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目前，國家對煤礦安全生產的要求越來越高，建立可靠實用的煤礦井下人員定位系統，對改善煤礦的安全生產管理有著重要的現實意義。本文設計的井下人員跟蹤系統采用 CAN總線和國際上先進的 Zigbee無線網絡技術使井上主機和井下 Zigbee無線網絡模塊進行雙向通信，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域人員的動態情況反映到地面計算機系統，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。當事故發生時，救援人員也可根據井下人員定位系統所提供的數據、圖形，迅速了解有關人員的位置情況，及時采取相應的救援措施，提高應急救援工作的效率，具有一定的先進性和實用性。而且由于識別跟蹤目標和數據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，反應靈敏等特點，非常適用于環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 CAN(Controller Area Network)總線，又稱控制器局域網，是 Boseh公司在現代汽車技術中領先推出的一種多主機局部網，由于其卓越的性能，極高的可靠性，獨特靈活的設計和低廉的價格，現己廣泛應用于工業現場控制、智能大廈、小區安防、交通工具、醫療儀器、環境監控等眾多領域。CAN已被公認為幾種最有前途的現場總線之一。CAN總線規范已被 150國際標準組織制訂為國際標準， N協議也是建立在國際標準組織的開放系統互連參考模型基礎上的，主要工作在數據鏈路層和物理層。用戶可在其基礎上開發適合系統實際需要的應用層通信協議，但由于 CAN總線極高的可靠性，從而使應用層通信協議得以大大簡化。 CAN總線上的節點是網絡上的信息接收和發送站；所謂智能節點是由微處理器和可編程的 CAN控制芯片組成，智能節點能通過編程設置工作方式、DI地址、波特率等參數。 CAN智能節點能夠采集現場數據，并根據接收到的命令或者主動將數據發送到 CAN總線。通過事先設置驗收碼和驗收屏蔽碼可以控制智能節點從總線上接收哪些數據命令。如果某些數據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據。當上位機需要對某個節點施加控制動作時，可以采用點對點的方式與該節點通訊；而當它要同時對所有的節點施加控制動作時，可以采用廣播方式將命令發送到總線。這樣當系統正常運行時完全可以沒有上位機的參與。大大減少了數據的傳輸量，同時提高了系統的實時性和可靠性。 CAN總線是目前應用比較成熟的總線技術，可靠性極高。由于 CAN總線采用非破壞性仲裁技術，當巷道內人員眾多，使多個人員檢測單元檢測到人員信息碼，同時向總線傳送數據時，優先級低的節點將主動停止數據發送，而優先級高的節點可不受影響地繼續傳輸數據，從而有效避免總線沖突。CAN總線采用短幀結構，每幀的有效字節數為 8，數據傳輸時間短，受干擾的概率低。 CAN的每幀數據都有 CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數據傳輸的高可靠性，適合在井下高干擾環境中使用。CAN節點在錯誤嚴重的情況下，具有自動離線功能，使總線上其他節點不受影響。正由于 CAN總線有這樣的優點，加上本系統的數據傳輸量不大，所以各節點往上位機傳輸數據不用輪詢方式而直接采用即時傳送方式，保證系統良好的實時性。 2 Zigbee簡介 Zigbee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適合于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。 Zigbee協議棧由高層應用規范、應用匯聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成，網絡層以上的協議由 Zigbee聯盟負責，IEEE則制定物理層和鏈路層標準。應用匯聚層把不同的應用映射到 Zigbee網絡上，主要包括安全屬性設置和多個業務數據流的匯聚等功能。網絡層將采用基于 Adhoc技術的路由協議，除了包含通用的網絡層功能外，還應該與底層的 IEEE 802．15．4標準同樣省電。另外，還應實現網絡的自組織和自維護，以最大程度方便消費者使用，降低網絡的維護成本。 3 系統構成 井下人員定位系統主要由人員跟蹤定位、數據傳輸和井上計算機系統 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絡（無線讀寫器）和幾百個移動的目標節點（無線 ID模塊）構成，再配以不同的定位應用算法和配置工具。無線定位網絡（無線讀寫器）— 利用 ZigBee 無線網絡模塊，根據實際應用環境合理布局，組成一套 ZigBee 無線定位骨干網絡，網絡形態可以是鏈狀或網狀拓撲。