基於ZigBee技術的煤礦人員定位與管理系統的製作方法
2023-09-12 03:12:45 1
專利名稱：基於ZigBee技術的煤礦人員定位與管理系統的製作方法
技術領域：
基於ZigBee技術的煤礦人員定位與管理系統技術領域[0001]本發明的目的在於提出一種基於ZigBee技術的煤礦人員定位與管理系統，提高 煤礦管理人員以及上層監管部門對煤礦運行情況的實時監管能力，並在事故發生後為救援 人員提供強有力的信息保障和支持。
背景技術：
[0002]近年來，國家對煤炭的需求日益高速增長，煤炭工業也隨之得到很大發展，但是煤 礦重大、特大事故時有發生，仍未實現對災害事故的有效控制。由於煤礦工業的特殊性，目 前普遍存在下井人員管理困難，井上人員難以及時掌握井下人員的動態分布及作業情況， 一旦事故發生，井上人員缺乏可靠的井下信息，搶險救災、安全救護的效率低下，效果不理 想，為此，一套先進可靠的人員定位系統是非常重要的。當事故發生後，能夠準確判定井下 生產作業人員的受困位置、遇險人員撤退路線、井下的環境監測情況等，為救援人員制定救 援方案提供有力的信息保障。[0003]目前市面上存在著一些人員定位系統，不足主要如下[0004]( I)井下人員的跟蹤，標示卡基本上採用的是RFID。這種方法是在礦井井口處， 或其它一些井下關鍵通道口，使用射頻卡(RFID)讀取的方法對下井人員進行記錄跟蹤的方 法。這種標識卡存在以下問題有效工作時間短；高速條件下定位人員漏檢率較高，射頻卡 讀卡速度十分有限，不能處理多人同時快速通過讀卡系統的情況(例如乘車下井等)，會出 現漏讀的現象；通信方式要求較高的信噪比，抗幹擾能力差，而井下環境條件十分複雜，幹 擾因素無處不在，特別是最關鍵的採掘工作面；讀寫距離有限，標示卡的方向位置和讀寫器 天線的方向的匹配有一定的要求，系統的靈活性大受限制。[0005]( 2 )單向信息傳輸，信息傳輸速率低。早期的人員定位系統信息傳輸的方向都是由 標識卡到主站方向的，作為保證礦工安全的系統確沒有辦法向井下發送信息，使該類系統 所能發揮的作用大打折扣。人員定位系統信息傳輸數據較低影響了系統的實時性。[0006](3)井下控制網或總線傳輸速率低、傳輸距離短、通信不可靠、誤碼率高，常常出現 一個節點損壞導致整個系統癱瘓的情況。發明內容[0007]本發明的目的在於提出一種煤礦人員定位與管理系統，提高煤礦管理人員以及上 層監管部門對煤礦運行情況的實時監管能力，並在事故發生後為救援人員提供強有力的信 息保障和支持。[0008]實現目的的技術解決方案具體如下一種基於ZigBee技術的煤礦人員定位與管 理系統，利用ZigBee定位技術對煤礦工作人員進行定位跟蹤並管理，包括井下人員定位網 絡、地面控制中心網絡、與企業內部區域網之間的接口、與煤礦安全監管部門網絡之間的接 口、數據採集處理模塊、查詢管理模塊、無線標識卡和無線定位基站；地面控制中心網絡與 井下人員定位網絡之間採用光纖乙太網連接；地面控制中心網絡使用防火牆將網絡分隔，對內提供乙太網服務，對外提供與企業內部區域網之間的接口以及與煤礦安全監管部門網 絡之間的接口 ；網絡控制器與無線定位基站之間採用LonWorks控制總線進行連接構成井 下人員定位網絡；乙太網和LonWorks控制總線的信息交換由網絡控制器中的1. LON伺服器 實現；當攜帶有標識卡的人員通過無線定位基站的工作範圍時，標識卡主動向無線定位基 站發送人員編碼信息，無線定位基站在收到標識卡發送的信息後將信息通過LonWorks控 制總線傳送給網絡控制器，網絡控制器再通過乙太網將數據發送給地面控制中心網絡，地 面控制中心網絡收集處理信息後實時顯示給管理人員。[0009]本發明與現有技術相比，其顯著優點(I)採用無線標識卡有效工作時間長，能處 理多人同時快速通過讀卡系統的情況；(2)雙向信息傳輸，信息傳輸速率較高。提高了系統 的實時性。(3)提高了井下控制網和總線的傳輸速率。
[0010]圖1是系統網絡結構圖。[0011]圖2是網絡控制器原理框圖。[0012]圖3是基站組成原理框圖。[0013]圖4是標識卡組成原理框圖。
