专利名称：基于ZigBee技术的煤矿人员定位与管理系统的制作方法
技术领域：
本发明的目的在于提出一种基于ZigBee技术的煤矿人员定位与管理系统，提高煤矿管理人员以及上层监管部门对煤矿运行情况的实时监管能力，并在事故发生后为救援人员提供强有力的信息保障和支持。
背景技术：
近年来，国家对煤炭的需求日益高速增长，煤炭工业也随之得到很大发展，但是煤矿重大、特大事故时有发生，仍未实现对灾害事故的有效控制。由于煤矿工业的特殊性，目前普遍存在下井人员管理困难，井上人员难以及时掌握井下人员的动态分布及作业情况， 一旦事故发生，井上人员缺乏可靠的井下信息，抢险救灾、安全救护的效率低下，效果不理想，为此，一套先进可靠的人员定位系统是非常重要的。当事故发生后，能够准确判定井下生产作业人员的受困位置、遇险人员撤退路线、井下的环境监测情况等，为救援人员制定救援方案提供有力的信息保障。目前市面上存在着一些人员定位系统，不足主要如下
(1)井下人员的跟踪，标示卡基本上采用的是RFID。这种方法是在矿井井口处，或其它一些井下关键通道口，使用射频卡(RFID)读取的方法对下井人员进行记录跟踪的方法。这种标识卡存在以下问题有效工作时间短；高速条件下定位人员漏检率较高，射频卡读卡速度十分有限，不能处理多人同时快速通过读卡系统的情况(例如乘车下井等)，会出现漏读的现象；通信方式要求较高的信噪比，抗干扰能力差，而井下环境条件十分复杂，干扰因素无处不在，特别是最关键的采掘工作面；读写距离有限，标示卡的方向位置和读写器天线的方向的匹配有一定的要求，系统的灵活性大受限制。(2)单向信息传输，信息传输速率低。早期的人员定位系统信息传输的方向都是由标识卡到主站方向的，作为保证矿工安全的系统确没有办法向井下发送信息，使该类系统所能发挥的作用大打折扣。人员定位系统信息传输数据较低影响了系统的实时性。(3)井下控制网或总线传输速率低、传输距离短、通信不可靠、误码率高，常常出现一个节点损坏导致整个系统瘫痪的情况。
发明内容
本发明的目的在于提出一种煤矿人员定位与管理系统，提高煤矿管理人员以及上层监管部门对煤矿运行情况的实时监管能力，并在事故发生后为救援人员提供强有力的信息保障和支持。实现目的的技术解决方案具体如下一种基于ZigBee技术的煤矿人员定位与管理系统，利用ZigBee定位技术对煤矿工作人员进行定位跟踪并管理，包括井下人员定位网络、地面控制中心网络、与企业内部局域网之间的接口、与煤矿安全监管部门网络之间的接口、数据采集处理模块、查询管理模块、无线标识卡和无线定位基站；地面控制中心网络与井下人员定位网络之间采用光纤以太网连接；地面控制中心网络使用防火墙将网络分隔，对内提供以太网服务，对外提供与企业内部局域网之间的接口以及与煤矿安全监管部门网络之间的接口 ；网络控制器与无线定位基站之间采用LonWorks控制总线进行连接构成井下人员定位网络；以太网和LonWorks控制总线的信息交换由网络控制器中的i. LON服务器实现；当携带有标识卡的人员通过无线定位基站的工作范围时，标识卡主动向无线定位基站发送人员编码信息，无线定位基站在收到标识卡发送的信息后将信息通过LonWorks控制总线传送给网络控制器，网络控制器再通过以太网将数据发送给地面控制中心网络，地面控制中心网络收集处理信息后实时显示给管理人员。本发明与现有技术相比，其显著优点(1)采用无线标识卡有效工作时间长，能处理多人同时快速通过读卡系统的情况；(2)双向信息传输，信息传输速率较高。提高了系统的实时性。(3)提高了井下控制网和总线的传输速率。
图1是系统网络结构图。图2是网络控制器原理框图。图3是基站组成原理框图。图4是标识卡组成原理框图。
