基於ZigBee和RFID的礦井安全無線定位系統及其布設方法
2023-12-05 19:29:36 2
專利名稱：基於ZigBee和RFID的礦井安全無線定位系統及其布設方法
技術領域：
本發明涉及一種利用ZigBee技術和RFID讀卡器在礦井內組建的無線網 絡定位裝置及其布設方法，屬於無線網絡通訊領域。
背景技術：
礦井開採作為安全事故頻發的重工業，對安全監督管理系統的要求很高， 利用無線通信定位系統，對井下人員進行實時定位監督，將在很大程度上加 強井下作業的安全保障。目前在我國一些較大的國有煤礦，是以給每一位礦 工分髮帶有GPS (Global Positioning System,全球定位系統)功能的手機或 在井下巷道鋪設通訊電纜實現人員定位的目的，這些技術有相當的局限性。 首先，GPS手機耗電量大，手機電池即使在充滿電的情況下，也僅能維持正 常工作數小時，在發生礦難之後不能保證搜救的長期有效；其次，GPS系統 成本高，但精度低，不利於在中小型煤礦推廣，而且手機體積相對較大，不 利於在工作中攜帶；至於鋪設電纜，大型煤礦鋪設一段長距離電纜的費用高 達幾十萬元，同時在一些複雜地形區鋪設電纜十分困難，靈活性也相對較低， 而且發生礦難時電纜一旦折斷，礦難中心區的通信系統將難以維繫。由於礦 井內的環境比較特殊，巷道狹窄彎曲、具有磁性或輻射的礦物質的幹擾以及 距離較長的特點決定了無線電、紅外線等無線網絡也不適合在這種環境中使 用。
RFID(Radio Frequency Identification,無線射頻識別)是一種自動識別技 術，被廣泛應用於自動識別領域中；ZigBee(IEEE 802.15.4協議)是一種短距離 無線通訊技術，具有省電、低成本、可靠性高、網絡容量大等特點。公開號 為CN101231687A的發明專利公開了一種基於ZigBee和RFID的無線網絡系 統，但僅僅是一種理論研究，並未根據這種無線網絡系統的優點將其應用在 實際環境中。
發明內容
本發明為解決現有礦井內使用的實時定位系統存在的工作時間較短、定 位精度較低、成本較高、不便於攜帶的問題，提供一種基於ZigBee和RFID
的礦井安全無線定位系統及其布設方法。本發明的基於ZigBee和RFID的礦 井安全無線定位系統包括以下單元
RFID讀卡器，用於通過天線向覆蓋區域內的射頻標籤輻射功率並接收 來自射頻標籤的標籤數據，將接收的標籤數據通過串口發送給ZigBee終端節 點模塊或ZigBee路由節點模塊，並接收來自ZigBee終端節點模塊的控制數 據；
ZigBee終端節點模塊，用於將來自RFID讀卡器的標籤數據發送給 ZigBee路由節點模i央，並將來自ZigBee路由節點模塊的控制數據通過串口 發送給RFID讀卡器；
ZigBee路由節點模塊，用於將來自RFID讀卡器或ZigBee終端節點模塊 的標籤數據發送給ZigBee主節點模塊，並將來自ZigBee主節點模塊的控制 數據發送給ZigBee終端節點模塊或通過串口發送給RFID讀卡器；
ZigBee主節點模塊，用於將來自ZigBee路由節點模塊的標籤數據通過 有線傳輸發送給地面控制中心，並將來自地面控制中心的控制數據發送給 ZigBee路由節點模塊；
地面控制中心，用於把來自ZigBee主節點模塊的數據與中心資料庫中人 員信息和節點位置信息結合分析，完成人員實時定位，將定位信息寫入中心 資料庫，並向ZigBee主節點模塊發送控制數據。
基於本發明的ZigBee和RFID的礦井安全無線定位系統的布設方法包括 以下步驟
將多個ZigBee終端節點模塊以及多個ZigBee路由節點模塊組成星形網、 樹形網、網狀網或環形網的網絡形式的步驟；
將RFID讀寫模塊設置為雙天線分時工作的工作模式，兩個天線的主瓣 分別沿巷道朝向相反的兩個方向的步驟。
發明效果本發明的系統通過運用RFID技術，實現對礦井人員信息的 近距離識別，然後結合ZigBee無線網絡技術實現信息遠距離傳輸，並利用地 面中心資料庫實現信息的處理，具有工作時間較長(兩節五號乾電池可使用 6 24個月)、方便維護、成本較低(ZigBee協議免專利費且免執照頻段費)、 便於攜帶(井下人員僅需攜帶RFID的射頻標籤即可)和靈活布設(拆裝方
