原创 Zigbee矿山考勤定位系统简介

 2008-9-1 16:24  1660 1 1 分类: 工业电子

一，国内外相关技术的现状，发展趋势：
井下人员的定位技术，国内外目前仍然是一个空白领域，由于国内煤矿安全生产所面临的严峻形势，如何建立一个适合中国国情的煤矿安全生产监测管理系统，特别是包括井下人员定位技术的系统，得到国内各级政府的极大关注。国内目前所使用的井下人员跟踪技术，实际上仅仅是一种考勤记录系统，而非真正的人员定位跟踪系统：。
A. 射频卡（RFID）考勤系统：
目前井下人员的跟踪，基本上采用的是这种方法。这种方法是在在矿井进口处，或其它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录来跟踪的方法。实际上这并不是真正意义上的人员跟踪，无法实时地报告井下人员的具体位置了。这种方法存在如下几个问题：
1. 射频卡读写系统读些距离非常有限，它只能用于上下矿井人员的考勤纪录，或进出不同区域的人员记纪录，它不可能实现对井下人员的定位跟踪；
2．当射频卡读写系统用于记录进出井下不同区域的人员登记时，系统必须安装在井下，射频卡读写系统使用的频率都较低，抗干扰能力差，而井下环境条件十分复杂，干扰因素无处不在，特别是最关键的采掘工作面，另外，由于它的体积大，而要求工作的空间范围又小，因而系统对安装条件有相当的要求，这样，这种系统在井下的安装使用包括维护，都受到相当的限制；
3．这种系统读卡速度十分有限，不能处理多人同时快速通过读卡系统的情况（例如乘车下井），此时，系统往往会出现漏读；
4．如果使用远距离射频卡（RFID）系统，读写器价格都较贵，随着距离的增加，系统的价格将迅速增加。
B. SuperRFID 等定位系统
SuperRFID，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。
C. 结论：现有的 RFID射频读写系统（包括SuperRFID，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。其结果：
a) 在事故发生前，由于井下的具体环境条件，造成了现有安全生产监测系统存在很多缺陷，使得煤矿安全生产监控中心在事故发生前，不能随时掌握，井下不同位置的各种安全生产的要素（包括瓦斯浓度，风速风压，人员作业分情况等），因而难以采取积极有效的预防措施
b) 在事故发生后，由于不能掌握事故发生当时，井下工作人员的具体分布位置，以及事故发生的原因，而且，往往由于事故造成的通信电缆的中断，也无法掌握事故后不同位置的瓦斯浓度等情况，因而无法制定出及时有效的抢救措施，并进行有效的现场抢救指挥。

