基于ZigBee技術的井下機車定位系統(tǒng)的研究

吳輝

摘 要：無線通信在工業(yè)中已經(jīng)得到了廣泛的應用，主要使用在地形復雜且動態(tài)性能要求較高的通信需求場合。在礦井生產(chǎn)中，井下機車的定位一直是自動化監(jiān)控領域研究的熱點。文章研究了無線通信網(wǎng)絡的特點，并提出采用ZigBee技術構建自動化井下機車定位系統(tǒng)，并通過RFID（射頻識別）實現(xiàn)機車身份識別的設計方案，有效提高了機車定位的準確度和實時性，具有一定的應用價值。

關鍵詞：礦井；RFID；ZigBee；機車定位

1 概述

近年來，井下安全事故時有發(fā)生，嚴重威脅到了井下工作人員的生命安全，快速準確的定位技術可以有效提高井下生產(chǎn)的安全等級，在事故發(fā)生時也能在第一時間將井下的人員和車輛的分布情況通知地面；另一方面，隨著井下工作面的不斷延伸，機車的運行控制也越來越復雜，如何更有效地對井下機車進行實時定位與監(jiān)管，已經(jīng)成為自動化監(jiān)控領域和煤礦安全領域研究的重點。本設計的主要目標是通過ZigBee技術構建井下無線通信網(wǎng)絡，在配合RFID技術實現(xiàn)動態(tài)的機車實時定位，以加強井下機車運行的監(jiān)控力度。

2 ZigBee技術介紹

ZigBee是一款基于IEEE 802.15.4協(xié)議的無線通訊技術，它的特點是傳輸距離較短、傳輸帶寬較小、成本開銷低廉、結構簡單、低功耗，并支持全雙工通信。

ZigBee技術廣泛的應用在工業(yè)控制、智能家居、森林安防、水文勘探等實時性要求較高、傳輸帶寬要求較小的無線通信場合，尤其在工礦企業(yè)中更為常見，由于工業(yè)中傳輸?shù)闹噶詈托盘栂鄬唵危⒉恍枰叩膫鬏攷?，而對?shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、可靠性和能耗有著較高的要求，這正是ZigBee網(wǎng)絡的優(yōu)勢所在。

依據(jù)表1可以看出，在幾種無線技術當中，ZigBee的最大優(yōu)勢就在于低功耗、低成本，在保證傳輸帶寬可以滿足控制信號傳輸需求的前提下，ZigBee網(wǎng)絡可以極大地延長無線網(wǎng)絡的生存周期，這對于井下環(huán)境復雜，供電受到嚴格限制的特點而言是非常合適的。同時ZigBee網(wǎng)絡的安裝也非常方便，只需要在井下每隔一段距離設置固定節(jié)點即可，甚至可以利用原有已鋪設好的網(wǎng)絡來減少工作量，壓縮安裝成本。因此，在本系統(tǒng)中，沒有選擇其他傳輸帶寬更好，但成本或使用條件也更苛刻的無線通信技術，而是選用了ZigBee來完成無線網(wǎng)絡的組網(wǎng)工作。

3 本系統(tǒng)的信號傳輸機制

本系統(tǒng)在信號傳輸和處理上分為兩種模式，即地面模式和井下模式。

3.1 地面模式

該模式主要處理傳輸過來的數(shù)據(jù)，通過快速的匯總、解析和計算，在最短的時間內(nèi)得出結果，向管理者遞交。在地面模式下，將不再采用ZigBee無線網(wǎng)絡來完成傳輸，因為此時ZigBee網(wǎng)絡的低傳輸速率可能會影響系統(tǒng)的響應速度，且地面環(huán)境相對簡單穩(wěn)定，更宜鋪設通信質(zhì)量更高的有線網(wǎng)絡（如工業(yè)上常用的CAN總線網(wǎng)絡或者工業(yè)以太網(wǎng)）。如果礦區(qū)本身已經(jīng)建立的類似的網(wǎng)絡，也應當盡可能地充分利用，以壓縮成本。地面設備有網(wǎng)絡監(jiān)控中心、用于機車定位的管理軟件以及報警裝置等。

3.2 井下模式

該模式下，系統(tǒng)主要采用ZigBee無線網(wǎng)絡來完成組網(wǎng)工作，一是在固定位置（相隔50-100m）設置通信節(jié)點和傳感器節(jié)點，以撲捉機車通過的信息，實現(xiàn)固定點的定位。這些固定通信節(jié)點又分為路由節(jié)點和接入節(jié)點。路由節(jié)點工作在網(wǎng)絡層，通過相關協(xié)議組成網(wǎng)絡， 而接入節(jié)點則用來與有線網(wǎng)絡連接，通過自動讀取移動目標的識別信息來確定位置。另一方面，在礦井機車上安裝RFID通信模塊，可提供動態(tài)的識別信號，即定位節(jié)點。

4 本系統(tǒng)的機車動態(tài)定位原理

如上所述，井下車輛安裝有RFID通信模塊，根據(jù)不同頻率進行識別，此射頻信號發(fā)送給離機車最近的通信節(jié)點，該節(jié)點將車輛識別信號的編碼和自身的靜態(tài)地址相組合，再不斷向后轉發(fā)，直至傳輸至數(shù)據(jù)中心，然后由上位機進行大量數(shù)據(jù)的分析處理，并將結果展現(xiàn)給管理員，使其及時掌握井下狀況。同時，根據(jù)不同的頻率可由分析軟件在屏幕上顯示具體的車輛名稱編號，管理者還可以隨之呼叫和控制其中某一輛選定的機車。每輛車有緊急情況也可呼救井上管理中心，這種雙向交互式通信對于井下復雜的工作環(huán)境而言起到了良好的保障作用。系統(tǒng)示例按圖1所示。

5 結束語

本設計將無線傳感器網(wǎng)絡應用于礦井機車定位系統(tǒng)，利用ZigBee通訊技術功耗低、成本低、實時性高的特點，完成了井下通訊節(jié)點到地面監(jiān)控服務器的數(shù)據(jù)傳輸，從而完成了地面控制中心對井下機車的遠程監(jiān)控，同時利用RFID提高了該系統(tǒng)的動態(tài)性能，實現(xiàn)了更有效地對井下車輛的調(diào)度與分配，加強了管理力度，提高了工作效率。隨著煤礦企業(yè)智能化開采程度的提高，該系統(tǒng)有著越來越廣泛的使用前景。

參考文獻

[1]袁尚達.無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)仿真研究及性能分析[D].南京：南京理工大學，2012.

[2]原羿，蘇鴻根.基于ZigBee技術的無線網(wǎng)絡研究[J].計算機應用與軟件，2004.