便且不需布設電纜)等特點；本發明的布設方法根據礦井下的複雜條件，利 用於ZigBee和RFID自身特點，能夠最大限度的使本系統能夠在礦井下長期 穩定的工作，特別是在發生礦難時能夠為搜尋工作提供很大的便利，另外本 發明在安保、銀行、野生動物保護等其他相關領域仍然具有相當大的應用前 景。
圖1是本發明的系統結構示意圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一參見圖l，本實施方式由以下單元組成
RFID讀卡器1，用於通過天線向覆蓋區域內的射頻標籤6輻射功率並接 收來自射頻標籤6的標籤數據，將接收的標籤數據通過串口 (RS232)發送 給ZigBee終端節點模塊2或ZigBee路由節點模塊3，並接收來自ZigBee終 端節點模塊2的控制數據；
ZigBee終端節點模塊2，用於將來自RFID讀卡器1的標籤數據發送給 ZigBee路由節點3模±央，並將來自ZigBee路由節點模塊3的控制數據通過 串口 (RS232)發送給RFID讀卡器l;
ZigBee路由節點模塊3，用於將來自RFID讀卡器1或ZigBee終端節點 模塊2的標籤數據發送給ZigBee主節點模塊4，並將來自ZigBee主節點模 塊4的控制數據發送給ZigBee終端節點模塊2或通過串口 (RS232)發送給 RFID讀卡器1;
ZigBee主節點模塊4，用於將來自ZigBee路由節點模塊3的標籤數據通 過有線傳輸發送給地面控制中心5，並將來自地面控制中心5的控制數據發 送給ZigBee路由節點模塊3;
地面控制中心5，用於把來自ZigBee主節點模塊4的數據與中心資料庫 中人員信息和節點位置信息結合分析，完成人員實時定位，將定位信息寫入 中心資料庫，並向ZigBee主節點模塊4發送控制數據。
在本實施方式中，共有三種Zigbee節點，分別作為網絡中的協調器、路 由器和終端。由CC2430晶片及外圍電路組成Zigbee節點模塊，用C語言編 譯，通過仿真器燒寫進不同功能的ZigBee終端節點模塊2、 ZigBee路由節點
模塊3和ZigBee主節點模塊4，可以直接與計算機相連進行數據交換，同時 具有I/0外擴插座，可以和外擴鍵盤，或其他探測器相連，使網絡中各個節 點之間可進行無線通信。
RFID讀卡器1與射頻標籤6組成了 RFID部分，主要實現對礦工的識別 功能，其中，射頻標籤6採用無源標籤，用於記錄人員信息，由礦工隨身佩 帶，其所需的能量由RFID讀卡器1提供。RFID讀卡器1通過天線向外輻射 能量，當攜帶標籤的礦工進入天線覆蓋區域後，射頻標籤6藉助接收到的能 量，向RFID讀卡器1反向回傳數據，RFID讀卡器1通過天線的耦合作用獲 得射頻標籤6所攜帶的礦工身份碼，然後通過串口 (RS232)將數據發送到 此RFID讀卡器1對應的ZigBee終端節點2或者路由節點模塊3上，再由 ZigBee主節點模塊4通過有線電纜回傳到地面控制中心5的中心資料庫進行 相應的處理，地面控制中心5的資料庫軟體會隨時記錄每條信息，從而對人員 進行實時定位。
在實際應用中，存在多個礦工同時進入RFID能量輻射區域的情況，故 本實施方式的RFID讀卡器1可同時識別多張射頻標籤6,保證參加作業的 礦工都有工作記錄；另外，由於礦工可能會在礦井的某一處作停留，故RFID 讀卡器i可在極短的時間內連續讀取多個數據，以保證準確跟蹤礦工在井下 作業的位置。
具體實施方式
二本實施方式在具體實施方式
一的基礎上進一歩限定了 所述ZigBee終端節點模塊2、 ZigBee路由節點模塊3和ZigBee主節點模塊 4內部都設置有看門狗模塊。
由於巷道內的環境比較複雜，布設的ZigBee終端節點模塊2、 ZigBee 路由節點模塊3和ZigBee主節點模塊4容易出現軟體故障，看門狗模塊可以 在短時間內自動重啟，實現網絡自恢復的功能。
具體實施方式
三本實施方式在具體實施方式
一的基礎上進一步限定了 在巷道中每相鄰兩個所述ZigBee路由節點模塊3以45~50米以下為間距設 置。
ZigBee的有效覆蓋範圍為100米左右，在礦井下的複雜環境中一旦某個 ZigBee模塊發生故障，則中間相隔一個ZigBee模塊的兩個ZigBee模塊之間
