基于ZigBee技術(shù)的礦井人員無線定位安全系統(tǒng)

基于ZigBee技術(shù)的礦井人員無線定位安全系統(tǒng)項目名稱：基于ZigBee技術(shù)的礦井人員單位：負責人：

無線定位安全系統(tǒng)無線定位安全系統(tǒng)開發(fā)的介紹一、項目的意義和必要性（項目研究的重要性和緊迫性，國內(nèi)外同類研究進展情況，本項目對安全生產(chǎn)重大事故防治的作用和意義）1、項目概述本項目為電子信息領(lǐng)域內(nèi)的一項新技術(shù)發(fā)明，具體說為軟件開發(fā)產(chǎn)品。以先進的ZigBee為基礎(chǔ),自主創(chuàng)新開發(fā)了一種新的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)平臺，建立一套全新的礦井人員定位安全系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于RSSI、數(shù)字濾波、非線性擬合等技術(shù)，結(jié)合自主開發(fā)的無線通信協(xié)議及陣列式的定位算法,設(shè)計一套定位精度高、實時性強、功能完善的礦井人員定位安全系統(tǒng)。其組成包括自行研發(fā)的嵌入式通信系統(tǒng)、基于ARM處理器的嵌入式Linux系統(tǒng)、定位系統(tǒng)服務(wù)器、定位數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、定位系統(tǒng)B/S客戶端等。

ZigBee技術(shù)是一種新興的無線個域網(wǎng)標準協(xié)議，由于具有低成本、低功耗、數(shù)據(jù)傳輸速率高及低復(fù)雜度等特點，被視作組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理想平臺，越來越廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等領(lǐng)域。基于Zigbee技術(shù)組網(wǎng)靈活，易于設(shè)計便攜移動聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，將其應(yīng)用于礦井人員監(jiān)測，可以實時、精確的獲得井下人員定位信息，解決現(xiàn)有技術(shù)存在的漏檢高、非實時數(shù)據(jù)統(tǒng)計等問題，為安全生產(chǎn)和緊急救援提供更準確、可靠的信息。本項目初期依托ZigBee系統(tǒng)進行研發(fā)，但現(xiàn)有ZigBee技術(shù)應(yīng)用在井下人員定位尚有若干不足之處。因此本項目采用了自主創(chuàng)新的井下無線通信技術(shù)，針對礦井人員定位系統(tǒng)中軟、硬件開發(fā)和數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)進行研究與設(shè)計。本項目系統(tǒng)的突出特點是實現(xiàn)了真正意義上的井下人員實時定位，并依靠創(chuàng)新技術(shù)自身的特點，徹底消除了人員漏檢現(xiàn)象。充分考慮了礦井結(jié)構(gòu)特點、提出基于井下路徑拓撲、數(shù)字濾波、非線性擬合的陣列式定位算法。運算量小、定位準確，實現(xiàn)井下人員動態(tài)分布顯示和雙向數(shù)據(jù)信號傳輸，并通過自主創(chuàng)新設(shè)計的3D電子礦圖進行全息顯示，作為人員定位的基準，在礦難發(fā)生時井上、井下安全垂直救援、井下環(huán)境作業(yè)等方面具有重大現(xiàn)實意義。該系統(tǒng)具有實時跟蹤定位功能、礦用安全綜合監(jiān)控功能，語音廣播功能，報警短信收發(fā)功能，系統(tǒng)用于在煤礦井下險情發(fā)生時能為搶險救援提供準確的井下人員位置、現(xiàn)場動態(tài)數(shù)據(jù)，人員求救信息和語音廣播指令，提供井下受困人員情況為搶險救援現(xiàn)場分析、決策提供緊急預(yù)案；在搶險救援時配有系統(tǒng)手持搜救儀，正常工況時系統(tǒng)可協(xié)助礦井日常生產(chǎn)作業(yè)管理，提高煤礦生產(chǎn)自動化管理水平。

