基于ZigBee的矿井人员定位及环境监控系统设计.pdf

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1、第1 2 卷第4 期2 0 0 9 年1 0 月西安文理学院学报：自然科学版J o u r n a lo fX i a nU n i v e r s i t yo fA r t s S c i e n c e(N a tS c iE d)V 0 1 1 2N o 4O c t 2 0 0 9文章编号：1 0 0 8-5 5 6 4(2 0 0 9)0 4-0 1 0 9-0 3基于Z i g B e e 的矿井人员定位及环境监控系统设计林少锋，赵国辉(西安通信学院通信指挥系，陕西西安7 1 0 1 0 6)摘要：针对矿井生产安全问题，结合Z i g B e e 技术优势，设计了一种基于Z i

2、g B e e 技术的井下人员定位及环境监控系统，用于实现安全预警和高效救援，适用于各类环境下煤矿的安全管理文中详细分析了系统的构成、定位原理以及低功耗标识卡的设计关键词：矿井；人员定位；Z i g B e e；C C 2 4 2 0中图分类号：T P 2 7 4文献标识码：A煤矿井下环境恶劣，安全隐患多，水、火、瓦斯、煤尘、顶板等自然灾害时刻都在威胁矿井工作人员的生命安全，尤其是在事故发生后，如果能够实现对井下工作人员的正确定位跟踪，使地面监控中心实时掌握井下人员的位置，随时保持联系，实现人员的调度，这对于提高生产安全和工作效率，具有十分重要的意义而目前井下通信系统。2 1 的功能比较单一，

3、可扩展性较差，不利于大规模矿山应用本文介绍一种基于Z i g B e e 技术 o 的矿井人员定位系统和环境监控系统该系统可对井下人员实时跟踪定位，对井下重要仪器设备实时监控和故障预报，快速指导矿井突发性事故的救护工作1 井下人员定位系统简介由于井下恶劣的通信环境，特别是严重的噪声干扰和电波衰落，严重影响了通信系统的实际应用国内现有的R F I D 射频读写系统、S u p e r R F I D 等井下通信系统的功能比较单一，可扩展性较差，不利于大规模矿山应用R F I D 射频读写系统是在在矿井进口处，或其他井下一些关键通道口，使用射频卡(R F I D)读取(刷卡)的方法对下井人员进行登

4、记记录来跟踪的方法；S u p e r R F I D 定位系统除了收发通信距离稍远一些外，它面临着一般R F I D 所面临的同样问题，包括井下通信干扰问题，对通信电缆的依赖问题，有效通信距离有限的问题，读写器结构复杂，价格贵的问题等这两种方案不仅不能实现真正意义上的井下人员定位跟踪，无法实时地报告井下人员的具体位置，而且，也无助于改善现有安全生产要素的监控系统，只能作为下井人员的考勤登记而结合Z i g B e e 技术和有线以太网，可以实现一种经济实用，工作可靠的井下通信系统，这是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案H】，具有低速率、低功耗、低成本、多路由、自组织等特点，主要用于近距

5、离无线连接Z i g B e e 网络一般有星型、树型和网格型3 种拓扑结构其中网格型拓扑结构在逻辑上可理解为子结点间存在直接连通情况的树型结构它允许通信链路存在常用路由和备选路由，避免了由于个别结点故障而阻断了其下级子网通信出I：1 的问题，保持了网络的健壮性2 井下人员定位系统设计分析井下人员定位系统由井上网络和井下网络两部分组成井上网络主要进行监控管理；井下网络由部收稿日期：2 0 0 9-0 4-0 6基金项目：陕西省教育厅专项科研计划资助项目(0 6 J K 2 8 2)作者简介：林少锋(1 9 r 7 8 一)，男，福建漳州人，西安通信学院通信指挥系讲师，硕士研究方向：个人通信与移

6、动通信 万方数据1 1 0西安文理学院学报：自然科学版第1 2 卷署在监测区域内大量Z i g B e e 传感器节点(协调器C o o r d i n a t o r，路由器F F D 和终端设备R F D)组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统通过Z i g B e e 无线自组织网络和以太网有线网络将采集到的数据传送到地面控制中心C M C(C o n tr o lM a n a g e m e n t C e n t e r)进行集中处理，Z i g B e e 网络拓扑结构如图1 所示系统工作时，需要井下人员佩带系统的R F D 节点模块矿工身上佩戴由传感器和Z i

7、g B e e 模块等集成的终端设备，主要由各种传感器、报警器以及Z i g B e e 发射接收模块组成传感器主要分成两部分：一部分用于环境监测，如瓦斯浓度、一氧化碳浓度、空气湿度等；另一部分用于矿工生命体征的采集，如脉搏、血压、呼吸、体温等传感器采集上述信号后经过放大、A D 转换、信号处理等，最终由Z i g B e e发射模块无线传输至矿井巷道壁上的最近的F F D 节点模块接收F F D 模块根据表驱动路由算法选择最优的通信路径，通过其他的F F D 模块以多跳通信的方式或直接将终端n以太网l Z i g B e e 嵌入网关Il Z l g B e e 嵌入网关图1 系统结构示意图

