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煤矿井下人员定位系统的设计

作者：杨小龙,王华军,卢涵宇

来源：《电脑知识与技术》2011年第09期

摘要：针对煤矿开采安全管理和井下人员管理的的需要，设计了一种基于ZigBee 技术的井下人员定位系统，可实现对井下人员实时定位。实验表明该系统能准确地获取井下人员的实时位置，实现有效的人员管理，能为抢险救灾和安全救护提供决策数据。 关键词：ZigBee；人员定位；矿井安全；CC2431

中图分类号：TP311 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)09-2056-02 Design on Personnel Orientation System of Coal Mine YANG Xiao-long, WANG Hua-jun, LU Han-yu

(College of Information Science and Technology, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)

Abstract: For underground coal mining safety management and personnel management needs, is designed based on ZigBee technology for underground personnel positioning system, enabling real-time location of underground personnel. Experiments show that the system can accurately obtain the real-time location of underground personnel to achieve effective personnel management, disaster relief and security for the ambulance to provide decision-making data. Key words: ZigBee; people orientation; mine safety; CC2431

煤矿井下作业远离地面，地形复杂，煤矿事故频发。井下人员实时监控和操作人员的定位是安全生产的重要保证。目前，国内煤矿人员定位系统的多采用 RFID技术，该系统能实现考勤，但定位精度不够。为此，我们采用ZigBee 技术设计的一种煤矿井下人员定位系统，系统能及时、准确地将井下人员的动态情况实时的反映到地面的智能监控中心，实现有效的人员管理，能为抢险救灾和安全救护提供决策数据。 1 系统组成

系统采用ZigBee 技术，ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要基于IEEE802.15.4 标准，支持250 kbit/s的数据传输速率，使用全球免费频段2. 4 GHz 进行通信，可以实现一点对多点的快速组网。利用ZigBee的可靠性高、组网简单、灵活的优势组成本系统的无线网络模块，系统分为地面系统和井下设备两部分，如图1所示。

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井下人员定位系统是在井下的各个巷道和所有人员可能经过的通道中安放若干个固定通信节点，井下工作人员安全帽中嵌入ZigBee芯片的电子标签，称为移动节点。这些移动节点定时发送位置数据信息，固定节点收到后通过网络传到地面的信息处理中心，达到人员实时跟踪定位的目的。地面智能指挥中心负责整个通信定位系统的管理与控制，通过地面管理中心可以对井下人员实时监控，可以根据显示屏上的分布示意图点击井下某一位置，计算机即会把这一区域的人员情况统计并显示出来。若井下发生事故，地面管理中心马上查出事故地点的人员情况，然后进一步确定人员位置，以便开展快速准确的营救被困人员。 2 定位算法及软件功能

ZigBee 定位算法常分两大类：基于距离的算法和非基于距离的算法。基于距离的算法通过测量节点间的距离或角度信息，使用三边测量、三角测量或最大似然估计定位法计算节点位置。常用的测距技术有RSS I (Received Signal Strength Indicator )、LQI；非基于距离的算法则不需要距离和角度信息，算法根据网络连通性等信息来实现节点定位。

本实验采用的定位算法主要是基于距离的算法RSSI定位技术：CC2431的定位引擎基于RSSI技术。RSSI是指节点接收到的无线信号强度大小。在基于RSSI的定位中，已知发射节点的发射信号强度，接收节点根据接收到信号的强度计算出信号的传播损耗。利用理论和经验模型将传输损耗转化为距离，并进一步利用三角定位法确定待定位节点位置。

煤矿井下人员定位系统在Widows XP 环境下，采用C/ 模式，以SQL Server2000 数据库为核心进行开发的，软件界面如图2所示，后台管理系统主要具有以下功能：

1）监测。系统具有携识别标签人员出/入井时刻、出/入重点区域、掘进工作面等时刻、出/入限制区域时刻等监测功能；

2）实时查询。可是查询井下人员动态分布情况及数量；查询指定矿井人员当日或某日的活动轨迹；

3）人员的各类信息统计汇总。如人员个人详细信息统计表、出勤状况统计表等；对下井人员上下井时间、下井次数、停留时间等信息分类统计成考勤报表；

4）数据备份，后台管理系统可以对井下人员的数据进行备份，备以后查询和调用； 5）提供决策数据。当发现井突发灾害时, 可迅速确定井下灾区人员的位置、数量、身份等信息，为抢险救灾迅速提供准确的依据。 3 测试及数据分析

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我们以IAR集成开发环境下对ZigBee协议栈进行配置，采用C#语言编写来实现上述定位系统功能。自行开发编写了一个上位机软件，软件的环境是模拟地下矿井，数据选用和上位机实验相同的数据，把数据收集到后，通过计算然后把位置反馈到我们的图上。

测试实验器材主要有：CC2430 模块 5，其中 1 个作为网关（协调器设备），4 个作为参考节点（路由器设备）；CC2431 模块 1 个，作为盲节点（路由器设备）；仿真器 1 个，作为下载和调试程序；装有 2 节 5 号电池的电池盒 5 个，给终端设备供电（网关节点直接上位机usb供电）。在本次实验中使用4个参考节点和1个定位节点。本次实验一共测得5组数据，所测的数据如表1所示。

从实验测试数据我们可以分析出：所测数据除部分误差比较大外，其他均比较接近真实位置。盲节点坐标越是位于参考节点组成网络的中心位置，参考节点越多，定位坐标越是精确；实验证明利用该系统定位室内数据误差一般在1-3米左右、室外误差则在2-5米左右，如果应用于矿井安全中具备较好的可行性。 4 结束语

基于ZigBee 技术的煤矿井下人员定位系统，采用有线与无线结合的方式，系统具有定位精度高，定位区域大，定位误差小等优点，同时可实时查询井下工作人员的位置，确定井下工作状况，为人员调度、考勤、科学管理带来便利，更为矿井突发性事故的救助工作提供科学决策数据，对保障井下人员安全起到重要的作用。 参考文献：

[1] 瞿雷,刘盛德,胡咸斌.ZigBee 技术及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007. [2] Liu Ke,Wang Huajun,Lu Hanyu. Research of Personnel Orientation System ofMine Based on ZigBee Technology[C]//Harbin, China: International Conference on Information Systems and Computational Intelligence (ICISCI 2011),January 18-20,2011.

[3] 付军安,王华军,卢涵宇.基于CC2431的室内定位系统研究[J].长江大学学报:自然科学版理工卷,2011(1).

[4] 庞海娟,赵建平.基于ZigBee 技术的矿井人员身份卡的设计[J].井冈山大学学报:自然科学版,2010,31(5):83-86.

[5] 王春,华钢,朱艾春.煤矿井下人员定位系统上位机软件的设计与实现[J].煤矿安全,2010(8).