通過本系統(tǒng)輸入煤礦開采數(shù)據(jù)圖可自動生成井下3D電子地圖。可以實時獲得井下每個工作人員當前所處的具體位置，定位精度4米。通過對該定位數(shù)據(jù)的存儲、統(tǒng)計，可以生成當前井下人數(shù)、人員定位功能、人員入、出井時刻、人員活動路線等多種匯總信息報表，以便于生產(chǎn)管理。與現(xiàn)有人員管理系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)的突出優(yōu)勢為實時定位、軌跡回放，還包含現(xiàn)有人員管理系統(tǒng)的管理功能、考勤功能、區(qū)域統(tǒng)計定位和傳統(tǒng)的門禁式記錄系統(tǒng)等一切基本功能。采用B/S的設(shè)計模式，煤礦集團的管理人員可以通過任意一臺接入到Internet的電腦，使用瀏覽器可實時的監(jiān)控到集團所屬各煤礦井下人員的活動情況及井下環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)等管理信息。2、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢目前，國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的是采用RFID（射頻識別）技術(shù)的井下人員管理系統(tǒng)。該類系統(tǒng)一般在礦井巷道各出、入口安裝若干讀頭，即讀卡器，礦工攜帶射頻標簽經(jīng)過該區(qū)域時，即會被讀頭記錄。系統(tǒng)根據(jù)讀頭記錄的數(shù)據(jù)統(tǒng)計生成某區(qū)域進入了多少礦工數(shù)目、某礦工何時出入某巷道等信息表。無線定位安全系統(tǒng)開發(fā)的介紹可以看出，該類系統(tǒng)實際上是一種考勤記錄系統(tǒng)，沒有定位數(shù)值。并非是人員定位功能。對人員位置的確定只能依靠經(jīng)過某個讀頭，來判斷其是否在某個區(qū)域之內(nèi)，人員一旦走出讀頭有效區(qū)域（10米），即與系統(tǒng)失去聯(lián)系，再也無法實時獲得其位置信息。另外，由于RFID技術(shù)存在信號碰撞問題，即讀頭無法并發(fā)識別大量射頻標簽，這極易造成對入井人員的漏檢，不但影響日常的生產(chǎn)統(tǒng)計、調(diào)度，當有險情發(fā)生時，難以確認井下具體人數(shù)和有效的救援。基于RFID技術(shù)的井下人員定位技術(shù)至今已經(jīng)發(fā)展到第三代。第一代產(chǎn)品技術(shù)尚未穩(wěn)定，讀頭不能準確無誤的識別射頻標簽，已退出市場；第二代產(chǎn)品做到了單個讀頭能穩(wěn)定的識別射頻標簽，但多個讀頭聯(lián)網(wǎng)工作時延遲大，讀頭數(shù)量受限識別距離在10米之內(nèi)；目前眾多廠商正在積極研發(fā)第三代產(chǎn)品，改進之處包括使用有源標簽代替無源標簽以增加通信距離，改進信號防碰撞算法，增強聯(lián)網(wǎng)性能等。但統(tǒng)觀這三代產(chǎn)品，均未改變其僅作為人員管理、考勤系統(tǒng)的本質(zhì)，即使第三代產(chǎn)品，采用這種RFID技術(shù)也無法解決對井下人員的實時定位跟蹤?，F(xiàn)在業(yè)界也在努力探索用新的技術(shù)徹底解決井下人員實時定位的問題，出現(xiàn)了一些采用新興技術(shù)的產(chǎn)品，如基于CDMA、WiFi、Bluetooth、ZigBee等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的定位產(chǎn)品。這些新技術(shù)目前都處于研發(fā)、試驗階段，待技術(shù)成熟穩(wěn)定后也必將極大改善井下人員定位安全系統(tǒng)的現(xiàn)狀。無線定位安全系統(tǒng)開發(fā)的介紹

ZigBee是一種剛剛興起的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)議標準，最新版本為ZigBee-2006。ZigBee技術(shù)著眼于短距離、小范圍的無線通信應(yīng)用，具有低速率、低成本、低復(fù)雜度等特點，被視作無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的理想平臺。另外，ZigBee定義了RSSI（接收信號強度指示）檢測機制，擴展了人們的思路，國內(nèi)外均已出現(xiàn)將其用于目標定位的研究。國外研究多傾向于將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于短距離或室內(nèi)環(huán)境的目標定位。典型應(yīng)用例如，地下停車場中對車輛的定位及停車引導(dǎo)，醫(yī)院、老年公寓等場所對看護對象的定位跟蹤，工廠車間對關(guān)鍵設(shè)備的定位以及機場、車站對旅客行李的定位跟蹤等等。再如，美國領(lǐng)先的芯片廠商TI（德州儀器）公司，最近發(fā)布了其單芯片ZigBee解決方案CC2431，其中集成了硬件定位引擎，專門適用于小范圍定位。