基于ZigBee的井下人员定位系统设计
时间：2021-02-10 12:00:25 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
【摘 要】根据煤炭行业的发展要求和矿井环境的特殊性，本文设计了一种基于ZigBee的井下人员定位系统。系统设计了新的井下到地面的数据传输结构。该系统便于对井下人员实时定位和身份识别，不仅能对井下人员进行考勤，而且可以在矿井事故发生时立即实施营救，减少人员伤亡。
【关键词】煤炭；ZigBee；定位系统
Underground Staff Positioning System Devise Based on ZigBee
GAO Miao
（Huainan Mining Group， Huainan Anhui 232001， China）
【Abstract】The paper proposes an underground staff Positioning system based on ZigBee Technology for the particularity requirements of the coal industry and coal production environment. It is easy to go down the staff positioning， identification for real-time. Thus， the system not only can go down the staff attendance， but also can carry out rescue work at the time of the accident.
【Key words】Coal；ZigBee；Positioning System
0 引言
随着煤炭行业的快速发展，矿井开采比重逐年增大，根据煤炭行业的发展要求和矿井环境的特殊性，本文设计了一种基于ZigBee的井下人员定位系统。一方面，可以经过地面控制台向井下人员发送信号，完成人员的调动以及分配，提高工作效率。另一方面，可以在事故发生时迅速开展救援工作。这对加强煤炭行业的生产安全性，和提高矿井事故发生时被困人员的营救效率具有十分重要的意义。
1 ZigBee技术介绍
ZigBee协议是专用于无线传感器网络的通信协议，能最大可能的节省网络中的能量，可接入大量节点，具有高容错性，强鲁棒性[1]。ZigBee技术可自动采集和处理各个节点数据。并且基于ZigBee技术的网络扩展能力很强，适合于需要自动采集数据并要求网络传输的领域。
表1 4种无线通信的比较
有表1可知ZigBee技术与其他无线网络协议相比具有低复杂度、低功耗、大规模网络、低成本等特点，是矿井人员定位系统的最佳通信协议选择。
2 系统设计
基于ZigBee的井下人员定位系统主要由地面控制中心、ZigBee网关、参考节点和定位节点构成。系统设计了新的井下到地面的数据传输结构。（1）ZigBee子网先对井下人员进行数据采集和相关处理，然后把数据传输到地面控制中心。（2）将井下传输来的人员信息进行清晰地显示，并将信息记录于数据库中以便以后进行查询等操作。（3）地面控制台根据当前显示的信息对井下人员进行管理，系统结构如图1所示。
2.1 系统功能
（1）考勤管理功能：系统记录工作人员的入井和出井时间，对工作人员进行考勤。并且实时监测井下人员的工作布局情况。
（2）人员定位功能：先在井下形成一个ZigBee无线通信网络，覆盖定位节点和参考节点。参考节点固定在井下巷道的适当位置，定位节点安装在井下人员的安全帽上。当参考节点发出信号时，定位节点立刻启动定位引擎功能。CC243l的定位引擎首先收集参考节点的坐标和RSSI值，计算出自身坐标，然后将坐标信息传给网关，网关再通过RS232有线网传送给地面控制中心。在地面控制中心的计算机上建立一个专门显示井下人员位置的界面化软件，实时观察井下人员的位置和作业情况。当发生瓦斯爆炸或者部分井矿塌方时，系统可以精确掌握被困人员位置，实施有效地救援工作，从而减少人员伤亡。
（3）通讯功能：系统具有实时传输井上、井下数据的双向通讯功能。一方面，井上工作人员若发现井下有特殊状况时，其可以向井下人员发送紧急通知，并指示井下人员按照指定路线撤离。另一方面，当井下人员发生紧急情况时，井下人员可以向井上控制中心发出紧急信号。这样，可以减少甚至避免人员伤亡。
（4）WEB浏览功能：采用B/S结构浏览模式，以网页的方式浏览信息。B/S结构具有灵活性高、扩展性强，安全性高等优点。
（5）实时报告瓦斯浓度、温度与湿度、环境参数等。
图1 矿井人员定位系统
2.2 系统构成
（1）主机
在主机上配备相关的界面化软件，可以实时观察井下人员的作业情况。同时，便于地面工作人员管理和分配井下工作。
（2）网关
网关在整个系统中起到至关重要的作用。网关采用的芯片为CC2430。首先将地面控制中心配置给参考节点的数据发送给各参考节点。其次，将各节点反馈的数据传输给地面控制中心。
图2 网关结构示意图
（3）参考节点
参考节点是静态节点，参考节点采用的芯片也为CC2430。参考节点将自身位置坐标（x，y）、RSSI值发送给定位节点。另外，参考节点还采集井下环境的温湿度等参数，并传送给网关。
（4）定位节点
定位节点可在无线定位网络区域内任意移动。该系统选用CC2431芯片作为定位节点，该芯片具有定位引擎的功能。定位节点能够收集参考节点的坐标和RSSI值，然后通过极大似然估计法计算出自身坐标值，并将坐标信息传输给网关。