Zigbee矿山考勤定位管理系统说明
接本方案利用世界最新的无线网络技术，和射频集成芯片技术，结合我公司的无线网络传输技术，和微功率无线网络定位专利技术，在国内外首次以经济实用的方法，真正实现了井下人员的定位和各种安全生产要素的无人自动采集。从而，在事故发生前，安全生产监控中心，可以随时掌握井下不同位置的各种安全生产的要素。从而采取积极有效的预防措施；事故发生后，可以掌握事故发生当时，甚至事故发生后相当一段时间内，井下工作人员的具体分布位置，不同位置的瓦斯浓度等情况，从而制定出及时有效的抢救措施，并实施有效的现场抢救指挥。
三，系统的技术特点和关键技术：
新的定位系统是利用当今最新的Zigbee技术，提出的一种经济实用，工作可靠的井下人员定位系统。其关键技术包括微功率网络传输技术，微功率网络定位技术，以及微功率长距离射频传输技术。网络定位技术除了当今世界最新的Zigbee网络技术而外，还包括我们自己开发的更适用于我国工业现场，反应速度更快，成本更低的微功率无线网络传输技术；微功率网络采用的是直序扩频技术，和2.4G免费频段，长距离（2公里以上），微功率，高接收灵敏度，低功耗，低成本的无线数传模块。
移动目标的无线身份卡模块：
1．每一个需要定位的移动目标（例如矿工），都需要随身携带一个无线身份卡模块，或固定在安全帽上的一个纽扣电池驱动的全封闭的模块约（50 x 40 x 8 mm）大小，每个模块的发射功率小于1/1000瓦. 建议使用的SC8836A。
2．为了增加电池使用寿命，无线身份模块每隔5 -- 30 秒发射一个身份码信号。为了避免井下环境对无线信号的干扰，所有无线身份卡模块使用的都是抗干扰的直序扩频通信方式；同时，在紧急情况时，还可以通过卡上的按钮，随时发出紧急求救信息。
3．该无线身份模块还可与瓦斯探测等传感器相连，这样，不仅可以根据需要，机动灵活的在不同位置（特别是采掘面）采集各种安全生产所需的信息（例如瓦斯浓度，风压风速等），同时自动地将采集点的位置信息和相关信息传给监控中心。这种瓦斯采集点可以安放在采掘面的某个固定位置，并随采掘面的移动而移动，也可让瓦斯安检人员随设携带，十分方便。当瓦斯浓度超标时，该无线模块可以立即通过Zigbee网络,将浓度信息，位置信息和报警信号传往监控中心，必要时，将同时启动其它联动的应急设备；
4．调整无线定位身份卡模块的发射功率使其至少能够与一个定位节点模块通信。
移动目标位置的确定：
1．当只有一个定位节点收到某个移动身份卡的信号时，这个定位点的位置就是这个移动目标的位置；
2．当有两个定位节点同时收到某个移动身份卡的信号时，这两个定位点之间的中间位置，就是该移动目标的位置；
3．当利用信号强度改进定位精度时，某个定位节点接收到的某个移动身份卡的信号强弱，还可用来决定该移动目标距离这个定位节点远近，信号越强，则离开这个定位节点越近，信号强度与到该定位点距离的函数关系，可以通过预先的简单实际测量获得。当有两个定位节点同时接收到某一个移动目标的信号时，我们就可以确定，移动目标必定位于这两个定位节点之间的某处，其具体的位置，可以利用这两个定位点所接收到的该移动目标信号强度的具体值，通过简单计算和现场实测校正来得到。
值得注意的是，在环境较为复杂的地方，特别是定位区域并非线状的地方，例如某些作业面，我们需要通过增加定位节点数量的方法来提高定位精度。
五，定位方案实施时的一些具体问题的考虑：
1．当移动目标在不同的位置发射身份码信号时，如果定位精度要求不高，坑道情况比较复杂时，人员密度较高时，则我们可以将任何一个接收到该移动目标身份码信息的网络节点位置，当作为移动目标位置，这种方法往往需要较小的网络节点间距（例如50-100米），和较小的无线身份模块的发射功率。这种方法的定位精度为定位点间距的三分之一。即此时为50/3=17米。这种方法的好处是工作可靠，适合于采掘面等复杂的地方。
2．当坑道环境相对简单时，则可使用信号强度定位法，例如在永久交通巷道，或，简单的运输通道，此时，定位网络节点（读写器）相互之间的距离可以放置得远一些，例如200-400米。即当移动目标在不同的位置发射身份码信号时，处于该移动目标附近的网络节点，因距该移动目标距离远近的不同，所收到的信号强度也不同。 Zigbee网络将把该移动目标身份码，以及在相应的网络节点接收到该身份码时的信号强度传往控制中心，通过简单计算，再加上现场实测效正，很容易确定该移动目标的位置。这种方法的优点是，网络节点数量少，定位精度也可以较高。
3．关于有线系统和无线系统的联结：由于煤矿井下许多地方已经铺设了通信电缆，因而，无线定位节点可以在有通信电缆的地方，直接通过RS232接口，与现有的通信电缆相联接，将其所采集到的各个移动目标的位置信息，和各种传感器采集到的信息传往监控中心。同时，为了在事故发生或其他原因造成的现有通信电缆，或电源电缆中断以后，移动目标的位置信息和其它信息，仍然可以通过无线的途径传往监控中心，无线定位节点还需要通过无线网络自身的通道与监控中心线连接。或者由若干定位节点组成的无线定位网络，以局域网的形式，在适当的地方与现有的有线通信电缆连。
一、系统硬件介绍：
系统包括三个部分：矿山身份卡，读写器和与读写器相连的控制计算机，智能卡和读写器都是由高度集成的微功率单芯片无线收发机和单片机制成，它们的体积都非常小，单芯片收发机还可有一个全世界独一无二的厂家编号（烧录在芯片中），这个单芯片收发机还具有接收信号强度指示功能（RSSI）。新系统的智能卡和读写器，使用的是无需申请的2.4G ISM免费频段，而且都满足国家对2.4G频道无线产品的相关规定。
系统应用
一、系统组网拓扑

现场的定位节点设备可用RS485和现有的线路连接。
1. 井下定位器用来确定下井人员的井下工作区域使用2.4G通讯频率传输井下工作人员的井下位置信息，建议和井下的铠装电缆通过RS485接口连接，在井下发生事故的时候可以通过电缆发送事故后在井下人员的所处位置方便营救，可通过井下的电力线来供电。
2. 井下人员身份识别卡是确定井下人员身份和工作状态的装置，通过它可以知道每天下井工作人员的身份和在井下工作的区域。
3. 井下人员考勤终端组成拉下井人员下井时候对下井人员身份识别和井下讯息采集汇总到矿井数据监控中心的骨干网络。
4. Zigbee接收模块负责接收考勤中心模块发送来的井下人员工作状态讯息，输入电脑和电脑里的数据库连接，对井下人员井下考勤定位。