具體實施方式
[0014]本發明系統主要用於井下人員和機車定位跟蹤。在使用中，在井下的主入井通道、 各採區入口等人員可能經過的通道中安裝無線定位基站，並且通過網絡布線與地面控制中 心的計算機進行聯網。當攜帶定位標識卡的人員或機車經過井下巷道內安裝的基站時，基 站獲取人員或機車攜帶的標籤信息，並自動採集該人員經過的時間、地點信息，並傳送到地 面的管理資料庫。地面中心站處理來自井下定位基站上的編碼信號，實現對井下人員和機 車跟蹤定位信息的採集、分析處理、實時顯示、歷史數據存儲報表、查詢列印等功能，並同時 顯示在控制中心的監視器上，使管理人員能及時準確地查詢、觀察各種信息，方便管理人員 對井下人員進行管理和設備的調度。同時，一旦井下發生事故，可根據電腦中的人員分布信 息馬上得出事故地點的人員分布情況，以便幫助營救人員快速準確地實施營救。[0015]本發明利用ZigBee定位技術對煤礦工作人員進行定位跟蹤並管理，其包括三大 功能模塊系統網絡模塊1，地面監測模塊2，井下定位設備模塊3。系統網絡模塊I包括井 下人員定位網絡11、地面控制中心網絡12、與企業內部區域網之間的接口 13以及與煤礦安 全監管部門網絡之間的接口 14 ;地面監測模塊2包括數據採集處理模塊21、查詢管理模塊22;井下定位設備模塊3包括無線標識卡31、無線定位基站32 ;地面監控模塊2與井下人員 定位網絡11之間採用IOOM光纖乙太網連接；井下人員定位網絡11中使用網絡控制器與無 線定位基站32之間採用LonWorks控制總線進行連接；乙太網和LonWorks控制總線的信息 交換任務由井下人員定位網絡11中網絡控制器中的1. LON伺服器實現；當攜帶有標識卡的 人員通過無線定位基站的工作範圍時，標識卡主動向基站發送人員編碼信息，基站在收到 標識卡發送的信息後將信息通過LonWorks控制總線傳送給網絡控制器，網絡控制器再通 過乙太網將數據發送給地面監測模塊2，地面監測模塊2收集處理信息後實時顯示給管理 人員，管理人員通過地面監測模塊2 了解和管理煤礦的運行狀態和情況。[0016]系統網絡模塊I包括井下人員定位網絡11、地面控制中心網絡12、與企業內部局 域網之間的接口 13以及與煤礦安全監管部門網絡之間的接口 14四個子模塊，特徵如下[0017]I)井下人員定位網絡11 :由環形網形式連接的若干網絡控制器組成，每個網絡控 制器連接若干個無線定位基站32，井下網絡控制器與網絡控制器之間採用100M光纖以太 網連接，無線定位基站32之間採用LonWorks控制總線進行連接；網絡控制器用於與井下 無線定位基站的雙向通信、與地面控制中心網絡的通信；網絡控制器與井下無線定位基站[32]、網絡控制器與地面控制中心網絡[12]分別進行雙向通信；[0018]2)地面控制中心網絡12 由監控主機、備用主機、伺服器(包括防火牆、Web服務 器、資料庫伺服器)、電湧保護器、顯示屏等組成，用乙太網的方式將各監控主機與Web服務 器、監控主機與顯示屏等連接；同時，對外提供企業內部區域網的訪問接口以及煤礦安全監 管部門網絡的訪問接口；[0019]3)與企業內部區域網之間的接口 13 :通過防火牆和網絡伺服器組成訪問服務接 口，向企業內部區域網提供訪問服務，企業內部區域網通過此服務接口收集相關所需信息， 用於企業安全生產職能部門及主管領導對各礦井生產情況進行了解和掌控；[0020]4)與煤礦安全監管部門網絡之間的接口 14 :通過防火牆和網絡伺服器組成訪問 服務接口，向煤礦安全監管部門提供訪問服務，實現監控中心與煤礦安全監管部門之間的 聯網，能使監管部門通過訪問服務接口直接從地面監控中心獲取煤礦信息，了解掌握煤礦 安全生產情況。[0021]地面監測模塊2包括數據採集處理模塊21、查詢管理模塊22 ;數據採集處理模塊 21由一臺伺服器構成，通過乙太網與井下人員定位網絡11相連，搭載數據採集處理軟體， 實時採集人員定位數據並進行處理、存儲；數據查詢管理模塊22由Web伺服器構成，通過以 太網與數據伺服器、多臺監控主機相連接，運行相關軟體系統，實時處理監控主機發送的查 詢請求和管理指令，根據相應查詢向數據伺服器提出查詢請求，同時，按照監控主機端管理 員發出的指令向井下發出指令。