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摘要：我国煤炭储藏丰富的同时也是矿井安全事故高发地区，造成的重大、特大安全事故造成人员伤亡和经济损失，现有的煤炭安全监控系统已经无法满足矿工安全生产的显示需求。本文依靠ZigBee网络技术构建一个井下人员跟踪定位系统，集无线通信、数据采集和信息处理于一体的无线传感网络，系统将有效的提高煤矿安全生产监控和管理水平。
关键字：ZigBee；矿下；定位分站；基准定位器、移动定位终端
1前言
能源工业是我国经济发展过程中的重要支柱产业，煤炭在国民能源消费中占有巨大比例。根据最新统计数据，我国目前探查的煤炭储量接近1900亿吨，居世界第一位。另一方面，由于我国矿藏地质构造复杂，煤炭在开采过程中暴露出的安全问题较多，加之自然灾害频发，造成我国个别地区重大、特大事故频有发生。随着国家对煤炭安全生产工作的持续关注，根据最新的统计结果，近10年中我国矿难中死亡人有所下降，中国煤矿百万吨年均死亡率为1.183，相较于美国等发达地区的0.034仍有很大差距。目前，94%以上的矿井是井工矿，国内煤矿的平均开采深度为457米，最深处达1382米[1]。随着我国经济发展过程中对煤炭生产和消费结构倚重加深，不断加强灾害预防和事故救助等措施已经成为当务之急。目前我国已经全面进入工业4.0时代，随着我国信息化程度的普遍提高，如何利用信息化的手段与现代工业结合，解决工业生产和安全方面的实际问题称谓相关研究机构的重要课题。因此，本文使用无限通信技术，建立以无线传感器网络为基础的井下人员跟踪定位系统，满足煤矿安全生产和现代化管理的需求对于改善煤矿安全生产具有极大的现实和理论价值。
2无线远程定位技术比较
目前，市场上主流四种无线通信技术的传输方式比较结果如下：
Bluetooth无线自1988年诞生之日起就受到通信行业的广泛关注，因传输率较快得到关注，但受到电池寿命短，物理范围小、系统开销大等特点限制了这项技术在更多领域中的应用，目前Bluetooth技术在手机短距离无线通信领域中得到推广。
Wi-Fi（Wireless Fidelity）是一种11Mbps的无线标准，工作在2.4GHz频段，当射频情况变差时，可将数据传输速率降到5.5Mbps、2Mbps和1Mbps，支持范围是在室外300m，室内最长100m，因此只适用于小型办公环境。
IrDA（Infrared Data Association）是一中基于红外线的点对点通信技术，在物理范围上是定向1m，因此很难用来组建无线网络。
ZigBee是一种低功耗、低数据速率、低成本的无线通信技术，传输的有效物理范围在10-75m，并且网络结构简单、成本低廉，具有较强的吞吐量。因此，采用“接力”的方式通过无线传感器进行首尾相连构造井下无线网络是最佳选择。
3基于ZigBee技术的矿井人员定位系统
矿井人员定位系统的建立离不开稳定可靠的硬件支持，本系统分为井上设备和井下设备两个组成部分，本文重点介绍井下设备的组成和特点。井上设备包括位于生产监控调度中心的数据传输接口、数据处理服务器、数据库服务器、系统维护终端和客户终端等设备。数据传输接口主要负责转发井下设备和地面主机之间传输的数据。
井下设备包括定位分站、基准定位器、移动定位终端三部分组成了ZigBee井下人员网络定位系统。定位分站作为整个定位系统的数据传输总节点，也是无线网与有线网间的交互接口负责整个网络的创建、维护和更新。基准定位器作为真个定位系统的，不但可获取井下的移动定位终端ID、RSSI等信号并解析后传送给定位分站在井下充当了实际坐标，移动定位终端的定位坐标正是依据该设备与RSSI值计算出来的。基准定位器使用普通或功率增强型ZigBee模块，在井下作业时根据实际情况调整，无线传输距离可达50至200米，基准定位器之间距离配置距离为50至100米。移动定位终端是构成ZigBee网络的重要设备，其定时向定位分站发送包含ID信息的数据包，同时查询是否有监控向它发送数据包[3]。
