ZIGBEE井下人员定位无线通信系统的研究.docx

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ZIGBEE井下人员定位无线通信系统的研究

XXXX学院

毕业论文（设计）

题目:

井下人员定位无线通信系统的研究

院（系）:

XXX

专业年级:

X

姓名:

XXXX

学号:

XXXX

指导教师:

XXXX

2012年06月

摘要

井下人员定位无线通信系统是为了加强井下人员设备生产安全、加强井下与地面信息沟通、及提高煤矿管理效率而设计的。

该系统能够动态显示井下工作人员的实时位置，并能够对工人的工作时间和工作区域进行统计。

本文首先分析了人员定位的背景和在国内外的研究发展，并比较了其优缺点，简述了系统的工作原理，选择了ZigBee技术来实现井下人员的定位和无线通信。

系统由井下分站将接收信息传输到监控主机进行井下监控情况的实时显示。

关键词：

井下人员定位；ZigBee

研究类型：

应用研究

目录

1绪论1

1.1行业背景1

1.2井下人员定位系统的发展现状1

1.2.1国外研究状况1

1.2.2国内发展现状2

2人员定位系统简述4

2.1基于ZigBee的定位系统4

2.1.1ZigBee技术的简介4

2.1.2ZigBee网络拓扑结构4

2.1.3ZigBee技术实现定位的优势5

2.1.4ZigBee和现有无线技术的比较6

2.2Rssi定位技术9

2.3系统结构10

2.3.1定位系统硬件结构10

2.4定位软件及应用13

2.4.1系统功能模块13

3井下无线通信系统17

3.1井下人员定位系统无线通信解决方案及对比17

3.2几种无线通信方案的比较19

3.3无线通信方案的确定19

3.4矿井无线语音通信系统20

3.4.1井下无线语音通信系统结构原理20

3.5无线通信系统软件功能设计24

4井下人员定位无线通信系统26

4.1系统实现功能27

4.2系统特点28

5总结29

致谢30

参考文献31

1绪论

随着我国经济体制改革不断深入，现代化进程不断加快，国家对煤矿安全日益重视，监管力度不断加强，大中型煤矿和众多乡镇小煤矿均已大量装备了煤矿安全监控系统，有效遏制了重大瓦斯爆炸事故的发生。

但是，缺乏对井下人员位置信息的监控，目前还普遍存在入井人员管理困难，井上人员难以及时准确掌握井下人员的分布和作业情况，一旦发生事故，抢险救灾、安全救护的效率低，特别是事故发生后对矿井人员的抢救缺乏可靠的位置信息，严重地制约了抢险救灾的效率，失去最宝贵地抢救时机。

安全生产的核心是人的安全。

因此，煤矿对利用相应的矿井人员跟踪定位设备，全天候对煤矿入井人员进行实时自动跟踪和考勤，随时掌握每个员工在井下的位置及活动轨迹、全矿井下人员的位置分布情况等需求迫切。

井下人员位置监测与管理系统是集井下人员考勤、跟踪定位、灾后急救、日常管理等于一体的综合性应用系统。

这一科技成果的实现，将为煤炭企业的安全生产和日常管理上台阶，为事故急救带来可靠指挥依据。

1.1行业背景

　　随着我国经济体制改革不断深入，现代化进程不断加快，国家对煤矿安全日益重视，监管力度不断加强，大中型煤矿和众多乡镇小煤矿均已大量装备了煤矿安全监控系统，有效遏制了重大瓦斯爆炸事故的发生。

但是，缺乏对井下人员位置信息的监控，目前还普遍存在入井人员管理困难，井上人员难以及时准确掌握井下人员的分布和作业情况，一旦发生事故，抢险救灾、安全救护的效率低，特别是事故发生后对矿井人员的抢救缺乏可靠的位置信息，严重地制约了抢险救灾的效率，失去最宝贵地抢救时机。

安全生产的核心是人的安全。

因此，煤矿对利用相应的矿井人员跟踪定位设备，全天候对煤矿入井人员进行实时自动跟踪和考勤，随时掌握每个员工在井下的位置及活动轨迹、全矿井下人员的位置分布情况等需求迫切。

