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目前，國家對煤礦安全生產(chǎn)的要求越來越高，建立可靠實用的煤礦井下人員定位系統(tǒng)，對改善煤礦的安全生產(chǎn)管理有著重要的現(xiàn)實意義。本文設(shè)計的井下人員跟蹤系統(tǒng)采用 CAN總線和國際上先進的 Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使井上主機和井下 Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)模塊進行雙向通信，來自動識別流動人員和運輸機車等動態(tài)目標，進行位置和用戶信息的鎖定和跟蹤并能夠及時、準確地將井下各個區(qū)域人員的動態(tài)情況反映到地面計算機系統(tǒng)，使管理人員能夠隨時掌握井下人員的分布狀況和每個下井人員的入井、升井時間及運動軌跡，以便于進行更加合理的管理。當事故發(fā)生時，救援人員也可根據(jù)井下人員定位系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)、圖形，迅速了解有關(guān)人員的位置情況，及時采取相應(yīng)的救援措施，提高應(yīng)急救援工作的效率，具有一定的先進性和實用性。而且由于識別跟蹤目標和數(shù)據(jù)交換是通過無線通信方式，具有無需人工操作，識別器小巧、輕便、便于攜帶，抗干擾能力強，反應(yīng)靈敏等特點，非常適用于環(huán)境條件非常惡劣且工作人員流動性很大的煤礦井下。 1 CAN 總線技術(shù) CAN(Controller Area Network)總線，又稱控制器局域網(wǎng)，是 Boseh公司在現(xiàn)代汽車技術(shù)中領(lǐng)先推出的一種多主機局部網(wǎng)，由于其卓越的性能，極高的可靠性，獨特靈活的設(shè)計和低廉的價格，現(xiàn)己廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場控制、智能大廈、小區(qū)安防、交通工具、醫(yī)療儀器、環(huán)境監(jiān)控等眾多領(lǐng)域。CAN已被公認為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。CAN總線規(guī)范已被 150國際標準組織制訂為國際標準， N協(xié)議也是建立在國際標準組織的開放系統(tǒng)互連參考模型基礎(chǔ)上的，主要工作在數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。用戶可在其基礎(chǔ)上開發(fā)適合系統(tǒng)實際需要的應(yīng)用層通信協(xié)議，但由于 CAN總線極高的可靠性，從而使應(yīng)用層通信協(xié)議得以大大簡化。 CAN總線上的節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)上的信息接收和發(fā)送站；所謂智能節(jié)點是由微處理器和可編程的 CAN控制芯片組成，智能節(jié)點能通過編程設(shè)置工作方式、DI地址、波特率等參數(shù)。 CAN智能節(jié)點能夠采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并根據(jù)接收到的命令或者主動將數(shù)據(jù)發(fā)送到 CAN總線。通過事先設(shè)置驗收碼和驗收屏蔽碼可以控制智能節(jié)點從總線上接收哪些數(shù)據(jù)命令。如果某些數(shù)據(jù)需要進一步復雜的處理，則上位計算機可以從總線上接收數(shù)據(jù)。當上位機需要對某個節(jié)點施加控制動作時，可以采用點對點的方式與該節(jié)點通訊；而當它要同時對所有的節(jié)點施加控制動作時，可以采用廣播方式將命令發(fā)送到總線。這樣當系統(tǒng)正常運行時完全可以沒有上位機的參與。大大減少了數(shù)據(jù)的傳輸量，同時提高了系統(tǒng)的實時性和可靠性。 CAN總線是目前應(yīng)用比較成熟的總線技術(shù)，可靠性極高。由于 CAN總線采用非破壞性仲裁技術(shù)，當巷道內(nèi)人員眾多，使多個人員檢測單元檢測到人員信息碼，同時向總線傳送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的節(jié)點將主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而有效避免總線沖突。CAN總線采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀的有效字節(jié)數(shù)為 8，數(shù)據(jù)傳輸時間短，受干擾的概率低。 CAN的每幀數(shù)據(jù)都有 CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃裕m合在井下高干擾環(huán)境中使用。CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動離線功能，使總線上其他節(jié)點不受影響。正由于 CAN總線有這樣的優(yōu)點，加上本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸量不大，所以各節(jié)點往上位機傳輸數(shù)據(jù)不用輪詢方式而直接采用即時傳送方式，保證系統(tǒng)良好的實時性。 