具体实施例方式本发明系统主要用于井下人员和机车定位跟踪。在使用中，在井下的主入井通道、 各采区入口等人员可能经过的通道中安装无线定位基站，并且通过网络布线与地面控制中心的计算机进行联网。当携带定位标识卡的人员或机车经过井下巷道内安装的基站时，基站获取人员或机车携带的标签信息，并自动采集该人员经过的时间、地点信息，并传送到地面的管理数据库。地面中心站处理来自井下定位基站上的编码信号，实现对井下人员和机车跟踪定位信息的采集、分析处理、实时显示、历史数据存储报表、查询打印等功能，并同时显示在控制中心的监视器上，使管理人员能及时准确地查询、观察各种信息，方便管理人员对井下人员进行管理和设备的调度。同时，一旦井下发生事故，可根据电脑中的人员分布信息马上得出事故地点的人员分布情况，以便帮助营救人员快速准确地实施营救。本发明利用ZigBee定位技术对煤矿工作人员进行定位跟踪并管理，其包括三大功能模块系统网络模块1，地面监测模块2，井下定位设备模块3。系统网络模块1包括井下人员定位网络11、地面控制中心网络12、与企业内部局域网之间的接口 13以及与煤矿安全监管部门网络之间的接口 14 ；地面监测模块2包括数据采集处理模块21、查询管理模块 22 ；井下定位设备模块3包括无线标识卡31、无线定位基站32 ；地面监控模块2与井下人员定位网络11之间采用IOOM光纤以太网连接；井下人员定位网络11中使用网络控制器与无线定位基站32之间采用LonWorks控制总线进行连接；以太网和LonWorks控制总线的信息交换任务由井下人员定位网络11中网络控制器中的i. LON服务器实现；当携带有标识卡的人员通过无线定位基站的工作范围时，标识卡主动向基站发送人员编码信息，基站在收到标识卡发送的信息后将信息通过LonWorks控制总线传送给网络控制器，网络控制器再通过以太网将数据发送给地面监测模块2，地面监测模块2收集处理信息后实时显示给管理人员，管理人员通过地面监测模块2 了解和管理煤矿的运行状态和情况。
系统网络模块1包括井下人员定位网络11、地面控制中心网络12、与企业内部局域网之间的接口 13以及与煤矿安全监管部门网络之间的接口 14四个子模块，特征如下
1)井下人员定位网络11由环形网形式连接的若干网络控制器组成，每个网络控制器连接若干个无线定位基站32，井下网络控制器与网络控制器之间采用100M光纤以太网连接，无线定位基站32之间采用LonWorks控制总线进行连接；网络控制器用于与井下无线定位基站的双向通信、与地面控制中心网络的通信；
2)地面控制中心网络12由监控主机、备用主机、服务器(包括防火墙、Web服务器、数据库服务器)、电涌保护器等组成，用以太网的方式将各监控主机、主机与服务器、主机与显示屏等连接；同时，对外提供企业内部局域网的访问接口以及煤矿安全监管部门网络的访问接口 ；
3)与企业内部局域网之间的接口13 通过防火墙和网络服务器组成访问服务接口，向企业内部局域网提供访问服务，企业内部局域网通过此服务接口收集相关所需信息，用于企业安全生产职能部门及主管领导对各矿井生产情况进行了解和掌控；
4)与煤矿安全监管部门网络之间的接口14 通过防火墙和网络服务器组成访问服务接口，向煤矿安全监管部门提供访问服务，实现监控中心与煤矿安全监管部门之间的联网， 能使监管部门通过访问服务接口直接从地面监控中心获取煤矿信息，了解掌握煤矿安全生产情况。地面监测模块2包括数据采集处理模块21、查询管理模块22 ；数据采集处理模块 21由一台服务器构成，通过以太网与井下人员定位网络11相连，搭载数据采集处理软件， 实时采集人员定位数据并进行处理、存储；数据查询管理模块22由Web服务器构成，通过以太网与数据服务器、多台监控主机相连接，运行相关软件系统，实时处理监控主机发送的查询请求和管理指令，根据相应查询向数据服务器提出查询请求，同时，按照监控主机端管理员发出的指令向井下发出指令。井下定位设备模块3采用了 ZigBee无线技术，包括了无线标识卡31和无线定位基站32 ；无线定位基站32与无线标识卡31之间采用2. 