井下人员位置监测与管理系统是集井下人员考勤、跟踪定位、灾后急救、日常管理等于一体的综合性应用系统。

这一科技成果的实现，将为煤炭企业的安全生产和日常管理上台阶，为事故急救带来可靠指挥依据。

1.2井下人员定位系统的发展现状

1.2.1国外研究状况

国外研制矿井计算机监控系统始于20世纪60年代，为保证煤矿安全生产，世界主要产煤国（如美国、英国、德国、波兰、前苏联等）从50年代开始，陆续地把监测、监控技术应用到安全生产管理上。

随着射频识别技术的兴起，国外也加快了这一领域的发展，并成功地将其应用到了井下人员定位监控系统中。

英国的DavisDerbyLimited公司采用最新的无线射频技术开发了专门用于煤矿井下应用的多标签读取系统；戴维斯德比公司在地面和井下RFID系统的开发、生产、销售服务等方面，已拥有十几年的丰富经验；澳大利亚芒特艾萨矿业公司开发了一种人员探测系统，用于监测矿工进入危险地带；在南非的德里方月（Driefontayne）矿，安装了一种人员跟踪系统，它使用由澳大利亚ISD公司制造的一种射频识别系统源信标；这个系统使用顶板安装的天线，用来监控装在每个矿工帽上的小型无源信标。

1990年8月，美国安菲斯公司利用超低频信号的穿透力研制开发的世界唯一套可实现超低频信号穿透岩层进行传输的无线急救通讯系统（PED，即PersonalEmergeneyDevice系统）在悉尼附近的一所煤矿投入使用。

PED系统的先进技术工艺和优越的性能得到了矿区领导的一致肯定。

该系统能够提供一些预先编制好的紧急信息，这些信息在紧急情况出现时自动生成。

该系统可以直接连接现有的监控设备，可以监控多种输入。

这些警告信息由矿井工作人员预先指定，在紧急情况发生时，可以在最短的时间内，将替告发送给井下全部或相应的工作人员。

1.2.2国内发展现状

我国监测监控技术起步较晚，自1974年以来，仅有几种单一的瓦斯监测仪器投入使用，如AYJ-1，AWBY-1.2，MJC-100等，实现了对瓦斯的连续监测。

为了加快实现煤炭工业现代化管理的步伐，我国先后从波、法、德、英、美等国批量引进了安全监控系统并装备了部分煤矿，如美国的SCADA系统、英国的MINOS系统、德国的TF200系统、法国的CTT63/40/u系统、加拿大森透里昂系统，这些系统在我国煤炭行业中发挥了作用，也为我国研制矿用监控系统提供了很好的借鉴。

国内曾由中国煤炭部安全司、中国国际技术咨询公司连手与安菲斯公司确定合作关系，决定三方共同在中国煤炭领域推广PED系统。

1998年，人同矿务局在人同煤峪口矿安装了中国第一套PED系统。

结果证明PED系统信号可以穿透岩层传播并覆盖到全部生产区，发出和收到信号准确率为100%，最远穿透距离达2.8公里。

80年代后期，在引进外国设备的同时，消化、吸收了制造技术，并结合我国煤矿的实际情况，先后研制出自己的监控系统，如KJ1，KJ2，KJ4，A-1，KJ10，KJ11，KJ22，KT，KJ95及焦作工学院研制的KJ93矿井安全生产监控系统等，并在我国煤矿大批使用，有的系统已达到国际先进水平。

这些系统主要也是侧重于安全参数的检测，而没有对下井人员进行实时监控。

随着自动识别技术在国内各行各业的发展和应用，国内一些煤炭科研机构不断推出新一代的人员自动识别系统，并成功应用于下井人员的管理。

到门前为止国内部分矿井，尤其是现代化矿一井都安装了识别系统，用以取代以前依据矿灯管理来对下井人员进行管理。

人员识别系统从最初的条形码、光电孔卡式到现在的指纹、红外线式考勤形式各不相同，这些技术装备利用不同的识别原理对下井人员进行监控、记录。

深圳世纪潮智能科技有限公司与煤炭科学研究总院重庆分院一起，于2003年8月开始研究“矿井人员跟踪定位及考勤管理系统”，经过资料收集、调研、方案论证、设计、试验室试验、样机加工、性能测试、防爆送检及井下工业性试验等阶段，历时近一年半，完成了全部研究内容。