定位網絡中的參考節點（無線讀寫器）將接收到目標節點（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。移動目標節點（無線 ID模塊） — 利用低價 ZigBee 無線模塊（只完成無線收發不需要網絡功能的 RFD 模塊），制成一個便攜式的移動裝置。根據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，合理地控制模塊的休眠、喚醒過程，從而達到節電的目的。根據實際定位的需要，調整主節點和子節點的接收靈敏度和發射功率，以使網絡節點的通信范圍和定位精度范圍都能滿足實際應用的需要 ,這往往需要增大主節點的發射功率，減小子節點的發射功率，以及可能的主節點接收靈敏度的調整。 安置的網絡模塊將自動組成一個 Zigbee通信網絡，這個通信網絡實際就是一個定位網絡，每一個網絡節點就是一個定位點，網絡節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，網絡定位節點在已有通信電纜的地方直接通過 RS-485接口與 CAN轉 RS-485協議轉換器相連接，再通過 CAN總線經適配器、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據進行處理，實現人員跟蹤定位系統的全部功能。 3．2 數據傳輸 包括分線接頭、電纜接頭、網絡連接等。網絡節點可通過自動讀取移動目標的信息和信號強度，在 Zigbee通信網絡中各個節點之間傳輸，網絡節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 上位計算機硬件系統包括主機、電源系統、轉換接口、軟件保護器、打印機等；軟件系統包括：信號采集與處理系統、通信系統、分析統計系統，數據庫，人機界面；報警裝置等。本設計的網絡軟件按照網站形式編制，運行在礦局域網的服務器上，連網的計算機通過瀏覽器便可以調閱本系統的內容。在調度室和礦領導辦公室，可通過微機直觀地查看井下人員情況�？梢圆樵冊摰攸c人員的情況、下井人員姓名、職務，下井時間、上井時間、井下累計時間等詳細情況。 井下人員定位系統軟件采用 VC++來分別設計考勤信息獲取和接口模塊，人員信息數據檢索模塊，人員定位信息查詢模塊來實現井下人員的跟蹤定。采用 Windows server， website web2．0， IE6．0，MapInfo，Visual Basic，VC++來實現對網絡接口、數據瀏覽和數據庫查詢系統開的開發。 4 系統功能、數據信號流程 4．1井下定位系統的主要功能 數據庫的管理系統軟件選擇面很大，在 Win-dowsXP環境下的數據庫系統較多。該系統采用MapInfo，Visual Basic并結合VC++來開發的集數據采集和信息處理的數據庫管理系統，具有無線 ID模塊地址碼設置和標簽信息管理、考勤、定位、跟蹤查詢、歷史數據查詢、綜合報表打印、運動軌跡圖形模擬、系統更新維護、聯網功能等功能。 4．2 煤礦井下定位系統數據信號流程圖（圖２） 4．3 井下定位跟蹤系統的主要特點 被測目標無負擔，通行方式無限制，結構簡單，配置靈活，系統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。但系統設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；同時設計的無線 ID模塊只能在讀寫器感應范圍內起動工作，使 Zigbee無線 ID模塊超低功耗。系統復用，保護原有投資。人員跟蹤定位系統可以和原有的安全生產監測系統(如瓦斯檢測系統)共網復用，減少投資也可以在人員監測系統網絡中加設環境參數，工況等其他類型的傳感器，構成多功能的綜合監測系統。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絡傳輸到服務器端，接收到信息后，服務程序會及時地對信息進行處理，以備查詢終端發出請求。 5 結 語 本系統設計了科學實用的井下人員定位采樣的前端系統，提出了 CAN總線和無線 Zigbee網絡通信體系，該體系更加適應井下人員活動分散，掘進工作面或采煤工作面分布區域廣的特點；本系統還根據煤礦生產的實際情況構建了后端數據庫體系，提供了井下人員安全生產的各種相關信息，以便地面的生產管理人員可以實時掌握井下人員的工作位置和運動軌跡。 本文的創新之處在于提出了一種基于無線 Zigbee網格定位的新方法 , 系統中每一個網絡節點就是一個定位點，網絡節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，以實現對井下人員進行有效的實時的定位和監控，而且將 CAN總線有線傳輸和 Zigbee無線網絡傳輸有機結合起來, 使數據傳輸更穩定；本設計還可以根據實際情況復用目前井下采用的瓦斯監測有線網絡通信體系來解決井下到地面的數據傳輸，減少投資成本。 |