國內(nèi)對ZigBee定位技術(shù)的研究起步較晚，現(xiàn)在仍處于認知、學(xué)習階段。結(jié)合國情，已有人提出將ZigBee技術(shù)應(yīng)用到礦井人員定位安全領(lǐng)域，但尚處于方案論證、尚未有成型產(chǎn)品面世。并且根據(jù)本項目在初期的研發(fā)經(jīng)驗，若直接采用ZigBee技術(shù)進行井下定位，尚有若干技術(shù)不足之處。無線定位安全系統(tǒng)開發(fā)的介紹二、主要研究內(nèi)容本項目在現(xiàn)有ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)上，自主創(chuàng)新的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)平臺，建立一套全新的礦井人員定位安全系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用數(shù)字濾波、非線性擬合、無線路由等技術(shù)，自行開發(fā)設(shè)計了針對井下拓撲結(jié)構(gòu)的無線通信協(xié)議及陣列式定位算法，對井下人員進行精確的實時定位。主要內(nèi)容如下：(1)基于ZigBee技術(shù)及應(yīng)用開發(fā)。研究ZigBee技術(shù)的特點，與其他無線通信技術(shù)進行對比，分析其用于礦井人員定位的可行性；研究基于TI公司Z-Stack協(xié)議棧，分析了其針對井下通信質(zhì)量、通信容量、信號強度穩(wěn)定性等方面的缺陷。在此基礎(chǔ)上自主研發(fā)了新的通信協(xié)議以及相關(guān)的陣列式定位算法。(2)ARM微處理器與嵌入式Linux系統(tǒng)。研究ARM微處理器相關(guān)技術(shù)，以及三星S3C2410A微處理器特點；研究Linux系統(tǒng)在ARM微處理器上的移植方法及設(shè)備驅(qū)動、應(yīng)用程序開發(fā)。(3)人員定位安全系統(tǒng)總體方案。包括礦井人員定位系統(tǒng)的設(shè)計原理、功能、技術(shù)指標等，研究其軟、硬件設(shè)計實現(xiàn)的技術(shù)路線。無線定位安全系統(tǒng)開發(fā)的介紹(4)人員定位安全系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。重點研究系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)接口，設(shè)計一種能在井下復(fù)雜環(huán)境下的人員定位軟、硬件技術(shù)。（5）井下三維電子地圖的軟件開發(fā)。為井下建立了三維電子地圖，實現(xiàn)了在三維模式下的地圖顯示、設(shè)備查詢、人員實時跟蹤等功能。在立體顯示、坐標換算（站點坐標和經(jīng)緯度坐標）、空間測距、圖層控制等功能，較當前普遍使用的CAD礦圖在人員調(diào)度、礦難救援等方面更具實用價值。1、創(chuàng)新之處本項目在充分研究ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上，以自由空間的無線信號傳播模型、數(shù)字信號處理技術(shù)為基本研究理論依據(jù)，設(shè)計了礦井人員定位安全系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。參考ZigBee技術(shù)中的RSSI檢測機制、無線通信技術(shù)，突破定位測距算法技術(shù)難關(guān)。自主研發(fā)的無線通信協(xié)議針對井下的拓撲特點，保證了通信質(zhì)量和通信速率，從而徹底解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的人員漏檢問題?；跀?shù)字濾波和非線性擬合的陣列式定位算法，解決了由RSSI變化不穩(wěn)定帶來的定位精度較低等問題。無線定位安全系統(tǒng)開發(fā)的介紹在系統(tǒng)硬件方面，采用TI公司的CC2430芯片自主開發(fā)設(shè)計了無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的核心模塊，經(jīng)測試性能良好。采用基于ARM體系架構(gòu)的S3C2410A處理器，通過與無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器結(jié)合，并進行必要的硬件擴展，設(shè)計形成系統(tǒng)中的定位分站。