矿井人员跟踪定位及考勤管理系统在完成了全部开发设计、样机生产加工、实验室性能测试和防爆检测检验后，成套产品于2004年10月在重庆松藻煤电集团公司二矿、西山焦煤集团屯兰矿、山西离柳焦煤集团有限公司朱家店煤矿第二坑口等地进行了现场安装和工业性试验。

我国现在研发的新型人员定位系统主要以有源射频卡为基础，提高了射频卡的使用的方便性，但由于基于射频识别耦合原理的有效通信距离仍然相对较短。

普遍用于远距离射频识别的2.4G频段的信号对障碍物的穿透力很弱，信号衰减快。

而矿山的井巷往往错综复杂，环境十分恶劣，当多人同时经过井下同一射频阅读基站时，往往出现漏读率较高，系统稳定性不够等问题。

2人员定位系统简述

井下人员定位系统是为矿井、矿山隧道等场所的人员和移动设备（如机车）进行实时定位、跟踪监控和考勤管理开发的完整解决方案。

该系统采用了无线射频技术、数据处理技术、数据通讯技术和地理信息系统技术，可提供丰富的数据、图形信息，能从地面实时监测井下人员、设备当前位置、行走路径，统计井下人员数量和分布情况，按照矿井的实际情况提供考勤功能。

该系统能及时、准确将井下各个区域的人员及设备的动态情况反映到地面计算机系统，使管理人员能够随时掌握井下人员、设备的分布状况和每个矿工的运动轨迹，以便于进行更加合理的调度管理。

一旦矿井发生事故，快速准确确定井下人员所在位置，就成为施救能否成功的难点和关键点。

该系统可快速检索井下人员的最后时刻位置及人员分布情况，给救援人员提供准确信息，为营救争取宝贵时间。

2.1基于ZigBee的定位系统

ZigBee无线通信技术具有定位精度高、成本较低等特点,以该技术为基础发展起来的各种定位系统具有良好的发展前景。

2.1.1ZigBee技术的简介

ZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词。

根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。

这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。

其特点是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本。

主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备，面向的应用领域是,低速率无线个人区域网（LRWPAN,LowRateWirelessPersonalAreaNetwork），目的是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制。

简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

2.1.2ZigBee网络拓扑结构

ZigBee网络有三种拓扑结构，即，星型网络、树型网络和网状网络，如下图2.1所示：

图2.1ZigBee网络拓扑结构

2.1.3ZigBee技术实现定位的优势

ZigBee与同类技术相比，具有许多特点，其主要特点如

1）数据传输速率低

只有10kb／s～250kb／s，专注于低速传输应用。

无线传感器网络（WSN）不传输语音、视频之类的大数据量的采集数据，仅仅传输一些采集到的温度、湿度之类的数据，所以WSN对传输速率的需要不是那么高。

2）功耗低

在休眠状态下耗电量仅仅只有1μW，通信距离短的情况下工作状态的耗电为30mW，在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月以上。

这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。

WSN的节点对功耗的需求极其苛刻，传感器节点需要在危险（比如战场、核辐射）的区域持续工作数年而不更换供电单元。

ZigBee的耗电符合这一需求。

3）成本低

因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本，这正是蓝牙这类系统所不具备的。

当网络中可以具有成千上万的节点时，如果不能严格地控制节点的成本，那么网络的规模必将受到严重的制约，从而将严重地制约WSN的强大功能。

4）网络容量大

每个ZigBee网络最多可支持65000多个节点，也就是说每个ZigBee节点可以与数万节点相连接。

由于WSN的能力很大程度上取决于节点的多少，也就是说可容