邢臺礦礦山井下人員定位與通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

張宜弛，蔣磊，常岑

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電學(xué)院，北京 100083

1 研究的重要性和緊迫性

我國近年來煤礦的生產(chǎn)安全形勢比較嚴(yán)峻，由于礦井的巷道和井下作業(yè)人員的分布情況復(fù)雜，災(zāi)變時難以確定井下人員的數(shù)量和位置，給救援帶來很大困難，礦井下的通訊以及發(fā)生事故后的即時營救是難以實(shí)現(xiàn)的困難問題。現(xiàn)有的 RFID射頻讀寫系統(tǒng)（包括SuperRFID），不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的井下人員定位跟蹤，無法實(shí)時地報(bào)告井下人員的具體位置，也無法實(shí)現(xiàn)井下實(shí)時語音通訊，只能作為下井人員區(qū)域定位和考勤登記使用。為了滿足煤礦井下安全生產(chǎn)的需要，礦山井下無線跟蹤與定位系統(tǒng)在正常情況下應(yīng)能為煤礦管理人員提供人員實(shí)時監(jiān)控、進(jìn)出限制、考勤作業(yè)、實(shí)時通訊等多方面的信息。一旦發(fā)生安全事故，通過監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)可以知道該被困人員的具體位置，保證搶險救災(zāi)和安全救護(hù)工作的高效運(yùn)作。根據(jù)邢臺煤礦井下巷道距離較長，工作面較為分散，設(shè)計(jì)并安裝井下定位與通信系統(tǒng)對于解決井下發(fā)生礦難時人員分散難以準(zhǔn)確施救具有十分重要的意義。

2 主要研究內(nèi)容

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

礦山井下定位與通信系統(tǒng)擁有兩個射頻系統(tǒng)：WiFi部分和ZigBee部分。并具有通信分站和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的雙重功能，可以直接連接到主干環(huán)網(wǎng)上，減少了基站控制器和中繼器的需要，整個系統(tǒng)簡潔、可靠性高、便于安裝和維護(hù)。其主要功能有2點(diǎn)：

1）井下綜合分站的WiFi部分實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換和無線網(wǎng)橋功能，構(gòu)建無線骨干網(wǎng)、提供WiFi信號覆蓋和環(huán)網(wǎng)接力，負(fù)責(zé)在上位計(jì)算機(jī)和終端設(shè)備之間雙向傳遞數(shù)據(jù)；

2）井下綜合分站的ZigBee部分實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離射頻識別系統(tǒng)的識讀器功能，收集與讀取礦工攜帶和安裝在礦車上的標(biāo)識卡位置信息、狀態(tài)信息，并將這些信息進(jìn)行本地的壓縮處理，通過WLAN骨干網(wǎng)向上位計(jì)算機(jī)提交該數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)組成

礦山井下無線跟蹤與定位系統(tǒng)主要由網(wǎng)絡(luò)平臺、基站、上位計(jì)算機(jī)、終端設(shè)備和應(yīng)用軟件組成，系統(tǒng)組成如圖1所示。它們大體上分為3層，即：

1）地面網(wǎng)絡(luò)交換層：主要為調(diào)度室交換機(jī)、語音網(wǎng)關(guān)、井口分站、地面分站；

2）井下無線網(wǎng)絡(luò)層：通過同時發(fā)射WiFi和Zigbee無線射頻信號的井下綜合分站實(shí)現(xiàn)井下定位信號和實(shí)時通訊信號的覆蓋；

3）終端設(shè)備：終端設(shè)備有本安型手機(jī)、本安型標(biāo)識卡。

2.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)形加樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。井下無線網(wǎng)絡(luò)層通過環(huán)網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)成主干環(huán)網(wǎng)，各個井下綜合基站彼此通過光纖并以接力的形式連接到井下工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)井下的無縫隙覆蓋。邢臺礦井下基站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1：

