有Bluetooth，后有UWB，但是Zigbee技术在功耗、成本上有着独特的优越性，逐渐显示了其雄厚的发展潜力，ZigBee技术无疑将成为未来无线定位应用的上佳选择。
监控中心可以广播报警信号或通知到移动终端，终端设备可以发送异常求救信号到监控中心。更加便于情况异常时人员的及时撤离和开展营救。在生产管理调度室里，主机实时显示井下管理人员、技术人员、工作人员的位置和流向，为指挥调度生产作出优化决策，使生产指挥快捷、准确，提高生产效率。在情况异常或事故发生后，可以通过主机查询事故发生前各区域，特别是事故发生区域的人员分布和身份信息。在主干通信线路没遭到破坏的情况下，无线网络仍可以监测井下各工作面的环境和遇险后工作人员的动态情况。无线网络传送信息到监控中心，便于开展快速而有效的营救方案，争取宝贵的救援时间，最大限度地降低事故所带来的损失。
ZigBee网络中包含了四种设备，分别为协调器、路由参考节点、普通参考节点、移动节点。协调器和路由参考节点是Zigbee网络中的全功能节点，普通参考节点和移动节点都是半功能节点。前三种节点都是固定节点，节点间都是通过无线方式通讯。协调器在有通信电缆的地方通过RS-232接口与现有的通信电缆相连接，通过交换机再将信息上传至终端管理计算机。其各部分的作用如下：
协调器作为网络协调者，负责发起、组织、管理ZigBee网络。协调器与上位机相连，将参考节点和移动节点的数据传送至上位机；
路由参考节点在网络中承担路由功能，通过路由节点可以拓展ZigBee网络的通讯范围。路由参考节点可以管理连接在它下的普通参考节点。在定位上，它和普通参考节点具有相同功能；
普通参考节点主要用于定位。在接收到移动节点的定位请求后，将自身信息传送给移动节点；
移动节点发起定位请求，从参考节点处获得位置参考信息后计算位置并向协调器返回坐标。
按设备，该系统可分为井上设备和井下设备两部分。井上设备主要包括位于生产监控调度中心的数据传输接口、数据处理服务器，数据库服务器、系统维护终端和客户终端等设备。数据传输接口主要负责转发井下设备和地面主机之间传输的数据。井下设备包括定位分站、基准定位器、移动定位终端，移动定位终端由井下工作人员随身携带。
定位分站、基准定位器和移动定位终端组成了ZigBee网络定位系统。定位分站作为一个ZigBee网络的协调器(Coordinator)，负责ZigBee网络的创建、管理和维护，为其所创建网络数据传输的总结点，也是无线网络与有线网络的接口。定位基准器充当ZigBee网络中路由器(Router)的角色，与井下工作人员携带的移动定位终端通信，获得移动定位终端113、RSSI等信息并传送给定位分站。同时基准定位器还提供在矿井中的实际坐标，移动定位终端的定位坐标是根据此信息与RSSI值计算得出。
基准定位器使用普通或功率增强型ZigBee模块，无线传输距离可达50-200m，基准定位器之间距离配置为50～100m，可根据井下巷道实际情况调整。移动定位终端组成ZigBee网络中数量庞大的RFD(ReducedFunctionDevice精简功能设备)。移动定位终端定时向无线网络发送包含其自身ID信息的数据包，并查询是否有监控中心发送给它的数据。
环境监测分站采集各种传感器的数据，通过ZigBee无线网络传送给监控中心，可作为ZigBee网络中的路由器或RFID。
一个典型的ZigBee无线数据传输系统网络节点的硬件部分主要由微处理器模块，无线通信模块，数据采集模块以及其他一些外围电路和模块组成。如下图所示。
能源工业是国家经济发展的命脉所在，近年来，随着石油资源的紧张、石油价格的飙升，煤炭行业的重要性和不可替代性也日益凸现。虽然近年来煤炭工业得到了很大发展，但是矿下塌方、瓦斯泄漏、井下渗水等灾害事故时刻都在威胁着矿井工作人员的生命安全。井下复杂的地形给矿工撤离和事故抢救带来了极大的困难。因此，在事故发生之后，快速、准确地报告井下工作人员的位置和情况，对于救援工作的开展就有着极为重要的意义。
