基于ZigBee的矿井人员定位及环境监控系统设计.pdf

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1、万方数据第12卷第4期2009年10月西安文理学院学报：自然科学版JournalofXi’anUniversityofArts＆Science(NatSciEd)V01．12No．4Oct．2009文章编号：1008-5564(2009)04-0109-03基于ZigBee的矿井人员定位及环境监控系统设计林少锋，赵国辉(西安通信学院通信指挥系，陕西西安710106)摘要：针对矿井生产安全问题，结合ZigBee技术优势，设计了一种基于ZigBee技术的井下人员定位及环境监控系统，用于实现安全预警和高效救援，适用于各类环

2、境下煤矿的安全管理．文中详细分析了系统的构成、定位原理以及低功耗标识卡的设计．关键词：矿井；人员定位；ZigBee；CC2420中图分类号：TP274文献标识码：A煤矿井下环境恶劣，安全隐患多，水、火、瓦斯、煤尘、顶板等自然灾害时刻都在威胁矿井工作人员的生命安全，尤其是在事故发生后，如果能够实现对井下工作人员的正确定位跟踪，使地面监控中心实时掌握井下人员的位置，随时保持联系，实现人员的调度，这对于提高生产安全和工作效率，具有十分重要的意义．而目前井下通信系统¨。21的功能比较单一，可扩展性较差，不利于大规模矿山应用．

3、本文介绍一种基于ZigBee技术"o的矿井人员定位系统和环境监控系统．该系统可对井下人员实时跟踪定位，对井下重要仪器设备实时监控和故障预报，快速指导矿井突发性事故的救护工作．1井下人员定位系统简介由于井下恶劣的通信环境，特别是严重的噪声干扰和电波衰落，严重影响了通信系统的实际应用．国内现有的RFID射频读写系统、SuperRFID等井下通信系统的功能比较单一，可扩展性较差，不利于大规模矿山应用．RFID射频读写系统是在在矿井进口处，或其他井下一些关键通道口，使用射频卡(RFID)读取(刷卡)的方法对下井人员进行登记记

4、录来跟踪的方法；SuperRFID定位系统除了收发通信距离稍远一些外，它面临着一般RFID所面临的同样问题，包括井下通信干扰问题，对通信电缆的依赖问题，有效通信距离有限的问题，读写器结构复杂，价格贵的问题等．这两种方案不仅不能实现真正意义上的井下人员定位跟踪，无法实时地报告井下人员的具体位置，而且，也无助于改善现有安全生产要素的监控系统，只能作为下井人员的考勤登记．而结合ZigBee技术和有线以太网，可以实现一种经济实用，工作可靠的井下通信系统，这是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案H】，具有低速率、低功耗、低

5、成本、多路由、自组织等特点，主要用于近距离无线连接．ZigBee网络一般有星型、树型和网格型3种拓扑结构．其中网格型拓扑结构在逻辑上可理解为子结点间存在直接连通情况的树型结构．它允许通信链路存在常用路由和备选路由，避免了由于个别结点故障而阻断了其下级子网通信出I：1的问题，保持了网络的健壮性．2井下人员定位系统设计分析井下人员定位系统由井上网络和井下网络两部分组成．井上网络主要进行监控管理；井下网络由部收稿日期：2009-04-06基金项目：陕西省教育厅专项科研计划资助项目(06JK282)作者简介：林少锋(19r7

6、8一)，男，福建漳州人，西安通信学院通信指挥系讲师，硕士．研究方向：个人通信与移动通信万方数据110西安文理学院学报：自然科学版第12卷署在监测区域内大量ZigBee传感器节点(协调器Coordinator，路由器FFD和终端设备RFD)组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统．通过ZigBee无线自组织网络和以太网有线网络将采集到的数据传送到地面控制中心CMC(ControlManagementCenter)进行集中处理，ZigBee网络拓扑结构如图1所示．系统工作时，需要井下人员佩带系统的RFD节点

7、模块．矿工身上佩戴由传感器和ZigBee模块等集成的终端设备，主要由各种传感器、报警器以及ZigBee发射接收模块组成．传感器主要分成两部分：一部分用于环境监测，如瓦斯浓度、一氧化碳浓度、空气湿度等；另一部分用于矿工生命体征的采集，如脉搏、血压、呼吸、体温等．传感器采集上述信号后经过放大、A／D转换、信号处理等，最终由ZigBee发射模块无线传输至矿井巷道壁上的最近的FFD节点模块接收．FFD模块根据表驱动路由算法选择最优的通信路径，通过其他的FFD模块以多跳通信的方式或直接将终端n以太网lZigBee嵌入网关IlZ

8、lgBee嵌入网关图1系统结构示意图传感器收集的各种参数传至巷道上的ZigBee网关，再用以太网等有线方式将网关数据传输至地面上的中央控制计算机CMC，并与主系统以标准的SQL—Server数据库进行后台数据交换，包括信号的采集与处理、数据的分析统计，对矿井安全状况做出评估．矿工身上佩戴由传感器和ZigBee模块等集成的终端设备，主要由各种传感