圖1 邢臺礦井下基站實(shí)際拓?fù)鋱D

3 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

綜合分站的功能設(shè)計(jì)：

綜合分站布置在各級巷道中，由于這些節(jié)點(diǎn)內(nèi)寫入的坐標(biāo)與實(shí)際環(huán)境的坐標(biāo)一一對應(yīng)，因此，這些基站在布置完成后就不輕易更換位置，除了結(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或者網(wǎng)絡(luò)重新布置。固定在巷道中的綜合分站具有主要兩個功能：監(jiān)測整個礦井井下人員的實(shí)時位置，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。由于這些結(jié)點(diǎn)處于礦井巷道，因此，采用礦用照明127V線路進(jìn)行供電。礦井巷道綜合分站作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點(diǎn)，擔(dān)負(fù)著傳輸井下人員位置數(shù)據(jù)值。這些數(shù)據(jù)最終傳送到匯聚結(jié)點(diǎn)，然后再經(jīng)過有線網(wǎng)絡(luò)保存在整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)器內(nèi)。每個工作層面的無線傳感器局域網(wǎng)內(nèi)的通信采用無線方式，而無線網(wǎng)絡(luò)之間則采用有線光纖局域網(wǎng)的形式進(jìn)行通信。綜合分站根據(jù)煤礦巷道的實(shí)際情況以及天線布置的要求，綜合分站安裝在巷道側(cè)壁上。

綜合分站硬件主要由四部分組成：數(shù)據(jù)采集模塊、微處理模塊、無線通信模塊、電源模塊4 個部分組成。作為一個完整的嵌入式檢測系統(tǒng)，要求設(shè)計(jì)的組成部分的性能必須是協(xié)調(diào)和高效的，各個模塊實(shí)現(xiàn)技術(shù)的選擇需要根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)要求而進(jìn)行權(quán)衡和舍取。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個綜合分站的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其它節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負(fù)責(zé)與其它傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)，并通過WiFi信號提供語音通信功能；電源模塊通過電壓變換為綜合分站提供運(yùn)行所需的15V直流電。

4 定位標(biāo)識卡的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中采用CC2430作為ZigBee模塊中的主控芯片，CC2430芯片是Chipcon公司生產(chǎn)的符合ZigBee技術(shù)的2.4 GHz射頻系統(tǒng)芯片，是現(xiàn)有的最完善的ZigBee協(xié)議的單片解決方案之一，它延用了以往CC2420芯片的架構(gòu)以及2.4GHz ISM波段應(yīng)用對低成本，低功耗的要求，并在單個芯片上整合了ZigBee 射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器，能夠滿足大多數(shù)低功耗ZigBee（IEEE 802.15.4）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需要。單片機(jī)是本安型標(biāo)識卡終端監(jiān)控模塊的核心, 經(jīng)過比較, 終端監(jiān)控模塊在設(shè)計(jì)上采用STC12C5410AD單片機(jī)作為主控單元, 它具有高抗靜電性, 寬電壓, 不怕電源抖動,具有低耗能工作方式, 可較簡便的實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù), 寬溫度范圍完全滿足相對惡劣的井下工作的環(huán)境、濕度等要求。系統(tǒng)采用CC2420作為ZIGBEE 射頻發(fā)射單元, 主控模塊與射頻模塊之間采用串口連接。

5 結(jié)論

1）將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最新的研究成果運(yùn)用到井下定位系統(tǒng)，即以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)和通信技術(shù)現(xiàn)有的成果為指導(dǎo)，結(jié)合井下定位的實(shí)際應(yīng)用情況，開發(fā)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時井下定位系統(tǒng)；

2）對井下定位系統(tǒng)中手持綜合個人裝置的功能需求進(jìn)行分析。根據(jù)煤礦井下人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則制定設(shè)計(jì)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)；

3）設(shè)計(jì)出功能齊全且高性價比的硬件模塊，搭建井下人員跟蹤定位系統(tǒng)綜合個人裝置的的硬件平臺，即基于ZigBee與WiFi兩種無線通信技術(shù)相結(jié)合的井下人員定位與實(shí)時通訊平臺，實(shí)現(xiàn)井下人員精確定位以及礦井上下的實(shí)時通信。使煤礦調(diào)度室中心可以更有效率的監(jiān)控工作現(xiàn)場并且及時的溝通與處理。

[1]劉慶華，周小燕.應(yīng)用Zigbee 技術(shù)構(gòu)建井下人員跟蹤定位系統(tǒng).煤炭科技·機(jī)電與信息化.

[2]瞿雷.一種新的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)ZigBee.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2006(1).

[3]徐麗華，王宜懷.一種ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).微計(jì)算機(jī)信息，2007，23(11-2).

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