劉明亮

（淮南礦業(yè)集團(tuán)顧橋礦綜采二隊,安徽 淮南 232001）

0 引言

目前，煤炭在我國的能源組成中占據(jù)著十分重要的地位，煤炭開采過程中井下環(huán)境復(fù)雜，生命財產(chǎn)安全問題存在隱患，如果能夠獲得井下人員的具體位置，這將對接下來的救援工作有著重大的意義?，F(xiàn)有一些煤礦利用藍(lán)牙技術(shù)、射頻識別等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)通信和獲取井下人員的位置信息，存在傳輸距離短和精度低的缺點(diǎn)以及井下的實(shí)際環(huán)境復(fù)雜等因素，較難獲得井下人員的精準(zhǔn)位置信息?；赯igBee的無線網(wǎng)絡(luò)的井下人員定位系統(tǒng)能夠解決上述不足，能夠很好地完成井下的監(jiān)測任務(wù)和調(diào)度工作。

1 ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee協(xié)議是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線通信設(shè)備，旨在創(chuàng)建一種無線分布網(wǎng)絡(luò)，并且以成本低、功耗低、方便使用等特點(diǎn)贏得了市場。ZigBee擁有自己一套完整的協(xié)議，它們分別是物理層、介質(zhì)訪問層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，相比較而言，ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)簡潔且容易實(shí)現(xiàn)，降低了芯片的成本費(fèi)用。一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)所包含的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個數(shù)不高于255個，一個是主設(shè)備，剩下都是從設(shè)備。如果使用Network Coordinator，可將ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展多達(dá)至65000個，眾多的節(jié)點(diǎn)數(shù)量使得傳輸距離大大增加。

2 基于 Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)的井下人員定位系統(tǒng)

2.1 人員定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架

煤礦井下的信息通過傳感器等設(shè)備獲得，而后經(jīng)由ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和RS232串口傳到地上的監(jiān)控系統(tǒng)，然后操作系統(tǒng)利用計算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的分析處理，井下工作人員的具體位置將在顯示屏上顯現(xiàn)出來，完成跟蹤定位工作。

2.2 井下人員定位系統(tǒng)的功能作用

系統(tǒng)除了定位功能外，還具有對井下工作人員進(jìn)行查勤的功能，因?yàn)榫氯藛T下井和回到地面的時間都會被記錄下來，因此可以作為工作人員出勤率狀況的參考。在工作期間，井下工作人員都會持有定位點(diǎn)，系統(tǒng)能夠?qū)崟r跟蹤到他們的具體位置，這些可作為工作質(zhì)量的審核依據(jù)。

2.3 定位系統(tǒng)的工作原理

井下工作人員在下井之前都隨身帶有一個終端節(jié)點(diǎn)即定位點(diǎn)，這個定位點(diǎn)能夠按照程序設(shè)定好的時間，定時地發(fā)出一種信息包，就近的路由節(jié)點(diǎn)會接收這個的信息包，經(jīng)處理后連同自己的網(wǎng)絡(luò)地址信息借助于其他的路由節(jié)點(diǎn)一并上傳至協(xié)調(diào)器，接著協(xié)調(diào)器開始處理這些信息，然后借助于RS232將處理過的信息傳輸至地上的監(jiān)控中心，完成了井下人員定位的功能。地上監(jiān)控中心的PC機(jī)上建有超大容量的數(shù)據(jù)庫，并配備有一張顯示井下每個ZigBee節(jié)點(diǎn)具體位置的信息圖。井下巷道內(nèi)壁上路由節(jié)點(diǎn)的位置在信息圖上已經(jīng)固定，當(dāng)監(jiān)控中心收到來之井下傳來的信息，就可以確定定位點(diǎn)具體是在哪些路由節(jié)點(diǎn)附近，井下人員的具體位置基本上就能被確定下來。