2 Zigbee簡介 Zigbee技術(shù)是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時支持地理定位功能。 Zigbee協(xié)議棧由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成，網(wǎng)絡(luò)層以上的協(xié)議由 Zigbee聯(lián)盟負責，IEEE則制定物理層和鏈路層標準。應(yīng)用匯聚層把不同的應(yīng)用映射到 Zigbee網(wǎng)絡(luò)上，主要包括安全屬性設(shè)置和多個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的匯聚等功能。網(wǎng)絡(luò)層將采用基于 Adhoc技術(shù)的路由協(xié)議，除了包含通用的網(wǎng)絡(luò)層功能外，還應(yīng)該與底層的 IEEE 802．15．4標準同樣省電。另外，還應(yīng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織和自維護，以最大程度方便消費者使用，降低網(wǎng)絡(luò)的維護成本。 3 系統(tǒng)構(gòu)成 井下人員定位系統(tǒng)主要由人員跟蹤定位、數(shù)據(jù)傳輸和井上計算機系統(tǒng) 3個部分組成，如圖１所示： 3．1 人員跟蹤定位 由一個或幾個無線定位骨干網(wǎng)絡(luò)（無線讀寫器）和幾百個移動的目標節(jié)點（無線 ID模塊）構(gòu)成，再配以不同的定位應(yīng)用算法和配置工具。無線定位網(wǎng)絡(luò)（無線讀寫器）— 利用 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)模塊，根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境合理布局，組成一套 ZigBee 無線定位骨干網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)形態(tài)可以是鏈狀或網(wǎng)狀拓撲。定位網(wǎng)絡(luò)中的參考節(jié)點（無線讀寫器）將接收到目標節(jié)點（無線 ID模塊）信息（ ID號、無線信號強度 RSSI 等），以無線方式或輔助其他傳輸方式送到中心控制 PC 端進行最終處理。移動目標節(jié)點（無線 ID模塊） — 利用低價 ZigBee 無線模塊（只完成無線收發(fā)不需要網(wǎng)絡(luò)功能的 RFD 模塊），制成一個便攜式的移動裝置。根據(jù)需要該裝置可以連接不同的傳感器，組成一個既有身份識別，又有傳感功能的移動裝備。利用 IEEE802．15．4 無線傳輸技術(shù)，合理地控制模塊的休眠、喚醒過程，從而達到節(jié)電的目的。根據(jù)實際定位的需要，調(diào)整主節(jié)點和子節(jié)點的接收靈敏度和發(fā)射功率，以使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信范圍和定位精度范圍都能滿足實際應(yīng)用的需要 ,這往往需要增大主節(jié)點的發(fā)射功率，減小子節(jié)點的發(fā)射功率，以及可能的主節(jié)點接收靈敏度的調(diào)整。 安置的網(wǎng)絡(luò)模塊將自動組成一個 Zigbee通信網(wǎng)絡(luò)，這個通信網(wǎng)絡(luò)實際就是一個定位網(wǎng)絡(luò)，每一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點就是一個定位點，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可通過自動讀取移動目標的信息和信號強度，來確定移動目標的位置信息，網(wǎng)絡(luò)定位節(jié)點在已有通信電纜的地方直接通過 RS-485接口與 CAN轉(zhuǎn) RS-485協(xié)議轉(zhuǎn)換器相連接，再通過 CAN總線經(jīng)適配器、交換機將信息上傳至井上管理計算機，管理計算機通過軟件對數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)人員跟蹤定位系統(tǒng)的全部功能。 3．2 數(shù)據(jù)傳輸 包括分線接頭、電纜接頭、網(wǎng)絡(luò)連接等。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可通過自動讀取移動目標的信息和信號強度，在 Zigbee通信網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點之間傳輸，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在有通信電纜的地方直接接入已有的通信電纜，通過交換機等再將信息上傳至終端管理計算機。 3．3 上位計算機系統(tǒng) 上位計算機硬件系統(tǒng)包括主機、電源系統(tǒng)、轉(zhuǎn)換接口、軟件保護器、打印機等；軟件系統(tǒng)包括：信號采集與處理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、分析統(tǒng)計系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫，人機界面；報警裝置等。