在系統(tǒng)軟件方面，本項目重點研究其中的數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)包括運行在ARM平臺和x86運行平臺上的兩部分程序。為定位分站的ARM處理平臺移植了嵌入式Linux操作系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了定位分站應(yīng)用程序，涉及串口通信、Socket通信客戶端兩部分內(nèi)容；監(jiān)控中心操作軟件使用C++、Java語言開發(fā)，設(shè)計了Socket通信服務(wù)端、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫訪問接口等多個程序模塊，并提出一種基于路徑搜索的礦井人員定位算法。該算法充分考慮了礦井結(jié)構(gòu)特點、井下人員動態(tài)分布和信號的傳播特性，經(jīng)實驗測試，運算量小、定位準確、性能穩(wěn)定，適合井下環(huán)境應(yīng)用。系統(tǒng)在技術(shù)上綜合GPS\GIS\XYZ\大地坐標等軟件技術(shù)和地理信息技術(shù)，成功創(chuàng)新開發(fā)了井下三元、三維3D電子地圖，實現(xiàn)了在三維意義下的坐標換算、空間測距、圖層控制等功能。無線定位安全系統(tǒng)開發(fā)的介紹2、目前項目進展情況我國是世界煤炭第一生產(chǎn)國和消費國，伴隨著煤炭行業(yè)的高速發(fā)展，其在安全生產(chǎn)方面存在的問題也逐漸暴露出來。近年來，各種礦難頻發(fā)，尤其是重、特大傷亡事故屢見報端。據(jù)不完全統(tǒng)計，近幾年來，我國煤炭產(chǎn)量占世界產(chǎn)量的35%，而事故傷亡人數(shù)卻占80%。缺乏對井下工作人員的定位安全機制，險情發(fā)生后難以確定井下人員數(shù)字、受困位置，無法及時實施救援是造成高死亡率的一個重要原因。建立完善的“六大系統(tǒng)”，煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)，尤其是井下人員定位系統(tǒng)已經(jīng)得到世界各國政府的高度關(guān)注。例如，美國勞工礦務(wù)安全與健康管理部(MSHA)要求所有煤礦在2009年之前必須安裝無線定位安全系統(tǒng)。我國政府也逐步加大了煤礦安全方面的管理力度，要求建立完善的“六大系統(tǒng)”，煤礦必須安裝井下人員定位系統(tǒng)，并在出產(chǎn)的每噸煤中提取一定費用專門用于安全系統(tǒng)的建設(shè)。目前，我國管理規(guī)范的國有大中型煤礦均安裝了環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，但對于人員定位系統(tǒng)仍缺乏有效的技術(shù)手段?，F(xiàn)在廣泛使用的基于RFID技術(shù)的井下人員管理系統(tǒng)實際上僅能做到對人員進入該區(qū)域多少人的統(tǒng)計和考勤記錄，無法實現(xiàn)實時的井下人員跟蹤定位。當?shù)V難發(fā)生時，不能準確報告遇險人員的具體位置、人數(shù)，難以為搶險救援提供可靠的技術(shù)信息保障。無線定位安全系統(tǒng)開發(fā)的介紹2006年大連理工大學(xué)和大連高端科技發(fā)展有限公司（校企），受國家安監(jiān)總局科技司的委托共同承擔了本項目的研發(fā)工作，用科學(xué)發(fā)展觀研究和開發(fā)井下人員定位系統(tǒng)，滿足煤礦安全生產(chǎn)的需求，對煤礦安全生產(chǎn)和管理具有著重要的現(xiàn)實意義。通過4年的技術(shù)攻關(guān)和自主創(chuàng)新，成功的解決了該項目中的關(guān)鍵技術(shù)，研制出井下人員定位系統(tǒng)和安全救援綜合系統(tǒng)，系統(tǒng)下的產(chǎn)品全部屬于本質(zhì)安全型，礦用防爆兼本安型穩(wěn)壓電源具有備用電（UPS）化、設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸接口光、電一體化等。目前，該項目已經(jīng)完成，在設(shè)計指標、性能上已達到國家有關(guān)標準。并正在制定井下人員定位系統(tǒng)的產(chǎn)品標準、產(chǎn)品量化和煤礦井下安裝工作階段，為“六大系統(tǒng)”建立井下人員定位系統(tǒng)的示范礦。并獲得了“人員定位系統(tǒng)”礦用產(chǎn)品安全標志證書，科技部創(chuàng)新立項證書，被國家安全生產(chǎn)監(jiān)管總局列為2010年