2.4 ZigBee模塊的硬件設(shè)計

CC2430根據(jù)內(nèi)置閃存容量的不同，分為三個版本，分別是32KB、64KB和128KB，其中128KB的內(nèi)存較好的符合系統(tǒng)的設(shè)計需求，因此被選取作為整個網(wǎng)絡(luò)各類節(jié)點(diǎn)模塊的主芯片。由于CC2430本身擁有一套完整的結(jié)構(gòu)體，并不需要外接很多元器件做輔助來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的目的，這就大大降低了設(shè)計難度、簡化了電路。

2.5 ZigBee模塊的軟件設(shè)計

系統(tǒng)工作時首先對CC2430進(jìn)行初始化，然后對協(xié)議棧進(jìn)行初始化，打開中斷。隨后對一個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行格式化，若成功，就能看到被格式化網(wǎng)絡(luò)的信息，借助于串口調(diào)試助手能夠獲取網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的物理地址、新建網(wǎng)絡(luò)的ID號以及頻道號等。然后，程序進(jìn)入應(yīng)用層，完成函數(shù)aps-FSM（）的處理以及對ZigBee信號的監(jiān)測。若此時有節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，將在串口輸出的地方顯示出來，且顯示待加入節(jié)點(diǎn)的物理地址，隨之，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)被分配網(wǎng)絡(luò)地址。

3 定位系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境

3.1 軟件環(huán)境

本文所提出的系統(tǒng)是在 Windows XP 操作系統(tǒng)下開發(fā)的，具體開發(fā)軟件是VB.net，Oracle 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是后臺數(shù)據(jù)庫的來源。

3.2 硬件環(huán)境

較好地完成對井下人員進(jìn)行跟蹤定位，需要較高配置的計算機(jī)作為硬件支撐。本系統(tǒng)所采用的計算機(jī)配置為CPU 主頻2.7 GHz，2G內(nèi)存，500G硬盤，1G獨(dú)顯，顯示器不小于19英寸。

3.3 模擬測試結(jié)果

本系統(tǒng)提出以后，在校園樓道內(nèi)對之進(jìn)行了模擬。模擬中，安裝了16個路由模塊，4個終端模塊在場地區(qū)域內(nèi)隨意移動，根據(jù)具體情況安裝定位系統(tǒng)。PC機(jī)、電源、電纜等準(zhǔn)備就緒后，在PC機(jī)上安裝相關(guān)定位跟蹤的軟件。存儲井下人員的相關(guān)信息，相關(guān)設(shè)備開始進(jìn)行工作。4個終端節(jié)點(diǎn)在區(qū)域范圍內(nèi)自由移動，隨著節(jié)點(diǎn)位置的改變，對應(yīng)在顯示屏上出現(xiàn)在不同的固定路由節(jié)點(diǎn)附近。多次模擬實(shí)驗(yàn)表明：該系統(tǒng)反應(yīng)較快，在終端節(jié)點(diǎn)“群入”時精確性能較高。

4 結(jié)語

由于ZigBee本身特有的性質(zhì)，使之非常適合工作于環(huán)境復(fù)雜、布線困難的礦井下。井下工作人員隨身攜帶的終端設(shè)備通過中轉(zhuǎn)站（即路由節(jié)點(diǎn)）和協(xié)調(diào)器建立起連接；RS232主要職責(zé)是將ZigBee協(xié)調(diào)器以及地面的數(shù)據(jù)送給地上的監(jiān)控中心，實(shí)時跟蹤井下人員的地理位置，為工人安全提供保障。在實(shí)際中，由于資金、環(huán)境等方面資源的不足，本文所提出的系統(tǒng)僅僅在地上進(jìn)行了模擬，雖然某些方面還存在一定的不足，但總體來說，大體上的功能都能夠?qū)崿F(xiàn)。

[1]瞿雷,劉盛德.ZigBee 技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

[2]常青,丁亮,梁穎.基于ZigBee技術(shù)的井下人員定位系統(tǒng)[J].煤礦機(jī)電,2013(06):65-68.