根据最新统计数据，我国可用煤炭总储量接近1900亿吨。我国煤炭资源丰富，煤炭是我国能源结构中的支柱。煤炭安全生产在我国国民经济安全生产中占有重要的地位。然而，我国煤矿与世界各主要产煤国家比较，矿井下地质构造比较复杂，开采安全问题较多，而且自然灾害也频频发生。近年来，我国煤矿事故仍然较多，个别地区重、特大事故频有发生。据不完全统计，近几年来中国煤炭产量占世界产量的35％，可事故伤亡人数却占世界伤亡人数的80％。轻则造成经济损失，重则造成人员伤亡，安全问题己经成为煤矿生产中的关键问题。不断加强灾害预防、事故救助等措施已成为当务之急。随着国家对煤矿安全生产工作的日益重视，煤矿现代化管理的需求，矿井人员定位及煤矿安全监测系统越来越体现出其重要性，实现井下人员定位和各种安全生产要素以及井下环境参数(如瓦斯、温度、风速等环境指标)的自动采集尤为重要。它们在煤矿安全生产方面具有举足轻重的作用。国内各采矿企业也纷纷开始研究部署井下人员安全管理系统。
随着对煤矿安全生产要求的不断提高，开发出可靠有效的人员跟踪定位，对于改善煤矿安全生产具有很大的现实意义和应用价值。现代化的煤矿安全监控系统除了实现对环境的监控之外，还应包括对设备和人员的监控，通过监控系统实现井下人员和设备的管理和调度，提高生产效率和安全性。因此，使用无线通信技术，建立以无线传感器网络为基础的煤矿监控系统己经成为煤矿安全生产和现代化管理的需求。
国内有不少企业从事井下人员安全监控系统的研究与开发。这些系统基本上都是采RFID(RadioFrequencyIdentification射频识别)技术，工作人员携带RFID电子标签，通过在矿井进口处以及一些关键通道口使用射频卡读取的方法对下井人员进行登记记录。但这种系统实际上仅仅是一种考勤记录系统，而非真正的人员定位跟踪系统。澳大利亚的NLTechnologies公司研发了采用433MHz有源RFID标签跟踪和管理地下作业的矿工和车辆的跟踪管理系统，目前正在申请本质安全认证，并将在2007年7月底开始在澳大利亚昆士兰州的英伦矿务(AngleCoalAus砌ia)安装、实验。该RFID标签通信距离能达到30-50米。但是这类通信技术远距离传输时通信速率较低，需采用电缆连接，故造价较高，安装施工不方便。另外基站成本较高，如矿井全覆盖，将极大的提高系统成本。ZigBee技术是一种新兴的最具代表性的无线传感网络，具有统一技术标准和低成本、功耗等特点。将ZigBee技术应用于煤矿安全监测，将有效地提高煤矿安全生产监控管理水平。
基于ZigBee技术的矿井人员定位系统
ZigBee技术是基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术。它可嵌入各种设备中，主要适合于承载数据流量较小的业务，其主要目标市场是工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本无线通信的应用。虽然前有Bluetooth，后有UWB，但是Zigbee技术在功耗、成本上有着独特的优越性，逐渐显示了其雄厚的发展潜力，ZigBee技术无疑将成为未来无线定位应用的上佳选择。
监控中心可以广播报警信号或通知到移动终端，终端设备可以发送异常求救信号到监控中心。更加便于情况异常时人员的及时撤离和开展营救。在生产管理调度室里，主机实时显示井下管理人员、技术人员、工作人员的位置和流向，为指挥调度生产作出优化决策，使生产指挥快捷、准确，提高生产效率。在情况异常或事故发生后，可以通过主机查询事故发生前各区域，特别是事故发生区域的人员分布和身份信息。在主干通信线路没遭到破坏的情况下，无线网络仍可以监测井下各工作面的环境和遇险后工作人员的动态情况。无线网络传送信息到监控中心，便于开展快速而有效的营救方案，争取宝贵的救援时间，最大限度地降低事故所带来的损失。
ZigBee网络中包含了四种设备，分别为协调器、路由参考节点、普通参考节点、移动节点。协调器和路由参考节点是Zigbee网络中的全功能节点，普通参考节点和移动节点都是半功能节点。前三种节点都是固定节点，节点间都是通过无线方式通讯。协调器在有通信电缆的地方通过RS-232接口与现有的通信电缆相连接，通过交换机再将信息上传至终端管理计算机。其各部分的作用如下：