本文设计的基于ZigBee技术的矿井人员定位系统的基本原理是先在井下巷道固定位置预先安装分布无线定位分站，基站的物理位置在井下矿道结构图中标识后输入到计算机中存储；矿工随身携带无线移动定位终端下井工作，此移动定位终端会定时向井下的固定基站发射信号，定位分站通过解析信号即可主动定位井下矿工位置。单一基站在同一时间将接到多个无线移动定位终端发射的信号，并且不同定位分站在同一时间将接到同一个无线移动定位终端发射的信号，在位置的判断和定位过程中凭借RSSI定位算法进行解析[4]。定位分站与无线移动定位终端的通信过程凭借私有协议，将得到的相对位置信号相融合，实时更新即可得到每个移动定位终端在井下的确切位置信息，这就是矿井人员定位系统的基本原理。
4结语
本文选择ZigBee技术构建了一个井下人员跟踪定位系统，分别描述了系统中井上和井下的必要组成设备。系统结合数据处理RSSI定位算法和PC端人机交互界面，可以实时显示矿工井下的分布和运动情况，系统设计采用的无线传感器网络设备价格低廉、便于安装，使得定位系统可以延伸到有线网络不方便布线的地方，实现了系统的全矿井覆盖。
参考文献：
[1]杜小文.面向大坝安全检测的无线传感器网络设计[D].大连：大连理工大学，2009.12：1-3.
[2]段渭军，王建刚，王福豹.无线传感器网络节点定位系统与算法的研究和发展[J].信息与控制，2006，35（2）：239-245.
[3]俞海.基于ZigBee技术的矿井人员定位系统研究与设计[D].合肥：合肥工业大学，2014.
[4]谢晓佳，程丽君，王勇.基于ZigBee网络平台的井下人员跟踪定位系统[J].煤炭学报，2012，32（8）：884-888.
关键字：ZigBee；矿下；定位分站；基准定位器、移动定位终端
1前言
能源工业是我国经济发展过程中的重要支柱产业，煤炭在国民能源消费中占有巨大比例。根据最新统计数据，我国目前探查的煤炭储量接近1900亿吨，居世界第一位。另一方面，由于我国矿藏地质构造复杂，煤炭在开采过程中暴露出的安全问题较多，加之自然灾害频发，造成我国个别地区重大、特大事故频有发生。随着国家对煤炭安全生产工作的持续关注，根据最新的统计结果，近10年中我国矿难中死亡人有所下降，中国煤矿百万吨年均死亡率为1.183，相较于美国等发达地区的0.034仍有很大差距。目前，94%以上的矿井是井工矿，国内煤矿的平均开采深度为457米，最深处达1382米[1]。随着我国经济发展过程中对煤炭生产和消费结构倚重加深，不断加强灾害预防和事故救助等措施已经成为当务之急。目前我国已经全面进入工业4.0时代，随着我国信息化程度的普遍提高，如何利用信息化的手段与现代工业结合，解决工业生产和安全方面的实际问题称谓相关研究机构的重要课题。因此，本文使用无限通信技术，建立以无线传感器网络为基础的井下人员跟踪定位系统，满足煤矿安全生产和现代化管理的需求对于改善煤矿安全生产具有极大的现实和理论价值。
2无线远程定位技术比较
目前，市场上主流四种无线通信技术的传输方式比较结果如下：
Bluetooth无线自1988年诞生之日起就受到通信行业的广泛关注，因传输率较快得到关注，但受到电池寿命短，物理范围小、系统开销大等特点限制了这项技术在更多领域中的应用，目前Bluetooth技术在手机短距离无线通信领域中得到推广。
