三山岛金矿人机定位系统设计

1、三山岛金矿人机定位系统设计杜富瑞，宋立昌，原英君, 方政，尹贻辉（山东黄金矿业（莱州）有限公司三山岛金矿，山东 莱州 261442）摘要：将无线定位技术引入到井下人机定位系统中来，利用ZigBee、CAN总线、GIS搭建了井下人员及车辆定位平台，介绍了系统组成及相关定位原理。通过有线和无线相结合的方式，采用信号强度检测的方法，实现了人员及车辆的精确定位。在实际工作过程中，系统运行效果良好，取得了良好的经济和社会效益。关键词：定位；ZigBee；CAN总线 The Design Of Location System Of San Shan Dao Gold MineDU Fu rui, SONG

2、 Li chang, YIN Yi hui, FANG Zheng, XU Yi jun(SHANDONG GOLD MINING (LAIZHOU)CO,LTD,SANSHANDAO GOLD MINE,LAI ZHOU SHANDONG 261442)ABSTRACT：This system is designed with wireless location techniques. A platform is set up by ZigBee ,Can bus and GIS techniques , which can be used to locate the staff and v

3、ehicles.The system composition and the location principle are introduced. This system realizes the accurate location of vehicles and staff though wired and wireless techniques. In pratctical applications, the system runs well,which achieved good benefits of economic and social.KEYWORDS：location; Zig

4、Bee ; Can bus0 引言近年来,随着国家对资源需求的不断增加,国家加大了对矿山资源的开采力度,建立一套完整的井下人机定位系统，将为矿山生产安全和提高生产效率带来积极作用。特别是在矿井事故发生时,如能及时掌握井下人员及车辆的分布情况，将具有重要意义。在国外，井下人员车辆的跟踪定位一般是通过红外等无线方式经过泄漏电缆传输到地面，地面的计算机可对收到的数据进行处理， 从而判断井下人员所在的地段。 美国、日本等发达国家的一些矿山已实现了全矿井下人员的跟踪定位， 但这种方式造价非常高，不适合我国国情。在国内，主要基于射频技术（Radio Frequency Identification ,RF

5、ID,俗称电子标签）1-3，目前所使用的井下人员车辆定位系统存在着功能单一、组网能力差、通信距离短、无法实现多个快速移动目标的实时可靠监测的缺点。本文针对井下特殊的工作环境要求，利用ZigBee、CAN总线、GIS搭建了井下人员及车辆定位平台，采用无线和有线相结合的方式，实现了人员与车辆的跟踪定位。该系统具有低功耗、低成本、定位范围宽、易组网、抗干扰能力强、定位数据可靠、误码率和漏检率低等特点。1 ZigBee技术ZigBee是IEEE802.15.4标准的扩展集，IEEE802.15.4工作组主要负责制订物理层及MAC层的协议，ZigBee定义了应用层和安全方面的规范。正式的IEEE802.

6、15.4协议已于2004年上半年发布。ZigBee技术符合行业标准，它提供了互操作性，使不同厂商之间的设备能够进行通信，并为系统集成商和客户提供灵活的购买选择。ZigBee作为一种新型短距离通信技术具有以下特点：(1)在组网性能上，可构造星型网络或者点对点网络，可容纳的最大设备个数为264 个，具备较大的网络容量。(2)在无线通信技术上，采用CSMA-CA方式，有效的避免了载波冲突。(3)抗干扰性能好。由于CDMA经过扩频处理，故抗干扰性能好，此外，为保证传输数据的可靠性，建立了完整的应答通信协议。(4)低功耗，其发射输出为0-3.6dBm，通信距离为30-70m，具有能量检测和链路质量指示能

7、力，根据这些检测结果，设备可自动调整设备的发射功率，在保证通信质量的前提下，尽量降低能量消耗。(5)高安全保密性，ZigBee技术提供了数据完整性检查和鉴全功能，加密算法采用AES-128/64/32，并且在使用过程中可以灵活的确定其安全属性，使网络安全能够得到更有效的保障。采用密钥长度为128位的加密算法，对所传输的数据信息进行加密处理。2 系统构成及定位原理2.1 人机定位系统构成井下人机定位系统是集成了光纤以太网、CAN工业现场总线、Zigbee微功耗无线定位、地理信息系统（ GIS ）、管理信息系统（ MIS ）的综合应用系统。它是将Zigbee无线定位数传技术、CAN工业总线技术、Z