8、传感器收集的各种参数传至巷道上的Z i g B e e 网关，再用以太网等有线方式将网关数据传输至地面上的中央控制计算机C M C，并与主系统以标准的S Q L S e r v e r 数据库进行后台数据交换，包括信号的采集与处理、数据的分析统计，对矿井安全状况做出评估矿工身上佩戴由传感器和Z i g B e e 模块等集成的终端设备，主要由各种传感器、报警器以及Z i g B e e 发射接收模块组成传感器主要分成两部分：一部分用于环境监测，如瓦斯浓度、一氧化碳浓度、空气湿度等；另一部分用于矿工生命体征的采集，如脉搏、血压、呼吸、体温等传感器采集上述信号后经过放大、A D 转换、信号处理等，

9、最终由Z i g B e e 发射模块无线传输至矿井巷道壁上的网关设备矿工佩戴的终端设备都拥有一个6 4 位的I E E E 地址，也可以使用1 6 位短地址来减小数据包尺寸，只要记录下终端地址就可以很容易地确定矿工身份同时联网的计算机通过浏览器便可以调阅本系统的内容在调度室和矿领导办公室，可通过微机直观地查看井下人员姓名、职务、下井时间、上井时间、井下累计时间等详细情况，从而实现井下作业人员的跟踪定位和安全管理2 1 建立定位网络根据现场实际需要，沿坑道每隔2 0 0I l l 距离，工作面距离则可降低为5 0n l 在坑道适当位置设置一个Z i g B e e 网络模块，同时在其他需要定位

10、和网络连接的地方，也安置相应的Z i g B e e 网络模块；为了避免井下环境对无线信号的干扰，所有无线网络模块使用的都是抗干扰的直序扩频通信方式，而且，每个模块都有接收信号强弱指示功能(R S S I)所安置的网络模块将自动组成一个Z i g B e e 通信网络，在布置网络模块的位置时，注意应使每个模块至少可与两个以上的模块进行通信，即避免“单线通信联系”，以保证Z i g B e e 网络通信的可靠性这个通信网络实际就是一个定位网络，每一个网络节点就是一个定位点，只不过比起使用R F I D 来定位的方法，我们的网络节点还可通过读取移动目标的信号强度，来确定移动目标的位置信息另外，Z

11、i g B e e 网络节点体积要小得多，而且网络节点之间的通信，不一定要使用额外的光纤或通信电缆来进行连接2 2 移动目标的无线身份卡模块本系统中Z i 9 2 B e e 节点的控制器采用M c r i o c h i p 公司的P I C l 8 F 4 6 2 0 单片机+C h i p c o n 推出的C C 2 4 2 0 射频模块(1)每一个需要定位的移动目标，都需要随身携带一个无线身份卡模块，每个模块的发射功率小于1 10 0 0 瓦(2)为了增加电池使用寿命，无线身份模块每隔5 3 0s 发射一个身份码信号为了避免井下环境对无线信号的干扰，所有无线身份卡模块使用的都是抗干扰

12、的直序扩频通信方式(3)该无线身份模块还可与传感器相连，这样自动地将采集点的位置信息传给监控中心这种采集点可以安放在采掘面的某个固定位置，并随采掘面的移动而移动(4)调整无线定位身份卡模块的发射功率使其至少能够与一个定位节点模块通信 万方数据第4 期林少锋，等：基于Z i g B e e 矿井人员定位及环境监控系统设计1 1 12 3 移动目标位置的确定对恶劣环境下工作人员的定位十分必要，尤其是在事故发生后，要实现对被困人员的即时营救，准确定位则显得更加紧迫当只有一个定位节点收到某个移动身份卡的信号时，这个定位点的位置就是这个移动目标的位置；当有两个定位节点同时收到某个移动身份卡的信号时，这两

13、个定位点之间的中间位置，就是该移动目标的位置；当利用信号强度改进定位精度时，某个定位节点接收到的某个移动身份卡的信号强弱，还可用来决定该移动目标距离这个定位节点远近，信号越强，则离开这个定位节点越近，信号强度与到该定位点距离的函数关系，可以通过预先的简单实际测量获得”J 当有两个定位节点同时接收到某一个移动目标的信号时，就可以确定，移动目标必定位于这两个定位节点之间的某处，其具体的位置，可以利用这两个定位点所接收到的该移动目标信号强度的具体值，通过简单计算和现场实测校正来得到2 4 管理软件系统结构井下人员定位系统主要是基于数据库技术的软件系统，通过采集的数据，系统软件对整个矿井进行实时监控M

