近些年來，國家非常重視煤礦安全生產工作，已頒布多項法規(guī)明確煤礦開采的必備條件，其中準確掌握井下人員的數(shù)量和位置、遇險后撤退路線、井下的環(huán)境監(jiān)測情況等是十分重要的，也是十分緊迫的任務，即將成為煤礦開采的必備條件。基于ZigBee技術的煤礦井下人員無線定位考勤系統(tǒng)，就是在此背景下進行研究與開發(fā)的。因此該項目的研究具有較好的社會效益和經濟效益。

    井下人員定位考勤管理系統(tǒng)，目前國內已有多家公司推出相關產品，如：深圳世紀潮公司，北京仙導公司，上海秀派公司，這些公司推出的產品主要是基于RFID (Radio Frequency Identification，即射頻識別，俗稱電子標簽)技術，發(fā)射采用133 kHz無線信號，接收采用450 MHz信號，該技術相對較為成熟，已廣泛用于門禁系統(tǒng)的身份識別，其原理是利用無線信號的大功率能量激發(fā)身份卡，身份卡中無需電池，利用接收到的無線信號能量來進行信號的應答，其優(yōu)點在于體積小，重量輕便于攜帶。而此技術在井下人員定位系統(tǒng)中 進行應用時存在通信距離短，目前所能達到的指標為9 in，無線基站發(fā)射功率大，15 w 以上，不利于井下安全，同時存在多人同時通過無線基站時存在漏卡現(xiàn)象，更無法實現(xiàn)井下無線信號的全覆蓋和人員的精確定位，只能用于簡單的人員考勤管理，并且在進入煤礦時還必須分散分批進入，使用效果不佳。基于ZigBee技術的煤礦井下無線網絡通信系統(tǒng)成功解決上述問題。

1 井下人員定位考勤系統(tǒng)實現(xiàn)的功能與關鍵技術

1．1 功能

    本礦井內人員定位考勤系統(tǒng)采用最新的Zigbee無線通信技術，實現(xiàn)了井下人員的精確定位和考勤，不僅在井下發(fā)生事故時可起到重要作用，而且可用于日常的管理，提供了較多的實用功能，比較適合煤礦企業(yè)的需求，具有較好的市場前景。系統(tǒng)的主要功能有：查詢當前井下人員分布；井下人員跟蹤且復示井下人員行蹤；統(tǒng)計查詢進入特殊區(qū)域的人員；下井人員考勤管理；井下人員的定位、尋呼及遇險緊急求救；可利用現(xiàn)有的通信平臺實現(xiàn)其它信息的接人等。

1．2 幾種無線傳感器網絡技術的比較

近十幾年來，無線與移動通信以蓬勃的速度迅猛發(fā)展。隨著各種便攜式個人通信設備與家用電器設備的增加，人們享受數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)帶來的便利的同時，對短距離的無線移動通信 又提出了新的要求，使得短距離無線通信異軍突起，包括無 線高保真(Wi—Fi)、超寬帶(UWB)、藍芽技術(Blue Theeth)以及ZigBee技術等各種熱點技術相繼出現(xiàn)，均展現(xiàn)出各自巨大的應用潛力。其中，速率低、功耗低、成本低的ZigBee技術作為無線傳感器網絡的主要支撐技術獲得廣泛的關注。表1對WiFi、UWB、Blue Theeth、ZigBee的性能進行了比較。

表1 幾種無線傳感器網絡技術的比較

    從表1中可以看出ZigBee是短距離通信的一種新興技術。它使用2．4 GHz波段，采用跳頻技術，ZigBee技術更簡單、功率及費用也更低，能夠更好地支持游戲、消費電子、儀器和家庭自動化應用。人們期望能在工業(yè)監(jiān)控、環(huán)境、軍事、水利電力、醫(yī)療、樓宇監(jiān)測和礦業(yè)井下作業(yè)等領域拓展ZigBee的應用。本系統(tǒng)正是利用ZigBee技術的優(yōu)勢，而這些恰好適用于煤礦井下巷道多曲折、多風門等結構特點，電源供電限制嚴格、煤炭行業(yè)資金短缺等特點。盡管它有著較低數(shù)據(jù)傳輸率，但是這一傳輸速度仍能夠滿足井下人員定位考勤系統(tǒng)的需求。

1．3 ZigBee技術
 
    ZigBee技術作為無線傳感器網絡的主要支撐技術獲得人們廣泛的關注。完整的ZigBee體系結構如圖1所示，它由應用層、網絡層和應用支持層、數(shù)據(jù)鏈路層、介質訪問層和物理層組成。網絡層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制訂，物理層、介質訪問層和數(shù)據(jù)鏈路層 采用IEEE 802．15．4標準。IEEE802．15．4物理層簡單采用比特到符號映射技術、符號到碼片序列轉換技術、偏移正交相移鍵控 (OQPSK)調制技術，無須信道編碼等復雜算法；介質訪問層采用載波監(jiān)聽多址一沖突避免技術，支持休眠模式。

