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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(shí)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(shí)意義。本文設(shè)計(jì)的井下人員跟蹤系統(tǒng)采用 CAN總線和國際上先進(jìn)的 Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使井上主機(jī)和井下 Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行雙向通信，來自動(dòng)識(shí)別流動(dòng)人員和運(yùn)輸機(jī)車等動(dòng)態(tài)目標(biāo)，進(jìn)行位置和用戶信息的鎖定和跟蹤并能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地將井下各個(gè)區(qū)域人員的動(dòng)態(tài)情況反映到地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使管理人員能夠隨時(shí)掌握井下人員的分布狀況和每個(gè)下井人員的入井、升井時(shí)間及運(yùn)動(dòng)軌跡，以便于進(jìn)行更加合理的管理。當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，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(shí)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(jìn)性和實(shí)用性。而且由于識(shí)別跟蹤目標(biāo)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(shí)別器小巧、輕便、便于攜帶，抗干擾能力強(qiáng)，反應(yīng)靈敏等特點(diǎn)，非常適用于環(huán)境條件非常惡劣且工作人員流動(dòng)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(jī)局部網(wǎng)，由于其卓越的性能，極高的可靠性，獨(dú)特靈活的設(shè)計(jì)和低廉的價(jià)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(rèn)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(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國際標(biāo)準(zhǔn)， N協(xié)議也是建立在國際標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)上的信息接收和發(fā)送站；所謂智能節(jié)點(diǎn)是由微處理器和可編程的 CAN控制芯片組成，智能節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(dòng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到 CAN總線。通過事先設(shè)置驗(yàn)收碼和驗(yàn)收屏蔽碼可以控制智能節(jié)點(diǎn)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(jìn)一步復(fù)雜的處理，則上位計(jì)算機(jī)可以從總線上接收數(shù)據(jù)。當(dāng)上位機(jī)需要對某個(gè)節(jié)點(diǎn)施加控制動(dòng)作時(shí)，可以采用點(diǎn)對點(diǎn)的方式與該節(jié)點(diǎn)通訊；而當(dāng)它要同時(shí)對所有的節(jié)點(diǎn)施加控制動(dòng)作時(shí)，可以采用廣播方式將命令發(fā)送到總線。這樣當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)完全可以沒有上位機(jī)的參與。大大減少了數(shù)據(jù)的傳輸量，同時(shí)提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(dāng)巷道內(nèi)人員眾多，使多個(gè)人員檢測單元檢測到人員信息碼，同時(shí)向總線傳送數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)將主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)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(shí)間短，受干擾的概率低。 CAN的每幀數(shù)據(jù)都有 CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)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(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，具有自動(dòng)離線功能，使總線上其他節(jié)點(diǎn)不受影響。正由于 CAN總線有這樣的優(yōu)點(diǎn)，加上本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸量不大，所以各節(jié)點(diǎn)往上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)不用輪詢方式而直接采用即時(shí)傳送方式，保證系統(tǒng)良好的實(shí)時(shí)性。 2 Zigbee簡介 Zigbee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)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(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時(shí)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(fù)責(zé)，IEEE則制定物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。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(gè)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(biāo)準(zhǔn)同樣省電。另外，還應(yīng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織和自維護(hù)，以最大程度方便消費(fèi)者使用，降低網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)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(jì)算機(jī)系統(tǒng) 3個(gè)部分組成，如圖１所示： 3．1 人員跟蹤定位 由一個(gè)或幾個(gè)無線定位骨干網(wǎng)絡(luò)（無線讀寫器）和幾百個(gè)移動(dòng)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)（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(shí)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?fù)洹６ㄎ痪W(wǎng)絡(luò)中的參考節(jié)點(diǎn)（無線讀寫器）將接收到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)（無線 ID模塊）信息（ ID號(hào)、無線信號(hào)強(qiáng)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(jìn)行最終處理。