　　一，国内外相关技术的现状，发展趋势：

　　井下人员的定位技术，国内外目前仍然是一个空白领域，由于国内煤矿安全生产所面临的严峻形势，如何建立一个适合中国国情的煤矿安全生产监测管理系统，特别是包括井下人员定位技术的系统，得到国内各级政府的极大关注。国内目前所使用的井下人员跟踪技术，实际上仅仅是一种考勤记录系统，而非真正的人员定位跟踪系统：。

　　A. 射频卡（RFID）考勤系统：

　　目前井下人员的跟踪，基本上采用的是这种方法。这种方法是在在矿井进口处，或其它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录来跟踪的方法。实际上这并不是真正意义上的人员跟踪，无法实时地报告井下人员的具体位置了。这种方法存在如下几个问题：

　　1. 射频卡读写系统读些距离非常有限，它只能用于上下矿井人员的考勤纪录，或进出不同区域的人员记纪录，它不可能实现对井下人员的定位跟踪；

　　2．当射频卡读写系统用于记录进出井下不同区域的人员登记时，系统必须安装在井下，射频卡读写系统使用的频率都较低，抗干扰能力差，而井下环境条件十分复杂，干扰因素无处不在，特别是最关键的采掘工作面，另外，由于它的体积大，而要求工作的空间范围又小，因而系统对安装条件有相当的要求，这样，这种系统在井下的安装使用包括维护，都受到相当的限制；

　　3．这种系统读卡速度十分有限，不能处理多人同时快速通过读卡系统的情况（例如乘车下井），此时，系统往往会出现漏读；

　　4．如果使用远距离射频卡（RFID）系统，读写器价格都较贵，随着距离的增加，系统的价格将迅速增加。

　　B. SuperRFID 等定位系统

　　SuperRFID，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。

　　C. 结论：现有的 RFID射频读写系统（包括SuperRFID，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。其结果：

　　a) 在事故发生前，由于井下的具体环境条件，造成了现有安全生产监测系统存在很多缺陷，使得煤矿安全生产监控中心在事故发生前，不能随时掌握，井下不同位置的各种安全生产的要素（包括瓦斯浓度，风速风压，人员作业分情况等），因而难以采取积极有效的预防措施

　　b) 在事故发生后，由于不能掌握事故发生当时，井下工作人员的具体分布位置，以及事故发生的原因，而且，往往由于事故造成的通信电缆的中断，也无法掌握事故后不同位置的瓦斯浓度等情况，因而无法制定出及时有效的抢救措施，并进行有效的现场抢救指挥。

　　Zigbee矿山考勤定位管理系统说明

　　接本方案利用世界最新的无线网络技术，和射频集成芯片技术，结合我公司的无线网络传输技术，和微功率无线网络定位专利技术，在国内外首次以经济实用的方法，真正实现了井下人员的定位和各种安全生产要素的无人自动采集。从而，在事故发生前，安全生产监控中心，可以随时掌握井下不同位置的各种安全生产的要素。从而采取积极有效的预防措施；事故发生后，可以掌握事故发生当时，甚至事故发生后相当一段时间内，井下工作人员的具体分布位置，不同位置的瓦斯浓度等情况，从而制定出及时有效的抢救措施，并实施有效的现场抢救指挥。

　　三，系统的技术特点和关键技术：

　　新的定位系统是利用当今最新的Zigbee技术，提出的一种经济实用，工作可靠的井下人员定位系统。其关键技术包括微功率网络传输技术，微功率网络定位技术，以及微功率长距离射频传输技术。网络定位技术除了当今世界最新的Zigbee网络技术而外，还包括我们自己开发的更适用于我国工业现场，反应速度更快，成本更低的微功率无线网络传输技术；微功率网络采用的是直序扩频技术，和2.4G免费频段，长距离（2公里以上），微功率，高接收灵敏度，低功耗，低成本的无线数传模块。

　　移动目标的无线身份卡模块：

　　1．每一个需要定位的移动目标（例如矿工），都需要随身携带一个无线身份卡模块，或固定在安全帽上的一个纽扣电池驱动的全封闭的模块约（50 x 40 x 8 mm）大小，每个模块的发射功率小于1/1000瓦. 建议使用的SC8836A。