14、J 图2 为管理软件系统结构框图3 结束语矿井井下通信系统对矿业安全生产与管理意义重大由于矿山井下环境复杂，对功耗、抗干扰性等方面有较严格的要求，本系统采用Z i g B e e 无线通信网络技术，实现井下人员的精确定位和考勤不仅在井下发生事故时可起到重要作用，而且可用于日常的管理，提供了较多的实用功能，具有传输范围大、成本低等特点，比较适合煤矿企业的需求，具有广阔的应用前景【参考文献】I 系统主界面II际统维护模劂l 信息查询模劂I 井下监控模块II_ LJ L上j 一上j 一上L L管基数考人历井实瓦理本据勤员史下时斯人信信信信人跟浓员自库息自息员踪度登维维查查查查定查护录护询淘询询位询图

15、2 管理软件系统结构框图 1 郑淑丽，黄玉岭，孔德冒，等多级煤矿通信系统的设计与实现 J 中国矿业，2 0 0 3，1 2(6)：4 8 5 0 2 忻龙彪，阎秀梅一种基于C A N 总线的电力抄表系统 J 河北建筑工程学院学报，2 0 0 6，2 4(1)：8 5 8 7 3 z i s s e eA l l i a n c e z i g B e eS p e c i f i c a t i o n E B O L h t t p：w w w z i g b e e o r g，2 0 0 5-0 5 1 0 4 秦霆镐，豆晓强，曹文彬，等z i g B e e 技术在无线传感器网络中的应

16、用 J 仪表技术，2 0 0 7(1)：5 7 5 9 5 朱峰基于Z i g,B e e 的井下无线定位与通信系统 J 电子元器件应用，2 0 0 8，1 0(2)：5 4 5 5 6 张长森，董鹏永，徐景涛基于Z i s B e e 技术的矿井人员定位系统的设计 J 工矿自动化，2 0 0 8(2)：4 8 5 0 责任编辑王新奇D e s i g no fP e r s o n n e lP o s i t i o n i n ga n dE n v i r o n m e n tM o n i t o r i n gS y s t e mo fM i n eB a s e do nZ

17、i g B e eL I NS h a o-f e n g，Z H A OG u o h u i(C o m m u n i c a t i o nC o m m a n dD e p a r t m e n t，X i a l lC o m m u n i c a t i o nI n s t i t u t e，X i a n7 1 0 1 0 6，C h i n a)A b s t r a c t：C o m b i n e dw i t ht h ea d v a n t a g e so fZ i g B e et e c h n o l o g y，ac o a lm i n eu

18、 n d e r g r o u n dp e r s o n n e lp o s i t i o n i n ga n de n v i r o n m e n tm o n i t o r i n gs y s t e mi sc r e a t e df o rt h es a f e t yo fm i n ep r o d u c t i o n I ti su s e dt oa c h i e c es e c u r i t ye a r l yw a r m i n ga n de f f i c i e n tr e s c u e I ti sa p p l i c a

19、 b l et ot h es a f e t ym a n a g e m e n to fa l lt y p e so fc o a lm i n eu n d e rv a r i o u sc o n d i t i o n s T h ec o n s t i t u t i o n so ft h es y s t e m，p r i n c i p l eo fp e r s o n n e lp o s i t i o n i n ga n dt h ed e s i g no fl o w p o w e ri d e n t i f i c a t i o nc a r

20、da r ed e s c r i b e di nd e t a i l si nt h ep a p e r K e yw o r d s：m i n e；p e r s o n n e lp o s i t i o n；Z i g B e e；C C 2 4 2 0 万方数据基于ZigBee的矿井人员定位及环境监控系统设计基于ZigBee的矿井人员定位及环境监控系统设计作者：林少锋，赵国辉，LIN Shao-feng，ZHAO Guo-hui作者单位：西安通信学院,通信指挥系,陕西,西安,710106刊名：西安文理学院学报（自然科学版）英文刊名：JOURNAL OF XIAN UNIVE

21、RSITY OF ARTS AND SCIENCE(NATURAL SCIENCE EDITION)年，卷(期)：2009,12(4)参考文献(6条)参考文献(6条)1.张长森;董鹏永;徐景涛 基于ZigBee 技术的矿井人员定位系统的设计期刊论文-工矿自动化 2008(02)2.朱峰 基于ZigBee的井下无线定位与通信系统期刊论文-电子元器件应用 2008(02)3.秦霆镐;豆晓强;曹文彬 ZigBee 技术在无线传感器网络中的应用期刊论文-仪表技术 2007(01)4.ZigBee Alliance ZigBee Specification 20055.忻龙彪;阎秀梅 一种基于CAN 总线的电力抄表系统期刊论文-河北建筑工程学院学报 2006(01)6.郑淑丽;黄玉岭;孔德冒 多级煤矿通信系统的设计与实现期刊论文-中国矿业 2003(06)本文链接：http:/