8、igbee无线电子标签技术、地理信系统技术、三维图形技术、管理信息系统技术以及数据库技术等多方面融合在一起的综合信息平台。利用该信息平台可以实现井下人员车辆定位、人员考勤管理及井下生产的自动化、信息化管理。系统采用千兆光纤搭建起来的以太网络（TCP/IP协议）为主干，配以CAN总线通信网络为分支，先进的ZigBee无线网络为增强的3层级树状信息交互网络构架。以千兆光纤以太网为主干的第一级网络，沿主巷道分布，贯穿井上与井下各巷道，搭建起一个沟通井上-井下、井下-井下双向信息平台，为信息的传递铺设一个高速公路。从光纤节点引出的CAN总线通信网络，如同树干上生长出的分支，从主干道延伸至分支巷道，以低

9、廉的成本、优良的适应能力担负起沟通无线定位基站的职责。图1 井下人机定位系统如图1所示，井下人机定位系统主要由人员及车辆跟踪定位、数据传输和上位计算机系统三个部分组成，具体包括矿工定位识别卡、车载定位台、（ZigBee）无线定位及数传网络基站、CAN总线通讯网络和数据库及GIS信息管理平台。2.2 定位原理井下人员随身携带人员定位ZigBee节点，井下工作车辆随车携带ZigBee车载定位节点。在巷道内按照一定的距离（一般为30-50米）安装有ZigBee检测节点，检测过往车辆和人员。以井下工作车辆定位过程为例，阐述其定位过程，井下人员定位原理类似。井下工作车辆随车携带车载定位节点，用于收集车辆

10、本身的数据信息（速度和坐标），并将该信息发送给巷道内的ZigBee检测节点。检测节点按照一定的周期不断的广播消息，消息里面包含本身的ID和自己的坐标信息。处于监听状态的车载定位节点，实时的接收检测检点的消息。根据无线定位知识4,车载节点只需要收到三个以上节点发送的信息，车载节点就可以计算出自己的坐标与行驶速度。计算完毕后，车载节点将坐标和速度消息传递给附近的检测节点。检测节点通过千兆光纤上传至井下控制中心和井上监控中心。监控中心计算机将收到的信息根据系统的相关信息，综合处理后显示在屏幕上，同时保存到数据库中，以备随时查阅。通过以太网连接到监控管理中心的各种终端客户机都可以通过浏览器来访问信息中

11、心中保存的人员和车辆的定位信息。3 系统功能、特点(1)定位。实时查询，监控中心大屏幕实时显示下井人员情况：总人数、分布位置。(2)查询。跟踪查询，监控中心可以对某一个人自入井开始到升井全过程进行实时查询，以便考核该工作人员的工作情况。如图2所示。在特定情况下，可以查询某一工作人员的最后位置，以便搜寻救援。在发生紧急情况下，可以迅速统计出井下被困人员的数量、分布位置，方面组织救援。图2 人员轨迹查询(3)考勤。系统可以方面的统计出一个阶段内人员下井次数、下井时间，方便考勤管理。如图3所示.图3 人员考勤查询(4)联网。通过建立WEB服务器，可以用浏览网页的方式实现信息共享。同时，上级监管部门可

12、以通过Internet连接至监控中心，远程监控井下工作情况，有效防止违章操作5。4 结 语本文设计了科学实用的井下人员与车辆跟踪定位系统，该系统采用有线与无线相结合的方式，实现了人员与车辆的精确定位。在矿井发生突变或紧急情况时，还可使井下作业人员在最短时间内收到紧急警报。及时采取应急措施或迅速撤离现场，最大限度地减少伤亡，保障井下人员的安全。在日常作业中，借助该系统可实现人员调度、生产指挥的直观化以及考勤与管理的远程自动化和数字化。该系统充分体现出有利于矿山安全急救和提高生产效率的优点。是一种先进实用的井下人员跟踪定位系统。5 参考文献1柯建华,魏学业.基于RFID与CAN的煤矿井下人员定位系统研究J.煤炭工程,2006(11):104-106.2曾伟，李晓刚，郑确，等.KJ208井下人员定位跟踪管理系统的设计与实现J.煤矿安全,2006(11):47-493王宇,刘勇.盘江矿区煤矿井下人员定位系统设计初探J.贵州工