　　2．为了增加电池使用寿命，无线身份模块每隔5 -- 30 秒发射一个身份码信号。为了避免井下环境对无线信号的干扰，所有无线身份卡模块使用的都是抗干扰的直序扩频通信方式；同时，在紧急情况时，还可以通过卡上的按钮，随时发出紧急求救信息。

　　3．该无线身份模块还可与瓦斯探测等传感器相连，这样，不仅可以根据需要，机动灵活的在不同位置（特别是采掘面）采集各种安全生产所需的信息（例如瓦斯浓度，风压风速等），同时自动地将采集点的位置信息和相关信息传给监控中心。这种瓦斯采集点可以安放在采掘面的某个固定位置，并随采掘面的移动而移动，也可让瓦斯安检人员随设携带，十分方便。当瓦斯浓度超标时，该无线模块可以立即通过Zigbee网络,将浓度信息，位置信息和报警信号传往监控中心，必要时，将同时启动其它联动的应急设备；

　　4．调整无线定位身份卡模块的发射功率使其至少能够与一个定位节点模块通信。

　　移动目标位置的确定：

　　1．当只有一个定位节点收到某个移动身份卡的信号时，这个定位点的位置就是这个移动目标的位置；

　　2．当有两个定位节点同时收到某个移动身份卡的信号时，这两个定位点之间的中间位置，就是该移动目标的位置；

　　3．当利用信号强度改进定位精度时，某个定位节点接收到的某个移动身份卡的信号强弱，还可用来决定该移动目标距离这个定位节点远近，信号越强，则离开这个定位节点越近，信号强度与到该定位点距离的函数关系，可以通过预先的简单实际测量获得。当有两个定位节点同时接收到某一个移动目标的信号时，我们就可以确定，移动目标必定位于这两个定位节点之间的某处，其具体的位置，可以利用这两个定位点所接收到的该移动目标信号强度的具体值，通过简单计算和现场实测校正来得到。

　　值得注意的是，在环境较为复杂的地方，特别是定位区域并非线状的地方，例如某些作业面，我们需要通过增加定位节点数量的方法来提高定位精度。

　　五，定位方案实施时的一些具体问题的考虑：

　　1．当移动目标在不同的位置发射身份码信号时，如果定位精度要求不高，坑道情况比较复杂时，人员密度较高时，则我们可以将任何一个接收到该移动目标身份码信息的网络节点位置，当作为移动目标位置，这种方法往往需要较小的网络节点间距（例如50-100米），和较小的无线身份模块的发射功率。这种方法的定位精度为定位点间距的三分之一。即此时为50/3=17米。这种方法的好处是工作可靠，适合于采掘面等复杂的地方。

　　2．当坑道环境相对简单时，则可使用信号强度定位法，例如在永久交通巷道，或，简单的运输通道，此时，定位网络节点（读写器）相互之间的距离可以放置得远一些，例如200-400米。即当移动目标在不同的位置发射身份码信号时，处于该移动目标附近的网络节点，因距该移动目标距离远近的不同，所收到的信号强度也不同。 Zigbee网络将把该移动目标身份码，以及在相应的网络节点接收到该身份码时的信号强度传往控制中心，通过简单计算，再加上现场实测效正，很容易确定该移动目标的位置。这种方法的优点是，网络节点数量少，定位精度也可以较高。

　　3．关于有线系统和无线系统的联结：由于煤矿井下许多地方已经铺设了通信电缆，因而，无线定位节点可以在有通信电缆的地方，直接通过RS232接口，与现有的通信电缆相联接，将其所采集到的各个移动目标的位置信息，和各种传感器采集到的信息传往监控中心。同时，为了在事故发生或其他原因造成的现有通信电缆，或电源电缆中断以后，移动目标的位置信息和其它信息，仍然可以通过无线的途径传往监控中心，无线定位节点还需要通过无线网络自身的通道与监控中心线连接。或者由若干定位节点组成的无线定位网络，以局域网的形式，在适当的地方与现有的有线通信电缆连。

　　一、系统硬件介绍：

　　系统包括三个部分：矿山身份卡，读写器和与读写器相连的控制计算机，智能卡和读写器都是由高度集成的微功率单芯片无线收发机和单片机制成，它们的体积都非常小，单芯片收发机还可有一个全世界独一无二的厂家编号（烧录在芯片中），这个单芯片收发机还具有接收信号强度指示功能（RSSI）。新系统的智能卡和读写器，使用的是无需申请的2.4G ISM免费频段，而且都满足国家对2.4G频道无线产品的相关规定。

　　系统应用

　　一、系统组网拓扑