也能夠進行自動搜尋並連接，提高了本系統的安全性和穩定性。
具體實施方式
四本實施方式的方法由以下步驟組成 將多個ZigBee終端節點模塊2以及多個ZigBee路由節點模塊3組成星
形網、樹形網、網狀網或環形網的網絡形式的步驟；
將RFID讀寫模塊1設置為雙天線分時工作的工作模式，兩個天線的主
瓣分別朝向相反的兩個方向的步驟。
在礦井下複雜的環境中， 一旦某個ZigBee模塊發生故障，其下一級
ZigBee模塊可以自動搜尋網內的其它ZigBee模塊建立連接並傳輸數據；
RFID讀寫模塊1的天線的主瓣以相反的方向設置，不同的主瓣讀取的射頻
標籤6的ID信息進行比較，可以進一步判斷ID信息的準確性和該持有ID
信息的射頻標籤6的行進方向。
權利要求
1.基於ZigBee和RFID的礦井安全無線定位系統，其特徵在於它包括以下單元RFID讀卡器(1)，用於通過天線向覆蓋區域內的射頻標籤(6)輻射功率並接收來自射頻標籤(6)的標籤數據，將接收的標籤數據通過串口發送給ZigBee終端節點模塊(2)或ZigBee路由節點模塊(3)，並接收來自ZigBee終端節點模塊(2)的控制數據；ZigBee終端節點模塊(2)，用於將來自RFID讀卡器(1)的標籤數據發送給ZigBee路由節點(3)模塊，並將來自ZigBee路由節點模塊(3)的控制數據通過串口發送給RFID讀卡器(1)；ZigBee路由節點模塊(3)，用於將來自RFID讀卡器(1)或ZigBee終端節點模塊(2)的標籤數據發送給ZigBee主節點模塊(4)，並將來自ZigBee主節點模塊(4)的控制數據發送給ZigBee終端節點模塊(2)或通過串口發送給RFID讀卡器(1)；ZigBee主節點模塊(4)，用於將來自ZigBee路由節點模塊(3)的標籤數據通過有線傳輸發送給地面控制中心(5)，並將來自地面控制中心(5)的控制數據發送給ZigBee路由節點模塊(3)；地面控制中心(5)，用於把來自ZigBee主節點模塊(4)的數據與中心資料庫中人員信息和節點位置信息結合分析，完成人員實時定位，將定位信息寫入中心資料庫，並向ZigBee主節點模塊(4)發送控制數據。
2、 根據權利要求1所述的基於ZigBee和RFID的礦井安全無線定位系統， 其特徵在於所述ZigBee終端節點模塊(2)、 ZigBee路由節點模塊(3)和ZigBee 主節點模塊(4)的內部都設置有看門狗模塊。
3、 根據權利要求1所述的基於ZigBee和RFID的礦井安全無線定位系統， 其特徵在於在巷道中每相鄰兩個所述ZigBee路由節點模塊(3)以45~50米以下 為間距設置。
4、 基於權利要求1所述的基於ZigBee和RFID的礦井安全無線定位系統 的布設方法，其特徵在於它包括以下步驟將多個ZigBee終端節點模塊(2)以及多個ZigBee路由節點模塊(3)組成星 形網、樹形網、網狀網或環形網的網絡形式的步驟；將RFID讀寫模塊(l)設置為雙天線分時工作的工作模式，兩個天線的主瓣 分別朝向相反的兩個方向的步驟。
全文摘要
基於ZigBee和RFID的礦井安全無線定位系統及其布設方法，它涉及一種利用ZigBee技術和RFID技術在礦井內組建的無線網絡定位裝置及布設方法，以解決現有的礦井內定位系統存在的工作時間較短、定位精度較低、成本較高、不便於攜帶的問題。RFID讀卡器將接收的標籤數據發送到ZigBee終端節點模塊或ZigBee路由節點模塊，並接收來自ZigBee終端節點模塊或ZigBee路由節點模塊的控制數據；ZigBee終端節點模塊和ZigBee路由節點模塊將標籤數據發送給ZigBee主節點模塊；ZigBee主節點模塊將標籤數據發送給地面控制中心；地面控制中心把標籤數據與中心資料庫中人員信息和節點位置信息結合分析，將定位信息寫入中心資料庫。
文檔編號H04L12/28GK101369944SQ200810137290
公開日2009年2月18日 申請日期2008年10月10日 優先權日2008年10月10日
發明者丁同禹, 群 吳, 然 王, 建 董, 趙鐵剛 申請人:哈爾濱工業大學