4G ISM频段无线通信，通信速率采用2501ApS ；无线标识卡31平时处于休眠状态，当在某一基站的识别范围内且被激活时， 主动向基站发送人员编码信息，发送完毕转入休眠状态，等待基站的下一次激活；无线定位基站32由稳压电源、无线收发器、微处理器、存储器、天线等其他辅助模块组成，不断地通过天线发出载波信号，当带有无线标识卡通过基站附近时，标识卡芯片即被唤醒，原本处于 “休眠状态”的芯片被激活并将含有自身的编码信息调制到载波上经卡内天线发射出去，基站通过无线收发器接收标识卡发出的信息。下面结合附图对本发明作进一步详细说明。如图1所示的系统网络结构分为两大部分地面监控网络、井下控制网络。地面监控中心主要由监控主机及监控软件、备用主机、UPS、打印机、大屏、服务器(包括防火墙、数据库服务器)、电涌保护器等组成。地面监控中心局域网内部采用C/S结构。监控主机就是数据采集主机，主要功能是利用以太网与井下设备进行通信，来采集人员定位信息。数据库服务器的主要功能是存储由监控主机采集的数据。Web服务器主要接收网络客户端的请求， 并与地面中心站监控主机进行socket通信，获取实时和历史数据，利用网络将数据和曲线显示在客户端上。Web客户端请求确定的服务器网址，选择想要查看的实时或历史数据及曲线，通过UDP协议与Web服务器进行数据的传输，服务器接受请求后，建立与采集主机的通信，获取数据并传输显示。井下控制网络主要有环形网组成，环形网上连接若干网络控制器。每个网络控制器可连接32个定位基站。网络控制器主要功能是与井下定位基站的双向通信、与地面监控网络的通信。定位基站的主要功能是通过无线网络对井下人员进行跟踪识别，同时将识别到的人员信息以一定的数据格式传至地面监控中心。如图2所示的网络控制器主要由以太网交换机，1台i. L0N100服务器，1台光纤终端盒，1台电源变压器，直流稳压电源，隔离耦合器，24V蓄电池组成。网络控制器肩负着系统通讯的重任。地面中心站的参数、命令通过以太网交换机变为电信号。再经i. LON服务器的载波通信接口将参数、命令传送到基站。基站采集到的数据通过i. LON服务器的自适应 10/100Base以太网接口，传送到以太网交换机并将电信号变为光信号远传到地面中心站。如图3所示的基站主要由稳压电源模块、无线收发器、微处理器、存储器、接收天线、显示模块、红外接受器、Lonworks接口模块、声光报警器接口等其他辅助模块组成。基站是采集信号的关键部件，它不断地通过发射天线发出载波信号(寻找信号)。当带有标识卡的职工通过分站附近时，标识卡芯片即被唤醒，原本处于“休眠状态”的芯片被激活并将含有自身的编码信息调制到载波上经卡内天线发射出去，发送成功后立刻进入休眠状态。其中ZigBee无线收发器芯片是采集射频标识卡的第一门户通道，也是最重要的一个功能部件。该内部集成了无线接收电路及发生基带信号的功率输出电路。它将接收到标识卡发出的识别码基带信息在其内部经解调、带通滤波整形后由输出电路输出序列串行信号(SPI) 提供给微处理器。微处理器接收到无线收发器输出的信号后，对信号进行采集、处理。如图4所示的标示卡主要由供电电池、稳压模块、天线、无线收发器等模块组成。 无线标识卡在待机时处于休眠状态，耗电量很少，当被附近的人员定位基站“唤醒”时才发射信号，发射完立刻又转入休眠状态。当带有标识卡的职工或机车经过监测基站时，立即被系统识别，并通过系统网络的信息交换，将此人通过的路段(基站编号)、通过时间、标识卡的编号等信息传输至地面监控中心。
权利要求