本設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)軟件按照網(wǎng)站形式編制，運行在礦局域網(wǎng)的服務(wù)器上，連網(wǎng)的計算機通過瀏覽器便可以調(diào)閱本系統(tǒng)的內(nèi)容。在調(diào)度室和礦領(lǐng)導辦公室，可通過微機直觀地查看井下人員情況。可以查詢該地點人員的情況、下井人員姓名、職務(wù)，下井時間、上井時間、井下累計時間等詳細情況。 井下人員定位系統(tǒng)軟件采用 VC++來分別設(shè)計考勤信息獲取和接口模塊，人員信息數(shù)據(jù)檢索模塊，人員定位信息查詢模塊來實現(xiàn)井下人員的跟蹤定。采用 Windows server， website web2．0， IE6．0，MapInfo，Visual Basic，VC++來實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)接口、數(shù)據(jù)瀏覽和數(shù)據(jù)庫查詢系統(tǒng)開的開發(fā)。 4 系統(tǒng)功能、數(shù)據(jù)信號流程 4．1井下定位系統(tǒng)的主要功能 數(shù)據(jù)庫的管理系統(tǒng)軟件選擇面很大，在 Win-dowsXP環(huán)境下的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)較多。該系統(tǒng)采用MapInfo，Visual Basic并結(jié)合VC++來開發(fā)的集數(shù)據(jù)采集和信息處理的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，具有無線 ID模塊地址碼設(shè)置和標簽信息管理、考勤、定位、跟蹤查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢、綜合報表打印、運動軌跡圖形模擬、系統(tǒng)更新維護、聯(lián)網(wǎng)功能等功能。 4．2 煤礦井下定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)信號流程圖（圖２） 4．3 井下定位跟蹤系統(tǒng)的主要特點 被測目標無負擔，通行方式無限制，結(jié)構(gòu)簡單，配置靈活，系統(tǒng)采用電池組單獨向讀卡器供電的方式，解決了井下取電不方便的問題。但系統(tǒng)設(shè)計仍預留了井下取電的接口，在需要的情況下，可在井下取電。無線 ID模塊使用的都是抗干擾的直序擴頻通信方式，被識讀靈敏度極高，漏讀率低于百萬分之一；同時設(shè)計的無線 ID模塊只能在讀寫器感應(yīng)范圍內(nèi)起動工作，使 Zigbee無線 ID模塊超低功耗。系統(tǒng)復用，保護原有投資。人員跟蹤定位系統(tǒng)可以和原有的安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)(如瓦斯檢測系統(tǒng))共網(wǎng)復用，減少投資也可以在人員監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中加設(shè)環(huán)境參數(shù)，工況等其他類型的傳感器，構(gòu)成多功能的綜合監(jiān)測系統(tǒng)。信息反饋快速準確。對從井下傳送上來的信息能夠迅速的通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒⻊?wù)器端，接收到信息后，服務(wù)程序會及時地對信息進行處理，以備查詢終端發(fā)出請求。 5 結(jié) 語 本系統(tǒng)設(shè)計了科學實用的井下人員定位采樣的前端系統(tǒng)，提出了 CAN總線和無線 Zigbee網(wǎng)絡(luò)通信體系，該體系更加適應(yīng)井下人員活動分散，掘進工作面或采煤工作面分布區(qū)域廣的特點；本系統(tǒng)還根據(jù)煤礦生產(chǎn)的實際情況構(gòu)建了后端數(shù)據(jù)庫體系，提供了井下人員安全生產(chǎn)的各種相關(guān)信息，以便地面的生產(chǎn)管理人員可以實時掌握井下人員的工作位置和運動軌跡。 本文的創(chuàng)新之處在于提出了一種基于無線 Zigbee網(wǎng)格定位的新方法 , 系統(tǒng)中每一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點就是一個定位點，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可通過自動讀取移動目標的信息和信號強度來確定移動目標的位置信息，以實現(xiàn)對井下人員進行有效的實時的定位和監(jiān)控，而且將 CAN總線有線傳輸和 Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸有機結(jié)合起來, 使數(shù)據(jù)傳輸更穩(wěn)定；本設(shè)計還可以根據(jù)實際情況復用目前井下采用的瓦斯監(jiān)測有線網(wǎng)絡(luò)通信體系來解決井下到地面的數(shù)據(jù)傳輸，減少投資成本。 |