圖1 ZigBee體系結構

    ZigBee技術以IEEE 802．15．4協(xié)議為基礎，使用全球免費頻段進行通訊，能夠在三個不同的頻段上通訊。全球通用頻段是2．400—2．484 GHz，歐洲采用的是868．0—868．6 MHz，美國采用的是902—928 MHz，傳輸速率分別為250 kbit／s、20 kbit／s和40 kbit／s，通訊距離的理論值為1O-75 M。整個協(xié)議的設計使得ZigBee技術具有數(shù)據(jù)傳輸速率低、功耗低、成本低、網絡容量大、時延短、安全、有效范圍小、工作頻段靈活等特點，更加適合于工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)、傳感器網絡、家庭監(jiān)控系統(tǒng)、安全系統(tǒng)等應用。

2 基于ZigBee技術的礦井內人員定位考勤

    井下人員定位考勤系統(tǒng)連接示意圖如圖2所示，系統(tǒng)由信息處理中心、RS232／RS485隔離轉換器、無線基站、身份卡、隔爆電源和各種總線電纜等組成。

圖2 井下人員定位考勤系統(tǒng)連接示意圖

2．1 各組成部分主要性能

    (1)信息處理平臺。主要負責各網絡傳輸節(jié)點所發(fā)信息的存儲，并能對信息進行分析處理和顯示，將信息以網絡形式供其它有權限的成員查閱。
    (2)無線基站。實現(xiàn)對標識卡數(shù)據(jù)的采集并通過有線和無線兩種方式將信息發(fā)送給信息處理平臺，同時承載其它無線基站數(shù)據(jù)信息的中繼轉發(fā)功能。
    (3)標識卡。主要是通過定時向系統(tǒng)發(fā)信號進行注冊，來實現(xiàn)人員的定位。
    (4)RS232／RS485隔離轉換器。此模塊完成RS232總線與RS485總線的轉換，在功能上作為井上信息處理中心與井下無線基站之間的數(shù)據(jù)傳輸通道。
    (5)電源。對無線基站進行供電，將井下非本安高壓交流電轉換成系統(tǒng)所需的本安低壓直流電，并能夠在斷電情況下自動使用蓄電池進行供電，在通電情況下自動給蓄電池進行充電。

2．2 系統(tǒng)的通信組網方式

    目前系統(tǒng)的組網方式其它廠商主要采用的是RS485總線方式，由于采用此方式在一對總線上掛過多的節(jié)點會影響通信距離，因此其網絡節(jié)點數(shù)和通信距離均有限。本項目通信組網方式采用zigbee通信技術。其通信鏈路的建立在鏈路層協(xié)議中已經得到了保證，并且可實現(xiàn)自動組網和通信數(shù)據(jù)的逐級轉發(fā)。數(shù)據(jù)采用突發(fā)沖撞模式帶路由功能，可容納較多的節(jié)點數(shù)。因此當采用信號的全覆蓋方式需較多的節(jié)點數(shù)和中繼功能時，采用zigbee通信方式才能實現(xiàn)。但系統(tǒng)的物理層協(xié)議使用的是2．4G擴頻通信方式，此技術雖然在相同的發(fā)射功率和接收靈敏度的前提下可以傳輸較遠的通信距離，并且抗干擾能力較強，但信號的穿透力和繞射能力不夠，井下環(huán)境復雜，所有區(qū)域不可能均是直線可視的，在一個通信節(jié)點發(fā)生故障時有可能導致一段區(qū)域的通信全部中斷。針對這一問題采取3種方式提高其通信可靠性。

    (1)所有通信節(jié)點要保證能與上下4個節(jié)點進行通信，當任意1 個發(fā)生故障時，可跳過這一節(jié)點與下1個節(jié)點直接通信，目前網絡傳輸模塊通信距離為400～500 In，因此在布置節(jié)點時應在200 In左右布置1個節(jié)點。
    (2)整個系統(tǒng)通信網應該盡量布成一個環(huán)網(按通風回路布置)，當某一段出現(xiàn)塌方，無線信號無法通過時可從另一端繼續(xù)與系統(tǒng)保持通信。
    (3)對于井下采掘區(qū)地形復雜，無線信號無法跨節(jié)點級連和形成通信回路，可利用網絡傳輸模塊的RS485總線與系統(tǒng)相連，提高系統(tǒng)通信的可靠性，當出現(xiàn)塌方時，只要通信電纜未斷，仍可與系統(tǒng)保持通信鏈路的暢通。這可能成為被困人員的救命線。

3 結束語

    基于Zigbee技術的礦井內人員無線定位考勤系統(tǒng)的設計和研究，采用最新的無線通信技術，利用無線基站對每個礦工所持身份卡信號的采集達到人員定位的目的，實現(xiàn)了井下人員的精確定位和考勤，不僅在井下發(fā)生事故時可起到重要作用，而且可用于日常的管理，提供了較多的實用功能，比較適合煤礦企業(yè)的需求，具有較好的市場前景。此系統(tǒng)的研究目前在國內處于領先水平。

來源：RFID中國網