移動(dòng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)（無線 ID模塊） — 利用低價(jià) 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(gè)便攜式的移動(dòng)裝置。根據(jù)需要該裝置可以連接不同的傳感器，組成一個(gè)既有身份識(shí)別，又有傳感功能的移動(dòng)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(dá)到節(jié)電的目的。根據(jù)實(shí)際定位的需要，調(diào)整主節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)的接收靈敏度和發(fā)射功率，以使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信范圍和定位精度范圍都能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要 ,這往往需要增大主節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，減小子節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，以及可能的主節(jié)點(diǎn)接收靈敏度的調(diào)整。 安置的網(wǎng)絡(luò)模塊將自動(dòng)組成一個(gè) Zigbee通信網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)際就是一個(gè)定位網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)定位點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可通過自動(dòng)讀取移動(dòng)目標(biāo)的信息和信號(hào)強(qiáng)度，來確定移動(dòng)目標(biāo)的位置信息，網(wǎng)絡(luò)定位節(jié)點(diǎn)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(jī)將信息上傳至井上管理計(jì)算機(jī)，管理計(jì)算機(jī)通過軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)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(diǎn)可通過自動(dòng)讀取移動(dòng)目標(biāo)的信息和信號(hào)強(qiáng)度，在 Zigbee通信網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間傳輸，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(jī)等再將信息上傳至終端管理計(jì)算機(jī)。 3．3 上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 上位計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)包括主機(jī)、電源系統(tǒng)、轉(zhuǎn)換接口、軟件保護(hù)器、打印機(jī)等；軟件系統(tǒng)包括：信號(hào)采集與處理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、分析統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫，人機(jī)界面；報(bào)警裝置等。本設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)軟件按照網(wǎng)站形式編制，運(yùn)行在礦局域網(wǎng)的服務(wù)器上，連網(wǎng)的計(jì)算機(jī)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(dǎo)辦公室，可通過微機(jī)直觀地查看井下人員情況。可以查詢該地點(diǎn)人員的情況、下井人員姓名、職務(wù)，下井時(shí)間、上井時(shí)間、井下累計(jì)時(shí)間等詳細(xì)情況。 井下人員定位系統(tǒng)軟件采用 VC++來分別設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)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(hào)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(biāo)簽信息管理、考勤、定位、跟蹤查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢、綜合報(bào)表打印、運(yùn)動(dòng)軌跡圖形模擬、系統(tǒng)更新維護(hù)、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(hào)流程圖（圖２） 4．3 井下定位跟蹤系統(tǒng)的主要特點(diǎn) 被測目標(biāo)無負(fù)擔(dān)，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(dú)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(jì)仍預(yù)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(kuò)頻通信方式，被識(shí)讀靈敏度極高，漏讀率低于百萬分之一；同時(shí)設(shè)計(jì)的無線 ID模塊只能在讀寫器感應(yīng)范圍內(nèi)起動(dòng)工作，使 Zigbee無線 ID模塊超低功耗。系統(tǒng)復(fù)用，保護(hù)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(fù)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(zhǔn)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(huì)及時(shí)地對信息進(jìn)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(jì)了科學(xué)實(shí)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(dòng)分散，掘進(jìn)工作面或采煤工作面分布區(qū)域廣的特點(diǎn)；本系統(tǒng)還根據(jù)煤礦生產(chǎn)的實(shí)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(shí)時(shí)掌握井下人員的工作位置和運(yùn)動(dòng)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(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)定位點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可通過自動(dòng)讀取移動(dòng)目標(biāo)的信息和信號(hào)強(qiáng)度來確定移動(dòng)目標(biāo)的位置信息，以實(shí)現(xiàn)對井下人員進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)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(jī)結(jié)合起來, 使數(shù)據(jù)傳輸更穩(wěn)定；本設(shè)計(jì)還可以根據(jù)實(shí)際情況復(fù)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。 |
