基于ZigBee技术的煤矿井下人员定位考勤系统的设计

    近些年来，国家非常重视煤矿安全生产工作，已颁布多项法规明确煤矿开采的必备条件，其中准确掌握井下人员的数量和位置、遇险后撤退路线、井下的环境监测情况等是十分重要的，也是十分紧迫的任务，即将成为煤矿开采的必备条件。基于ZigBee技术的煤矿井下人员无线定位考勤系统，就是在此背景下进行研究与开发的。因此该项目的研究具有较好的社会效益和经济效益。 

    井下人员定位考勤管理系统，目前国内已有多家公司推出相关产品，如：深圳世纪潮公司，北京仙导公司，上海秀派公司，这些公司推出的产品主要是基于RFID (Radio Frequency Identification，即射频识别，俗称电子标签)技术，发射采用133 kHz无线信号，接收采用450 MHz信号，该技术相对较为成熟，已广泛用于门禁系统的身份识别，其原理是利用无线信号的大功率能量激发身份卡，身份卡中无需电池，利用接收到的无线信号能量来进行信号的应答，其优点在于体积小，重量轻便于携带。而此技术在井下人员定位系统中 进行应用时存在通信距离短，目前所能达到的指标为9 in，无线基站发射功率大，15 w 以上，不利于井下安全，同时存在多人同时通过无线基站时存在漏卡现象，更无法实现井下无线信号的全覆盖和人员的精确定位，只能用于简单的人员考勤管理，并且在进入煤矿时还必须分散分批进入，使用效果不佳。基于ZigBee技术的煤矿井下无线网络通信系统成功解决上述问题。

1 井下人员定位考勤系统实现的功能与关键技术

1．1 功能

    本矿井内人员定位考勤系统采用最新的Zigbee无线通信技术，实现了井下人员的精确定位和考勤，不仅在井下发生事故时可起到重要作用，而且可用于日常的管理，提供了较多的实用功能，比较适合煤矿企业的需求，具有较好的市场前景。系统的主要功能有：查询当前井下人员分布；井下人员跟踪且复示井下人员行踪；统计查询进入特殊区域的人员；下井人员考勤管理；井下人员的定位、寻呼及遇险紧急求救；可利用现有的通信平台实现其它信息的接人等。 

1．2 几种无线传感器网络技术的比较 

近十几年来，无线与移动通信以蓬勃的速度迅猛发展。随着各种便携式个人通信设备与家用电器设备的增加，人们享受数字蜂窝移动通信系统带来的便利的同时，对短距离的无线移动通信 又提出了新的要求，使得短距离无线通信异军突起，包括无 线高保真(Wi—Fi)、超宽带(UWB)、蓝芽技术(Blue Theeth)以及ZigBee技术等各种热点技术相继出现，均展现出各自巨大的应用潜力。其中，速率低、功耗低、成本低的ZigBee技术作为无线传感器网络的主要支撑技术获得广泛的关注。表1对WiFi、UWB、Blue Theeth、ZigBee的性能进行了比较。

表1 几种无线传感器网络技术的比较

    从表1中可以看出ZigBee是短距离通信的一种新兴技术。它使用2．4 GHz波段，采用跳频技术，ZigBee技术更简单、功率及费用也更低，能够更好地支持游戏、消费电子、仪器和家庭自动化应用。人们期望能在工业监控、环境、军事、水利电力、医疗、楼宇监测和矿业井下作业等领域拓展ZigBee的应用。本系统正是利用ZigBee技术的优势，而这些恰好适用于煤矿井下巷道多曲折、多风门等结构特点，电源供电限制严格、煤炭行业资金短缺等特点。尽管它有着较低数据传输率，但是这一传输速度仍能够满足井下人员定位考勤系统的需求。

1．3 ZigBee技术
 
    ZigBee技术作为无线传感器网络的主要支撑技术获得人们广泛的关注。完整的ZigBee体系结构如图1所示，它由应用层、网络层和应用支持层、数据链路层、介质访问层和物理层组成。网络层以上协议由ZigBee联盟制订，物理层、介质访问层和数据链路层 采用IEEE 802．15．4标准。IEEE802．15．4物理层简单采用比特到符号映射技术、符号到码片序列转换技术、偏移正交相移键控 (OQPSK)调制技术，无须信道编码等复杂算法；介质访问层采用载波监听多址一冲突避免技术，支持休眠模式。

图1 ZigBee体系结构