协调器作为网络协调者，负责发起、组织、管理ZigBee网络。协调器与上位机相连，将参考节点和移动节点的数据传送至上位机；
路由参考节点在网络中承担路由功能，通过路由节点可以拓展ZigBee网络的通讯范围。路由参考节点可以管理连接在它下的普通参考节点。在定位上，它和普通参考节点具有相同功能；
普通参考节点主要用于定位。在接收到移动节点的定位请求后，将自身信息传送给移动节点；
移动节点发起定位请求，从参考节点处获得位置参考信息后计算位置并向协调器返回坐标。
按设备，该系统可分为井上设备和井下设备两部分。井上设备主要包括位于生产监控调度中心的数据传输接口、数据处理服务器，数据库服务器、系统维护终端和客户终端等设备。数据传输接口主要负责转发井下设备和地面主机之间传输的数据。井下设备包括定位分站、基准定位器、移动定位终端，移动定位终端由井下工作人员随身携带。
定位分站、基准定位器和移动定位终端组成了ZigBee网络定位系统。定位分站作为一个ZigBee网络的协调器(Coordinator)，负责ZigBee网络的创建、管理和维护，为其所创建网络数据传输的总结点，也是无线网络与有线网络的接口。定位基准器充当ZigBee网络中路由器(Router)的角色，与井下工作人员携带的移动定位终端通信，获得移动定位终端113、RSSI等信息并传送给定位分站。同时基准定位器还提供在矿井中的实际坐标，移动定位终端的定位坐标是根据此信息与RSSI值计算得出。
基准定位器使用普通或功率增强型ZigBee模块，无线传输距离可达50-200m，基准定位器之间距离配置为50～100m，可根据井下巷道实际情况调整。移动定位终端组成ZigBee网络中数量庞大的RFD(ReducedFunctionDevice精简功能设备)。移动定位终端定时向无线网络发送包含其自身ID信息的数据包，并查询是否有监控中心发送给它的数据。
环境监测分站采集各种传感器的数据，通过ZigBee无线网络传送给监控中心，可作为ZigBee网络中的路由器或RFID。
一个典型的ZigBee无线数据传输系统网络节点的硬件部分主要由微处理器模块，无线通信模块，数据采集模块以及其他一些外围电路和模块组成。如下图所示。
移动定位终端是下井人员随身携带的设备，是ZigBee网络中的RFD(精简功能设备)。移动定位终端通过无线模块与ZigBee网络进行连接和通讯，接收上层网络发送的广播信息，同时向基准定位器广播定位数据包，作为数据处理服务器的原始定位数据。
根据国家有关煤矿井下人员管理系统的规定及跟踪定位系统的研究，对移动定位终端的要求如下：
(1)电池：移动定位终端采用不可更换电池的电池寿命应不小于2年：采用可更换电池的电池寿命不应小于6个月，且每次冲满电后应能保证连续工作7天以上。
(2)发生意外井下人员请求帮助时，移动定位终端应具有呼叫告急功能。
(3)应具有电池低电压报警功能。
(4)移动定位终端的无线传输距离应不小于10米。
(5)宜具有语音提示功能。
(6)移动定位终端宜小巧轻便。
根据要求，本文设计的移动定位终端结构框图如下图所示：
系统设计
3.1硬件设计
3..1芯片选择与外围电路设计
3.1.1Zigbee芯片的选择：cc2430。目前ZigBee技术提供方式有三种：
1)ZigBeeRF+MCU；
2)单芯片集成SOC；
3)单芯片内置ZIGBEE协议栈＋外挂芯片。
结束语
采用ZigBee无线通信技术的人员跟踪定位系统，可以实现井下人员的精确跟踪定位，同时可以进行考勤和监督管理。不仅在井下发生事故时发挥重要作用，而且可以用于日常的管理，整合环境监测系统使得功能更加完善，通过网络可以实现监控终端和井下工作人员的双向通信。开发矿井人员跟踪定位系统是煤矿安全生产的需求，将在煤矿安全生产和管理中发挥重要的作用，具有先进性、实用性和社会价值。
粤公网安备 44030902003195号