Wi-Fi（Wireless Fidelity）是一种11Mbps的无线标准，工作在2.4GHz频段，当射频情况变差时，可将数据传输速率降到5.5Mbps、2Mbps和1Mbps，支持范围是在室外300m，室内最长100m，因此只适用于小型办公环境。
IrDA（Infrared Data Association）是一中基于红外线的点对点通信技术，在物理范围上是定向1m，因此很难用来组建无线网络。
ZigBee是一种低功耗、低数据速率、低成本的无线通信技术，传输的有效物理范围在10-75m，并且网络结构简单、成本低廉，具有较强的吞吐量。因此，采用“接力”的方式通过无线传感器进行首尾相连构造井下无线网络是最佳选择。
3基于ZigBee技术的矿井人员定位系统
矿井人员定位系统的建立离不开稳定可靠的硬件支持，本系统分为井上设备和井下设备两个组成部分，本文重点介绍井下设备的组成和特点。井上设备包括位于生产监控调度中心的数据传输接口、数据处理服务器、数据库服务器、系统维护终端和客户终端等设备。数据传输接口主要负责转发井下设备和地面主机之间传输的数据。
井下设备包括定位分站、基准定位器、移动定位终端三部分组成了ZigBee井下人员网络定位系统。定位分站作为整个定位系统的数据传输总节点，也是无线网与有线网间的交互接口负责整个网络的创建、维护和更新。基准定位器作为真个定位系统的，不但可获取井下的移动定位终端ID、RSSI等信号并解析后传送给定位分站在井下充当了实际坐标，移动定位终端的定位坐标正是依据该设备与RSSI值计算出来的。基准定位器使用普通或功率增强型ZigBee模块，在井下作业时根据实际情况调整，无线传输距离可达50至200米，基准定位器之间距离配置距离为50至100米。移动定位终端是构成ZigBee网络的重要设备，其定时向定位分站发送包含ID信息的数据包，同时查询是否有监控向它发送数据包[3]。
本文设计的基于ZigBee技术的矿井人员定位系统的基本原理是先在井下巷道固定位置预先安装分布无线定位分站，基站的物理位置在井下矿道结构图中标识后输入到计算机中存储；矿工随身携带无线移动定位终端下井工作，此移动定位终端会定时向井下的固定基站发射信号，定位分站通过解析信号即可主动定位井下矿工位置。单一基站在同一时间将接到多个无线移动定位终端发射的信号，并且不同定位分站在同一时间将接到同一个无线移动定位终端发射的信号，在位置的判断和定位过程中凭借RSSI定位算法进行解析[4]。定位分站与无线移动定位终端的通信过程凭借私有协议，将得到的相对位置信号相融合，实时更新即可得到每个移动定位终端在井下的确切位置信息，这就是矿井人员定位系统的基本原理。
4结语
本文选择ZigBee技术构建了一个井下人员跟踪定位系统，分别描述了系统中井上和井下的必要组成设备。系统结合数据处理RSSI定位算法和PC端人机交互界面，可以实时显示矿工井下的分布和运动情况，系统设计采用的无线传感器网络设备价格低廉、便于安装，使得定位系统可以延伸到有线网络不方便布线的地方，实现了系统的全矿井覆盖。
参考文献：
[1]杜小文.面向大坝安全检测的无线传感器网络设计[D].大连：大连理工大学，2009.12：1-3.
[2]段渭军，王建刚，王福豹.无线传感器网络节点定位系统与算法的研究和发展[J].信息与控制，2006，35（2）：239-245.
[3]俞海.基于ZigBee技术的矿井人员定位系统研究与设计[D].合肥：合肥工业大学，2014.
[4]谢晓佳，程丽君，王勇.基于ZigBee网络平台的井下人员跟踪定位系统[J].煤炭学报，2012，32（8）：884-888.