[0022]井下定位設備模塊3採用了 ZigBee無線技術，包括了無線標識卡31和無線定位 基站32 ;所述無線標識卡[31]和無線定位基站[32]採用了 ZigBee無線技術；無線定位基 站32與無線標識卡31之間採用2. 4G ISM頻段無線通信，通信速率採用250kbps ;無線標 識卡31平時處於休眠狀態，當無線標識卡[31]在某一無線定位基站的識別範圍內且被激 活時，主動向無線定位基站[32]發送人員編碼信息，發送完畢轉入休眠狀態，等待無線定位 基站[32]的下一次激活；無線定位基站32由穩壓電源、無線收發器、微處理器、存儲器、天 線組成，不斷地通過天線發出載波信號，當帶有無線標識卡通過基站附近時，標識卡晶片即 被喚醒，原本處於「休眠狀態」的晶片被激活並將含有自身的編碼信息調製到載波上經卡內 天線發射出去，基站通過無線收發器接收標識卡發出的信息。[0023]
以下結合附圖對本發明作進一步詳細說明。[0024]如圖1所示的系統網絡結構分為兩大部分地面監控網絡、井下控制網絡。地面監 控中心主要由監控主機及監控軟體、備用主機、UPS、印表機、大屏、伺服器(包括防火牆、數 據庫伺服器)、電湧保護器等組成。地面監控中心區域網內部採用C/S結構。監控主機就是 數據採集主機，主要功能是利用乙太網與井下設備進行通信，來採集人員定位信息。資料庫 伺服器的主要功能是存儲由監控主機採集的數據。Web伺服器主要接收網絡客戶端的請求，並與地面中心站監控主機進行socket通信，獲取實時和歷史數據，利用網絡將數據和曲線 顯示在客戶端上。Web客戶端請求確定的伺服器網址，選擇想要查看的實時或歷史數據及 曲線，通過UDP協議與Web伺服器進行數據的傳輸，伺服器接受請求後，建立與採集主機的 通信，獲取數據並傳輸顯示。井下控制網絡主要有環形網組成，環形網上連接若干網絡控制 器。每個網絡控制器可連接32個定位基站。網絡控制器主要功能是與井下定位基站的雙 向通信、與地面監控網絡的通信。定位基站的主要功能是通過無線網絡對井下人員進行跟 蹤識別，同時將識別到的人員信息以一定的數據格式傳至地面監控中心。[0025]如圖2所示的網絡控制器主要由乙太網交換機，I臺1. L0N100伺服器，I臺光纖終 端盒，I臺電源變壓器，直流穩壓電源，隔離耦合器，24V蓄電池組成。網絡控制器肩負著系 統通訊的重任。地面中心站的參數、命令通過乙太網交換機變為電信號。再經1. LON伺服器 的載波通信接口將參數、命令傳送到基站。基站採集到的數據通過1. LON伺服器的自適應 10/100Base乙太網接口，傳送到乙太網交換機並將電信號變為光信號遠傳到地面中心站。[0026]如圖3所示的基站主要由穩壓電源模塊、無線收發器、微處理器、存儲器、接收天 線、顯示模塊、紅外接受器、Lonworks接口模塊、聲光報警器接口等其他輔助模塊組成。基站 是採集信號的關鍵部件，它不斷地通過發射天線發出載波信號(尋找信號)。當帶有標識卡 的職工通過分站附近時，標識卡晶片即被喚醒，原本處於「休眠狀態」的晶片被激活並將含 有自身的編碼信息調製到載波上經卡內天線發射出去，發送成功後立刻進入休眠狀態。其 中ZigBee無線收發器晶片是採集射頻標識卡的第一門戶通道，也是最重要的一個功能部 件。該內部集成了無線接收電路及發生基帶信號的功率輸出電路。它將接收到標識卡發出 的識別碼基帶信息在其內部經解調、帶通濾波整形後由輸出電路輸出序列串行信號(SPI) 提供給微處理器。微處理器接收到無線收發器輸出的信號後，對信號進行採集、處理。[0027]如圖4所示的標示卡主要由供電電池、穩壓模塊、天線、無線收發器等模塊組成。 無線標識卡在待機時處於休眠狀態，耗電量很少，當被附近的人員定位基站「喚醒」時才發 射信號，發射完立刻又轉入休眠狀態。當帶有標識卡的職工或機車經過監測基站時，立即被 系統識別，並通過系統網絡的信息交換，將此人通過的路段(基站編號)、通過時間、標識卡 的編號等信息傳輸至地面監控中心。
