吳輝

摘 要：無(wú)線通信在工業(yè)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，主要使用在地形復(fù)雜且動(dòng)態(tài)性能要求較高的通信需求場(chǎng)合。在礦井生產(chǎn)中，井下機(jī)車(chē)的定位一直是自動(dòng)化監(jiān)控領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。文章研究了無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，并提出采用ZigBee技術(shù)構(gòu)建自動(dòng)化井下機(jī)車(chē)定位系統(tǒng)，并通過(guò)RFID（射頻識(shí)別）實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)身份識(shí)別的設(shè)計(jì)方案，有效提高了機(jī)車(chē)定位的準(zhǔn)確度和實(shí)時(shí)性，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：礦井；RFID；ZigBee；機(jī)車(chē)定位

1 概述

近年來(lái)，井下安全事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重威脅到了井下工作人員的生命安全，快速準(zhǔn)確的定位技術(shù)可以有效提高井下生產(chǎn)的安全等級(jí)，在事故發(fā)生時(shí)也能在第一時(shí)間將井下的人員和車(chē)輛的分布情況通知地面；另一方面，隨著井下工作面的不斷延伸，機(jī)車(chē)的運(yùn)行控制也越來(lái)越復(fù)雜，如何更有效地對(duì)井下機(jī)車(chē)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位與監(jiān)管，已經(jīng)成為自動(dòng)化監(jiān)控領(lǐng)域和煤礦安全領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。本設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是通過(guò)ZigBee技術(shù)構(gòu)建井下無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，在配合RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的機(jī)車(chē)實(shí)時(shí)定位，以加強(qiáng)井下機(jī)車(chē)運(yùn)行的監(jiān)控力度。

2 ZigBee技術(shù)介紹

ZigBee是一款基于IEEE 802.15.4協(xié)議的無(wú)線通訊技術(shù)，它的特點(diǎn)是傳輸距離較短、傳輸帶寬較小、成本開(kāi)銷(xiāo)低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低功耗，并支持全雙工通信。

ZigBee技術(shù)廣泛的應(yīng)用在工業(yè)控制、智能家居、森林安防、水文勘探等實(shí)時(shí)性要求較高、傳輸帶寬要求較小的無(wú)線通信場(chǎng)合，尤其在工礦企業(yè)中更為常見(jiàn)，由于工業(yè)中傳輸?shù)闹噶詈托盘?hào)相對(duì)簡(jiǎn)單，并不需要太高的傳輸帶寬，而對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性和能耗有著較高的要求，這正是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)所在。

依據(jù)表1可以看出，在幾種無(wú)線技術(shù)當(dāng)中，ZigBee的最大優(yōu)勢(shì)就在于低功耗、低成本，在保證傳輸帶寬可以滿足控制信號(hào)傳輸需求的前提下，ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以極大地延長(zhǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的生存周期，這對(duì)于井下環(huán)境復(fù)雜，供電受到嚴(yán)格限制的特點(diǎn)而言是非常合適的。同時(shí)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的安裝也非常方便，只需要在井下每隔一段距離設(shè)置固定節(jié)點(diǎn)即可，甚至可以利用原有已鋪設(shè)好的網(wǎng)絡(luò)來(lái)減少工作量，壓縮安裝成本。因此，在本系統(tǒng)中，沒(méi)有選擇其他傳輸帶寬更好，但成本或使用條件也更苛刻的無(wú)線通信技術(shù)，而是選用了ZigBee來(lái)完成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)工作。

3 本系統(tǒng)的信號(hào)傳輸機(jī)制

本系統(tǒng)在信號(hào)傳輸和處理上分為兩種模式，即地面模式和井下模式。

3.1 地面模式

該模式主要處理傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，通過(guò)快速的匯總、解析和計(jì)算，在最短的時(shí)間內(nèi)得出結(jié)果，向管理者遞交。在地面模式下，將不再采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成傳輸，因?yàn)榇藭r(shí)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的低傳輸速率可能會(huì)影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度，且地面環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，更宜鋪設(shè)通信質(zhì)量更高的有線網(wǎng)絡(luò)（如工業(yè)上常用的CAN總線網(wǎng)絡(luò)或者工業(yè)以太網(wǎng)）。如果礦區(qū)本身已經(jīng)建立的類(lèi)似的網(wǎng)絡(luò)，也應(yīng)當(dāng)盡可能地充分利用，以壓縮成本。地面設(shè)備有網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心、用于機(jī)車(chē)定位的管理軟件以及報(bào)警裝置等。

3.2 井下模式

該模式下，系統(tǒng)主要采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成組網(wǎng)工作，一是在固定位置（相隔50-100m）設(shè)置通信節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)，以撲捉機(jī)車(chē)通過(guò)的信息，實(shí)現(xiàn)固定點(diǎn)的定位。這些固定通信節(jié)點(diǎn)又分為路由節(jié)點(diǎn)和接入節(jié)點(diǎn)。路由節(jié)點(diǎn)工作在網(wǎng)絡(luò)層，通過(guò)相關(guān)協(xié)議組成網(wǎng)絡(luò)， 而接入節(jié)點(diǎn)則用來(lái)與有線網(wǎng)絡(luò)連接，通過(guò)自動(dòng)讀取移動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別信息來(lái)確定位置。另一方面，在礦井機(jī)車(chē)上安裝RFID通信模塊，可提供動(dòng)態(tài)的識(shí)別信號(hào)，即定位節(jié)點(diǎn)。

4 本系統(tǒng)的機(jī)車(chē)動(dòng)態(tài)定位原理

如上所述，井下車(chē)輛安裝有RFID通信模塊，根據(jù)不同頻率進(jìn)行識(shí)別，此射頻信號(hào)發(fā)送給離機(jī)車(chē)最近的通信節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)將車(chē)輛識(shí)別信號(hào)的編碼和自身的靜態(tài)地址相組合，再不斷向后轉(zhuǎn)發(fā)，直至傳輸至數(shù)據(jù)中心，然后由上位機(jī)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的分析處理，并將結(jié)果展現(xiàn)給管理員，使其及時(shí)掌握井下?tīng)顩r。同時(shí)，根據(jù)不同的頻率可由分析軟件在屏幕上顯示具體的車(chē)輛名稱編號(hào)，管理者還可以隨之呼叫和控制其中某一輛選定的機(jī)車(chē)。每輛車(chē)有緊急情況也可呼救井上管理中心，這種雙向交互式通信對(duì)于井下復(fù)雜的工作環(huán)境而言起到了良好的保障作用。系統(tǒng)示例按圖1所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于礦井機(jī)車(chē)定位系統(tǒng)，利用ZigBee通訊技術(shù)功耗低、成本低、實(shí)時(shí)性高的特點(diǎn)，完成了井下通訊節(jié)點(diǎn)到地面監(jiān)控服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸，從而完成了地面控制中心對(duì)井下機(jī)車(chē)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)利用RFID提高了該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)了更有效地對(duì)井下車(chē)輛的調(diào)度與分配，加強(qiáng)了管理力度，提高了工作效率。隨著煤礦企業(yè)智能化開(kāi)采程度的提高，該系統(tǒng)有著越來(lái)越廣泛的使用前景。

參考文獻(xiàn)

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