近些年來，國家非常重視煤礦安全生產(chǎn)工作，已頒布多項(xiàng)法規(guī)明確煤礦開采的必備條件，其中準(zhǔn)確掌握井下人員的數(shù)量和位置、遇險后撤退路線、井下的環(huán)境監(jiān)測情況等是十分重要的，也是十分緊迫的任務(wù)，即將成為煤礦開采的必備條件。基于ZigBee技術(shù)的煤礦井下人員無線定位考勤系統(tǒng)，就是在此背景下進(jìn)行研究與開發(fā)的。因此該項(xiàng)目的研究具有較好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

    井下人員定位考勤管理系統(tǒng)，目前國內(nèi)已有多家公司推出相關(guān)產(chǎn)品，如：深圳世紀(jì)潮公司，北京仙導(dǎo)公司，上海秀派公司，這些公司推出的產(chǎn)品主要是基于RFID (Radio Frequency Identification，即射頻識別，俗稱電子標(biāo)簽)技術(shù)，發(fā)射采用133 kHz無線信號，接收采用450 MHz信號，該技術(shù)相對較為成熟，已廣泛用于門禁系統(tǒng)的身份識別，其原理是利用無線信號的大功率能量激發(fā)身份卡，身份卡中無需電池，利用接收到的無線信號能量來進(jìn)行信號的應(yīng)答，其優(yōu)點(diǎn)在于體積小，重量輕便于攜帶。而此技術(shù)在井下人員定位系統(tǒng)中 進(jìn)行應(yīng)用時存在通信距離短，目前所能達(dá)到的指標(biāo)為9 in，無線基站發(fā)射功率大，15 w 以上，不利于井下安全，同時存在多人同時通過無線基站時存在漏卡現(xiàn)象，更無法實(shí)現(xiàn)井下無線信號的全覆蓋和人員的精確定位，只能用于簡單的人員考勤管理，并且在進(jìn)入煤礦時還必須分散分批進(jìn)入，使用效果不佳。基于ZigBee技術(shù)的煤礦井下無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)成功解決上述問題。

1 井下人員定位考勤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能與關(guān)鍵技術(shù)

1．1 功能

    本礦井內(nèi)人員定位考勤系統(tǒng)采用最新的Zigbee無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了井下人員的精確定位和考勤，不僅在井下發(fā)生事故時可起到重要作用，而且可用于日常的管理，提供了較多的實(shí)用功能，比較適合煤礦企業(yè)的需求，具有較好的市場前景。系統(tǒng)的主要功能有：查詢當(dāng)前井下人員分布；井下人員跟蹤且復(fù)示井下人員行蹤；統(tǒng)計查詢進(jìn)入特殊區(qū)域的人員；下井人員考勤管理；井下人員的定位、尋呼及遇險緊急求救；可利用現(xiàn)有的通信平臺實(shí)現(xiàn)其它信息的接人等。

1．2 幾種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的比較

近十幾年來，無線與移動通信以蓬勃的速度迅猛發(fā)展。隨著各種便攜式個人通信設(shè)備與家用電器設(shè)備的增加，人們享受數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)帶來的便利的同時，對短距離的無線移動通信 又提出了新的要求，使得短距離無線通信異軍突起，包括無 線高保真(Wi—Fi)、超寬帶(UWB)、藍(lán)芽技術(shù)(Blue Theeth)以及ZigBee技術(shù)等各種熱點(diǎn)技術(shù)相繼出現(xiàn)，均展現(xiàn)出各自巨大的應(yīng)用潛力。其中，速率低、功耗低、成本低的ZigBee技術(shù)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要支撐技術(shù)獲得廣泛的關(guān)注。表1對WiFi、UWB、Blue Theeth、ZigBee的性能進(jìn)行了比較。

表1 幾種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的比較

    從表1中可以看出ZigBee是短距離通信的一種新興技術(shù)。它使用2．4 GHz波段，采用跳頻技術(shù)，ZigBee技術(shù)更簡單、功率及費(fèi)用也更低，能夠更好地支持游戲、消費(fèi)電子、儀器和家庭自動化應(yīng)用。人們期望能在工業(yè)監(jiān)控、環(huán)境、軍事、水利電力、醫(yī)療、樓宇監(jiān)測和礦業(yè)井下作業(yè)等領(lǐng)域拓展ZigBee的應(yīng)用。本系統(tǒng)正是利用ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢，而這些恰好適用于煤礦井下巷道多曲折、多風(fēng)門等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，電源供電限制嚴(yán)格、煤炭行業(yè)資金短缺等特點(diǎn)。盡管它有著較低數(shù)據(jù)傳輸率，但是這一傳輸速度仍能夠滿足井下人員定位考勤系統(tǒng)的需求。

1．3 ZigBee技術(shù)
 
    ZigBee技術(shù)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要支撐技術(shù)獲得人們廣泛的關(guān)注。完整的ZigBee體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用支持層、數(shù)據(jù)鏈路層、介質(zhì)訪問層和物理層組成。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制訂，物理層、介質(zhì)訪問層和數(shù)據(jù)鏈路層 采用IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802．15．4物理層簡單采用比特到符號映射技術(shù)、符號到碼片序列轉(zhuǎn)換技術(shù)、偏移正交相移鍵控 (OQPSK)調(diào)制技術(shù)，無須信道編碼等復(fù)雜算法；介質(zhì)訪問層采用載波監(jiān)聽多址一沖突避免技術(shù)，支持休眠模式。

圖1 ZigBee體系結(jié)構(gòu)

