薛宗杰
1.中煤科工集团重庆研究院有限公司重庆400039；
2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室重庆400039
摘要：煤矿开采井下作业环境复杂，无法做到预防一切突发情况，煤矿生产事故时有发生。面对突发情况，井下工作人员的通信和定位，是生命线的最后一道屏障。Zigbee技术有效克服了传统通信定位技术存在的传输可靠性差、功耗高、定位不精准的弊端，为煤矿产业安全生产提供了有力保障。本文对基于Zigbee技术的煤矿井下人员定位系统的设计与实现进行探析。
关键词：ZigBee技术；煤矿井下；人员定位系统；设计与实现
1基于ZigBee井下人员定位的意义
井下人员定位系统是煤矿安全生产中优先建设的重要系统之一，是井上人员掌握井下人员具体工作状态和工作位置的重要手段之一，同时也能提供精准的人员定位数据，为矿井灾害事前预警和灾后人员救援顺利进行提供保障。常见的煤矿井下定位系统主要是基于ＲFID技术的，该技术定位精度不高，大概10m左右，实现不了井上人员对井下工作人员的精准定位，漏检现象时有发生，定位成功率不高，同时功率消耗较大，难以较长时间持续工作。GPS、CDMA、GSM等定位技术则受制于信号覆盖和经济成本，很难应用在煤矿。而ZigBee作为一种能量消耗低、较底的使用成本、大容量网络、节点自组织性能优越、信号抗干扰能力强的无线通信技术，恰恰决定了它在以人员识别和位置探测为基础的井下人员定位系统应用中有其独特的优势。本文采用ZigBee技术实现井下人员定位，无线覆盖范围广，具有自恢复功能，实现了井下人员的3m高精度定位，ZigBee无线通信技术具有特殊的碰撞避免策略和灵活的随机算法可以保证不漏检，可以作为人员定位系统被采用。
2煤矿井下人员定位系统的组成
煤矿井下人员定位系统主要借助了无线通信技术，这种技术具有距离近、简单化、高效率、高速率、低成本的无限通信技术，而且这种技术是双向的，能够支持250kbit/s的信息输送速度，并且采用全球频段来进行通信，从而达到“一对多”的组网方式。井下人员定位系统需要完成的任务是：利用井下的人员定位网络，采集井下工作人员的信号强度，确定人员的位置信息，将人员的位置信息进行编码计算处理后，通过传输基站传输给地面的控制中心．控制中心将人员的位置信息和预存的矿井地理信息进行综合，显示人员所在矿井的具体位置，人员定位系统的结构如图1所示。
由于无线通信技术的可行性较高、组网较为简单，且灵活度高，其形成的无线网络模块，煤矿井下人员定位系统针对井上与井下两个层面，分为地面系统与井下系统两个方面。其中井下系统是在所有煤矿巷道和工作人员可能经过的场所安置的通信节点，同时在煤矿井下的所有人员安全帽中接入无线通信芯片，作为移动的节点。恰恰就是这些移动节点发挥了作用，它们能够将工作人员的位置信息通过固定节点发送到地面监控中心，从而实现了对煤矿井下人员的实时定位。而地面系统是对整个通信系统进行管理，在地面监控中心能够准确定位人员，并且在显示屏上可以在分布示意图上任意点某一点，便能够把该区域中工作人员的具体位置进行统计和显示。如果在煤矿井下发生了安全事故，那么地面系统便能够立马查到事故发生的人员情况。从而快速营救煤矿井下受困的人员。
3定位算法及软件功能
3.1定位算法
本设计的定位算法采用热点簇中心定位算法，利用固定阵列分布的参考节点监测移动节点发出信号的接收的信号强度指示值，将测量值返回到参考节点。建立参考节点数值查询库，用于储存其信号覆盖范围内所有与移动节电通信的信号接收的信号强度指示值，当建立完成参考节点查询库后，利用这个该查询库产生参考节电通信信号的接收的信号强度指示值分布图。当移动节点需要定位时，由定位区域中的多个参考节电之间互相通信，就可以生成定位区域中有信号的移动节电的接收的信号强度指示值分布图，并由此利用本算法进行定位计算，算法如下图所示。
3.2软件功能
（1）监测功能，也就是系统能够准确识别人员进入井下和出井的时间、区域等。（2）实时了解，可以直接查询煤矿井下人员的具体动态分布以及数量分布，并且了解煤矿井下人员指定时间的活动区域。（3）数据化，也就是能够将煤矿井下人员的各种信息进行统计与分类，比如煤矿井下人员的个人信息、考情状况、上井与下井时刻、活动区域等等都会汇总成为统计表格，从而实现数据化。（4）还能够将各种数据信息进行备份，通过后台的管理与控制，能够对煤矿井下人员的具体数据信息进行必要的备份，
以防不时之需，便于日后的查询。另外，就是能够为抢险救灾提供必要的系统支持，若煤矿井下发生了突发事故，通过煤矿井下人员定位系统能够快速掌握井下的情况，确定煤矿井下事故的位置、被困人数、人员身份等等，从而为有效营救提供了决策数据，这极大地提高了煤矿作业的安全性和可靠性。
4Zigbee定位系统测试
系统测试可以选择较为简单的环境，例如，办公楼办公室或者仓库，以便于设备的安装和调试。开始测试前，工作人员要录取实验人员的基本信息，检查电源线是否正确连接并且接通电源，并按照要求正确安装设备，依据Zigbee系统组成依次设定好地面控制中心、传输基站、定位分站等。所有设备准确接入系统后再次检查各个通信线路信息传输途径是否准确连接。工作人员在地面控制中心利用相关软件对整个定位系统中各个部分进行初始化配置，保证系统正常运作。测试开始，进行固定节点定位测试，检查系统中是否存在运行故障。首先控制标识卡依次出现在各个定位分站，重复多次，观察控制中心能否准确显示标示卡的定位信息，核查定位系统在标识卡出现“群入”时的工作性能。进一步检查标识卡信号发射是否稳定，并继续调整信号接收装置到最佳状态，进入下一轮实验。安排已录入基本信息的人员携带标识卡在实验区域走动，观察并记录定位系统工作情况。依据实验所得的结果判定Zigbee系统运行状况，事实证明该系统可以准确、高效地实时定位标示卡。
5结语
基于无线通信技术的煤矿井下人员定位系统，能够更好地提高煤矿井下人员定位系统的准确度，不断地将定位的区域扩大，尽可能缩小定位误差，而且还能够对煤矿井下的人员进行实时的定位，观测煤矿井下工作人员的具体情况，有利于调度工作、考勤工作的顺利开展，更重要的是，煤矿井下人员定位系统能够为煤矿井下的抢险救灾提供系统支持，从而更好地保证了煤矿井下人员的安全。
参考文献
[1]井下人员定位系统数据库设计及优化[J].张吉同，冯梦清.电脑知识与技术.2016（18）
[2]无线传感器网络非测距定位算法研究[D].周奥.重庆理工大学2015
作者简介
薛宗杰（1981—），男，山东临沂人，大学本科，工程师，主要从事煤矿监控产品测试开发以及煤矿产品可靠性测试