基于ZigBee技术的井下机车定位系统的研究

吴辉

摘 要：无线通信在工业中已经得到了广泛的应用，主要使用在地形复杂且动态性能要求较高的通信需求场合。在矿井生产中，井下机车的定位一直是自动化监控领域研究的热点。文章研究了无线通信网络的特点，并提出采用ZigBee技术构建自动化井下机车定位系统，并通过RFID（射频识别）实现机车身份识别的设计方案，有效提高了机车定位的准确度和实时性，具有一定的应用价值。

关键词：矿井；RFID；ZigBee；机车定位

1 概述

近年来，井下安全事故时有发生，严重威胁到了井下工作人员的生命安全，快速准确的定位技术可以有效提高井下生产的安全等级，在事故发生时也能在第一时间将井下的人员和车辆的分布情况通知地面；另一方面，随着井下工作面的不断延伸，机车的运行控制也越来越复杂，如何更有效地对井下机车进行实时定位与监管，已经成为自动化监控领域和煤矿安全领域研究的重点。本设计的主要目标是通过ZigBee技术构建井下无线通信网络，在配合RFID技术实现动态的机车实时定位，以加强井下机车运行的监控力度。

2 ZigBee技术介绍

ZigBee是一款基于IEEE 802.15.4协议的无线通讯技术，它的特点是传输距离较短、传输带宽较小、成本开销低廉、结构简单、低功耗，并支持全双工通信。

ZigBee技术广泛的应用在工业控制、智能家居、森林安防、水文勘探等实时性要求较高、传输带宽要求较小的无线通信场合，尤其在工矿企业中更为常见，由于工业中传输的指令和信号相对简单，并不需要太高的传输带宽，而对数据传输的实时性、可靠性和能耗有着较高的要求，这正是ZigBee网络的优势所在。

依据表1可以看出，在几种无线技术当中，ZigBee的最大优势就在于低功耗、低成本，在保证传输带宽可以满足控制信号传输需求的前提下，ZigBee网络可以极大地延长无线网络的生存周期，这对于井下环境复杂，供电受到严格限制的特点而言是非常合适的。同时ZigBee网络的安装也非常方便，只需要在井下每隔一段距离设置固定节点即可，甚至可以利用原有已铺设好的网络来减少工作量，压缩安装成本。因此，在本系统中，没有选择其他传输带宽更好，但成本或使用条件也更苛刻的无线通信技术，而是选用了ZigBee来完成无线网络的组网工作。

3 本系统的信号传输机制

本系统在信号传输和处理上分为两种模式，即地面模式和井下模式。

3.1 地面模式

该模式主要处理传输过来的数据，通过快速的汇总、解析和计算，在最短的时间内得出结果，向管理者递交。在地面模式下，将不再采用ZigBee无线网络来完成传输，因为此时ZigBee网络的低传输速率可能会影响系统的响应速度，且地面环境相对简单稳定，更宜铺设通信质量更高的有线网络（如工业上常用的CAN总线网络或者工业以太网）。如果矿区本身已经建立的类似的网络，也应当尽可能地充分利用，以压缩成本。地面设备有网络监控中心、用于机车定位的管理软件以及报警装置等。

3.2 井下模式

该模式下，系统主要采用ZigBee无线网络来完成组网工作，一是在固定位置（相隔50-100m）设置通信节点和传感器节点，以扑捉机车通过的信息，实现固定点的定位。这些固定通信节点又分为路由节点和接入节点。路由节点工作在网络层，通过相关协议组成网络， 而接入节点则用来与有线网络连接，通过自动读取移动目标的识别信息来确定位置。另一方面，在矿井机车上安装RFID通信模块，可提供动态的识别信号，即定位节点。

4 本系统的机车动态定位原理

如上所述，井下车辆安装有RFID通信模块，根据不同频率进行识别，此射频信号发送给离机车最近的通信节点，该节点将车辆识别信号的编码和自身的静态地址相组合，再不断向后转发，直至传输至数据中心，然后由上位机进行大量数据的分析处理，并将结果展现给管理员，使其及时掌握井下状况。同时，根据不同的频率可由分析软件在屏幕上显示具体的车辆名称编号，管理者还可以随之呼叫和控制其中某一辆选定的机车。每辆车有紧急情况也可呼救井上管理中心，这种双向交互式通信对于井下复杂的工作环境而言起到了良好的保障作用。系统示例按图1所示。

5 结束语

本设计将无线传感器网络应用于矿井机车定位系统，利用ZigBee通讯技术功耗低、成本低、实时性高的特点，完成了井下通讯节点到地面监控服务器的数据传输，从而完成了地面控制中心对井下机车的远程监控，同时利用RFID提高了该系统的动态性能，实现了更有效地对井下车辆的调度与分配，加强了管理力度，提高了工作效率。随着煤矿企业智能化开采程度的提高，该系统有着越来越广泛的使用前景。

参考文献

[1]袁尚达.无线网络控制系统仿真研究及性能分析[D].南京：南京理工大学，2012.

[2]原羿，苏鸿根.基于ZigBee技术的无线网络研究[J].计算机应用与软件，2004.