權利要求1.一種基於ZigBee技術的煤礦人員定位與管理系統,其特徵在於利用ZigBee定位技術對煤礦工作人員進行定位跟蹤並管理，包括井下人員定位網絡[11]、地面控制中心網絡[12]、與企業內部區域網之間的接口 [13]、與煤礦安全監管部門網絡之間的接口 [14]、數據採集處理模塊[21]、查詢管理模塊[22]、無線標識卡[31]和無線定位基站[32];地面控制中心網絡[12]與井下人員定位網絡[11]之間採用光纖乙太網連接；地面控制中心網絡[12]使用防火牆將網絡分隔，對內提供乙太網服務，對外提供與企業內部區域網之間的接口 [13]以及與煤礦安全監管部門網絡之間的接口 [14];網絡控制器與無線定位基站[32]之間採用LonWorks控制總線進行連接構成井下人員定位網絡[11];乙太網和LonWorks控制總線的信息交換由網絡控制器中的1. LON伺服器實現；當攜帶有標識卡[31]的人員通過無線定位基站[32]的工作範圍時，標識卡[31]主動向無線定位基站[32]發送人員編碼信息，無線定位基站[32]在收到標識卡[31]發送的信息後將信息通過LonWorks控制總線傳送給網絡控制器，網絡控制器再通過乙太網將數據發送給地面控制中心網絡[12]，地面控制中心網絡[12]收集處理信息後實時顯示給管理人員。
2.根據權利1所述的基於ZigBee技術的煤礦人員定位與管理系統，其特徵在於 井下人員定位網絡[11]:由環形網形式連接的若干網絡控制器組成，每個網絡控制器連接若干個無線定位基站[32]，井下網絡控制器與網絡控制器之間採用光纖乙太網連接，無線定位基站[32]之間採用LonWorks控制總線進行連接；網絡控制器與井下無線定位基站[32]、網絡控制器與地面控制中心網絡[12]分別進行雙向通信； 地面控制中心網絡[12]:還包括監控主機、防火牆、Web伺服器、資料庫伺服器和顯示屏，用乙太網的方式將各監控主機與Web伺服器、監控主機與顯示屏連接；地面控制中心網絡[12]對外提供企業內部區域網的訪問接口以及煤礦安全監管部門網絡的訪問接口。
3.根據權利1所述的基於ZigBee技術的煤礦人員定位與管理系統，其特徵在於所述無線標識卡[31]和無線定位基站[32]採用了 ZigBee無線技術；無線定位基站[32]與無線標識卡[31]之間採用2. 4G ISM頻段無線通信，通信速率採用250kbps ;無線標識卡[31]平時處於休眠狀態，當無線標識卡[31]在某一無線定位基站的識別範圍內且被激活時，主動向無線定位基站[32]發送人員編碼信息，發送完畢轉入休眠狀態，等待無線定位基站[32]的下一次激活；無線定位基站[32]由穩壓電源、無線收發器、微處理器、存儲器、天線組成，不斷地通過天線發出載波信號，當帶有無線標識卡通過基站附近時，標識卡晶片即被喚醒，原本處於「休眠狀態」的晶片被激活並將含有自身的編碼信息調製到載波上經卡內天線發射出去，基站通過無線收發器接收標識卡發出的信息。
專利摘要本實用新型公開了一種基於ZigBee技術的煤礦人員定位與管理系統，當攜帶有標識卡的人員通過無線定位基站的工作範圍時，標識卡主動向無線定位基站發送人員編碼信息，無線定位基站在收到標識卡發送的信息後將信息通過LonWorks控制總線傳送給網絡控制器，網絡控制器再通過乙太網將數據發送給地面控制中心網絡，地面控制中心網絡收集處理信息後實時顯示給管理人員。本實用新型方案提高了煤礦管理人員以及上層監管部門對煤礦運行情況的實時監管能力，並在事故發生後為救援人員提供強有力的信息保障和支持。
文檔編號E21F17/18GK202832657SQ20112056703
公開日2013年3月27日 申請日期2011年12月30日 優先權日2011年12月30日
發明者李千目, 戚湧, 倪銘, 侯君, 張宏 申請人:南京理工大學常熟研究院有限公司, 南京理工大學