    ZigBee技術(shù)以IEEE 802．15．4協(xié)議為基礎(chǔ)，使用全球免費(fèi)頻段進(jìn)行通訊，能夠在三個不同的頻段上通訊。全球通用頻段是2．400—2．484 GHz，歐洲采用的是868．0—868．6 MHz，美國采用的是902—928 MHz，傳輸速率分別為250 kbit／s、20 kbit／s和40 kbit／s，通訊距離的理論值為1O-75 M。整個協(xié)議的設(shè)計使得ZigBee技術(shù)具有數(shù)據(jù)傳輸速率低、功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、時延短、安全、有效范圍小、工作頻段靈活等特點(diǎn)，更加適合于工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控系統(tǒng)、安全系統(tǒng)等應(yīng)用。

2 基于ZigBee技術(shù)的礦井內(nèi)人員定位考勤

    井下人員定位考勤系統(tǒng)連接示意圖如圖2所示，系統(tǒng)由信息處理中心、RS232／RS485隔離轉(zhuǎn)換器、無線基站、身份卡、隔爆電源和各種總線電纜等組成。

圖2 井下人員定位考勤系統(tǒng)連接示意圖

2．1 各組成部分主要性能

    (1)信息處理平臺。主要負(fù)責(zé)各網(wǎng)絡(luò)傳輸節(jié)點(diǎn)所發(fā)信息的存儲，并能對信息進(jìn)行分析處理和顯示，將信息以網(wǎng)絡(luò)形式供其它有權(quán)限的成員查閱。
    (2)無線基站。實(shí)現(xiàn)對標(biāo)識卡數(shù)據(jù)的采集并通過有線和無線兩種方式將信息發(fā)送給信息處理平臺，同時承載其它無線基站數(shù)據(jù)信息的中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能。
    (3)標(biāo)識卡。主要是通過定時向系統(tǒng)發(fā)信號進(jìn)行注冊，來實(shí)現(xiàn)人員的定位。
    (4)RS232／RS485隔離轉(zhuǎn)換器。此模塊完成RS232總線與RS485總線的轉(zhuǎn)換，在功能上作為井上信息處理中心與井下無線基站之間的數(shù)據(jù)傳輸通道。
    (5)電源。對無線基站進(jìn)行供電，將井下非本安高壓交流電轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需的本安低壓直流電，并能夠在斷電情況下自動使用蓄電池進(jìn)行供電，在通電情況下自動給蓄電池進(jìn)行充電。

2．2 系統(tǒng)的通信組網(wǎng)方式

    目前系統(tǒng)的組網(wǎng)方式其它廠商主要采用的是RS485總線方式，由于采用此方式在一對總線上掛過多的節(jié)點(diǎn)會影響通信距離，因此其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)和通信距離均有限。本項(xiàng)目通信組網(wǎng)方式采用zigbee通信技術(shù)。其通信鏈路的建立在鏈路層協(xié)議中已經(jīng)得到了保證，并且可實(shí)現(xiàn)自動組網(wǎng)和通信數(shù)據(jù)的逐級轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)據(jù)采用突發(fā)沖撞模式帶路由功能，可容納較多的節(jié)點(diǎn)數(shù)。因此當(dāng)采用信號的全覆蓋方式需較多的節(jié)點(diǎn)數(shù)和中繼功能時，采用zigbee通信方式才能實(shí)現(xiàn)。但系統(tǒng)的物理層協(xié)議使用的是2．4G擴(kuò)頻通信方式，此技術(shù)雖然在相同的發(fā)射功率和接收靈敏度的前提下可以傳輸較遠(yuǎn)的通信距離，并且抗干擾能力較強(qiáng)，但信號的穿透力和繞射能力不夠，井下環(huán)境復(fù)雜，所有區(qū)域不可能均是直線可視的，在一個通信節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時有可能導(dǎo)致一段區(qū)域的通信全部中斷。針對這一問題采取3種方式提高其通信可靠性。

    (1)所有通信節(jié)點(diǎn)要保證能與上下4個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，當(dāng)任意1 個發(fā)生故障時，可跳過這一節(jié)點(diǎn)與下1個節(jié)點(diǎn)直接通信，目前網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊通信距離為400～500 In，因此在布置節(jié)點(diǎn)時應(yīng)在200 In左右布置1個節(jié)點(diǎn)。
    (2)整個系統(tǒng)通信網(wǎng)應(yīng)該盡量布成一個環(huán)網(wǎng)(按通風(fēng)回路布置)，當(dāng)某一段出現(xiàn)塌方，無線信號無法通過時可從另一端繼續(xù)與系統(tǒng)保持通信。
    (3)對于井下采掘區(qū)地形復(fù)雜，無線信號無法跨節(jié)點(diǎn)級連和形成通信回路，可利用網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊的RS485總線與系統(tǒng)相連，提高系統(tǒng)通信的可靠性，當(dāng)出現(xiàn)塌方時，只要通信電纜未斷，仍可與系統(tǒng)保持通信鏈路的暢通。這可能成為被困人員的救命線。

3 結(jié)束語

    基于Zigbee技術(shù)的礦井內(nèi)人員無線定位考勤系統(tǒng)的設(shè)計和研究，采用最新的無線通信技術(shù)，利用無線基站對每個礦工所持身份卡信號的采集達(dá)到人員定位的目的，實(shí)現(xiàn)了井下人員的精確定位和考勤，不僅在井下發(fā)生事故時可起到重要作用，而且可用于日常的管理，提供了較多的實(shí)用功能，比較適合煤礦企業(yè)的需求，具有較好的市場前景。此系統(tǒng)的研究目前在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平。

來源：RFID中國網(wǎng)