1.一种基于ZigBee技术的煤矿人员定位与管理系统，其特征在于利用ZigBee定位技术对煤矿工作人员进行定位跟踪并管理，包括井下人员定位网络[11]、地面控制中心网络 [12]、与企业内部局域网之间的接口 [13]、与煤矿安全监管部门网络之间的接口 [14]、数据采集处理模块[21]、查询管理模块[22]、无线标识卡[31]和无线定位基站[32]；地面控制中心网络[12]与井下人员定位网络[11]之间采用光纤以太网连接；地面控制中心网络 [12]使用防火墙将网络分隔，对内提供以太网服务，对外提供与企业内部局域网之间的接口 [13]以及与煤矿安全监管部门网络之间的接口 [14]；网络控制器与无线定位基站[32] 之间采用LonWorks控制总线进行连接构成井下人员定位网络[11 ]；以太网和LonWorks控制总线的信息交换由网络控制器中的i. LON服务器实现；当携带有标识卡[31]的人员通过无线定位基站[32]的工作范围时，标识卡[31]主动向无线定位基站[32]发送人员编码信息，无线定位基站[32]在收到标识卡[31]发送的信息后将信息通过LonWorks控制总线传送给网络控制器，网络控制器再通过以太网将数据发送给地面控制中心网络[12]，地面控制中心网络[12]收集处理信息后实时显示给管理人员。
2.根据权利1所述的基于ZigBee技术的煤矿人员定位与管理系统，其特征在于井下人员定位网络[11]:由环形网形式连接的若干网络控制器组成，每个网络控制器连接若干个无线定位基站[32]，网络控制器与网络控制器之间采用光纤以太网连接，无线定位基站[32]之间采用LonWorks控制总线进行连接；网络控制器与井下无线定位基站 [32]、网络控制器与地面控制中心网络[12]分别进行双向通信；地面控制中心网络[12]还包括监控主机、防火墙、Web服务器、数据库服务器和显示屏，用以太网的方式将各监控主机、监控主机与Web服务器、监控主机与显示屏连接；地面控制中心网络[12]对外提供企业内部局域网的访问接口以及煤矿安全监管部门网络的访问接口。
3.根据权利1所述的基于ZigBee技术的煤矿人员定位与管理系统，其特征在于所述数据采集处理模块[21]搭载数据采集处理软件运行于一台数据库服务器之上，实时采集人员定位数据并进行筛选、去杂，最后存储；数据查询管理模块[22]搭载软件运行于Web服务器之上，实时处理监控主机发送的查询请求和管理指令，根据相应查询向数据服务器提出查询请求，同时，按照监控主机发出的指令向井下发出指令。
4.根据权利1所述的基于ZigBee技术的煤矿人员定位与管理系统，其特征在于所述无线标识卡[31]和无线定位基站[32]采用了 ZigBee无线技术；无线定位基站[32]与无线标识卡[31]之间采用2. 4G ISM频段无线通信，通信速率采用2501ApS ；无线标识卡[31]平时处于休眠状态，当无线标识卡[31]在某一无线定位基站的识别范围内且被激活时，主动向无线定位基站[32]发送人员编码信息，发送完毕转入休眠状态，等待无线定位基站[32] 的下一次激活；无线定位基站[32]由稳压电源、无线收发器、微处理器、存储器、天线和其他辅助模块组成，不断地通过天线发出载波信号，当带有无线标识卡通过基站附近时，标识卡芯片即被唤醒，原本处于休眠状态的芯片被激活并将含有自身的编码信息调制到载波上经卡内天线发射出去，基站通过无线收发器接收标识卡发出的信息。
全文摘要
本发明公开了一种基于ZigBee技术的煤矿人员定位与管理系统，当携带有标识卡的人员通过无线定位基站的工作范围时，标识卡主动向无线定位基站发送人员编码信息，无线定位基站在收到标识卡发送的信息后将信息通过LonWorks控制总线传送给网络控制器，网络控制器再通过以太网将数据发送给地面控制中心网络，地面控制中心网络收集处理信息后实时显示给管理人员。本发明方案提高了煤矿管理人员以及上层监管部门对煤矿运行情况的实时监管能力，并在事故发生后为救援人员提供强有力的信息保障和支持。
文档编号E21F17/18GK102418560SQ20111045428
公开日2012年4月18日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者侯君, 倪铭, 张宏, 戚湧, 李千目 申请人:南京理工大学, 南京理工大学常熟研究院有限公司