礦井人員定位及瓦斯遠程監控礦井人員定位及瓦斯遠程監控
作者：中國·河北石家莊億邦科技有限公司
2010-04-23 09:34
來源：http://www.sjzyb.com
一礦井人員定位係統現狀
井下人員定位
管理係統，目前國內已有多家公司推出相關產品，然而這些公司推出的產品主要是基於RFID (Radio Frequency Identification，即射頻識別，俗稱電子標簽)技術，發射采用133 kHz無線信號，接收采用450 MHz信號，該技術相對較為成熟，已廣泛用於門禁係統的身份識別，其原理是利用無線信號的大功率能量激發身份卡，身份卡中無需電池，利用接收到的無線信號能量來進行信號的應答，其優點在於體積小，重量輕便於攜帶。而此技術在井下人員定位係統中 進行應用時存在通信距離短，目前所能達到的指標為9 in，無線基站發射功率大，15 w 以上，不利於井下
安全，同時存在多人同時通過無線基站時存在漏卡現象，更無法實現井下無線信號的全覆蓋和人員的精確定位，隻能用於簡單的人員考勤
管理，並且在進入
煤礦時還必須分散分批進入，使用效果不佳。基於ZigBee技術的
煤礦井下無線網絡通信係統成功解決上述問題。
二、zigbee技術介紹
2.1 zigbee簡介
ZigBee是一種近距離、低複雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，完整的協議棧隻有32KB，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。這些特點決定ZigBee技術非常適合應用在無線傳感器網絡中。與現有的各種無線通信技術相比，ZigBee 技術在功耗和成本上相對較低，有很大的優勢。本文研究
設計的礦井人員定位及瓦斯無線監測係統就是基於ZigBee技術的無線傳感器網絡，用於實時定位井下人員的位置及監測礦井空氣中的瓦斯濃度，實現係統的可靠性、便於安裝性、低成本、節能和實際可行性，從而給
煤礦生產工作的順利進行提供一定的保障，為礦井的防災、減災以及提高生產效率方麵發揮一定的作用。
2.2 zigbee技術特點
◇ 物理層RF 通信鏈接
直序擴頻采用高處理增益；明晰的信道檢測；對幹擾能量進行檢測；采用跳頻技術Frequency agility；
◇ 協議
基於CRC的誤碼檢測/校正；采取了避免衝突的策略CSMA/CA；為固定帶寬的通信業務預留了專用的有保證的時隙；發送的數據包都有待於接受方的確認，如出現問題進行重發；
保持數據包的及時傳輸Packet data freshness；
◇ 通信可靠機製
zigbee采用了CSMA－CA的碰撞避免機製，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避免了發送數據時的競爭和衝突；明晰的信道檢測；MAC層采用了完全確認的數據傳輸機製，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息。
◇ 網絡的自組織、自愈能力強
zigbee的自組織功能：無需人工幹預，網絡節點能夠感知其他節點的存在，並確定連接關係，組成結構化的網絡；zigbee自愈功能：增加或者刪除一個節點，節點位置發生變動，節點發生故障等等，網絡都能夠自我修複，並對網絡拓撲結構進行相應地調整，無需人工幹預，保證整個係統仍然能正常工作。
2.3 zigbee的技術優勢
◇ 數據傳輸速率低：10KB/秒~250KB /秒，專注於低傳輸應用
◇ 功耗低：在低功耗待機模式下，兩節普通5號電池可使用6~24個月；
◇ 成本低：ZigBee數據傳輸速率低，協議簡單，所以大大降低了成本；
◇ 網絡容量大：網絡可容納65,000個設備；
◇ 時延短：典型搜索設備時延為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設備信道接入時延為15ms。
◇ 網絡的自組織、自愈能力強 ，通信可靠；
◇ 工作頻段靈活：使用頻段為2.4GHz、868MHz（歐洲）和915MHz（美國），均為免執照（免費）的頻段
2.4 zigbee網絡設備
◇ 網絡協調器：包含所有的網絡消息，是3種設備類型中最複雜的一種，存儲容量最大、計算能力最強。發送網絡信標、建立一個網絡、
管理網絡節點、存儲網絡節點信息、尋找一對節點間的路由消息、不斷地接收信息。
◇ 全功能設備(FFD)：可以擔任網絡協調者，形成網絡，讓其它的FFD或是精簡功能裝置（RFD）連結，FFD具備控製器的功能，可提供信息雙向傳輸。
• 附帶由
標準指定的全部 802.15.4 功能和所有特征
• 更多的存儲器、計算能力可使其在空閑時起網絡路由器作用。
• 也能用作終端設備
◇ 精簡功能設備(RFD)：RFD隻能傳送信息給FFD或從FFD接收信息。
• 附帶有限的功能來控製成本和複雜性
• 在網絡中通常用作終端設備。
• ZigBee相對簡單的實現自然節省了費用。RFD由於省掉了內存和其他電路，降低了ZigBee部件的成本，而簡單的8位處理器和小協議棧也有助於降低成本。
三、方案介紹
3.1總體介紹
本係統是由多個自給供電的ZigBee節點組成的，每個ZigBee節點都可以進行周圍環境數據的采集、簡單計算以及與其他節點及外界進行通信，從而使得眾多的傳感器和zigbee手持終端可以通過協同工作進行高質量的通訊，組成一個容錯性較好的采集係統。本係統主要包括ZigBee精簡節點、ZigBee全功能節點和zigbee路由節點，整體係統結構如下圖，其中ZigBee全功能節點主要用於組合從各個瓦斯傳感器節點得到的數據以及負責與外界的通信，該節點基於嵌入式係統。本係統采用部分網狀(Partial Mesh)拓撲結構，其主要好處是每個節點的範圍都成倍地擴大了，沒有最大通信距離的限製，因為它所有的節點都被用作中繼器或路由器。這樣在所有節點中都能實現冗餘路徑。
3.2網絡結構圖
3.3功能描述
◇ ZigBee全功能節點
主要功能是采集瓦斯濃度數據和終端節點的接力數據傳輸，並將數據發送給ZigBee路由節點或相鄰的全功能節點。ZigBee節點主要由傳感器模塊、通訊模塊、存儲模塊和電源
管理模塊組成，包括電源模塊指示燈/開關、傳感器模塊接口、天線接口等。傳感器有很多種類，可以檢測溫濕度、光照、噪聲、振動、磁場、加速度、氣體濃度等物理量。本係統采用的傳感器模塊采用瓦斯傳感器和溫濕度傳感器。瓦斯傳感器采用高靈敏度低功耗瓦斯傳感器，它以二氧化錫為基本敏感材料，專門用於可燃氣濃度檢測的一種半導體型氣體傳感器。它的基本特征是：極高靈敏度和極快的響應速度且低功耗。適用於對瓦斯等可燃氣濃度的檢測，用於瓦斯報警器，可燃氣報警器，瓦斯檢測儀等。該傳感器體積小，耗電低，應用電路簡單，報警濃度為甲烷≥1％，響應時間≤20s，恢複時間≤30s，工作溫度範圍-15℃～+50℃，濕度≤97％RH，靜態功耗為150mW，報警狀態功耗為300mW，供電電壓為3～5VDC。傳感器敏感組件的電阻RS的變化表現為負載電阻RL上的電壓變化。驅動電壓VH、負載電阻RL以及檢測電壓VD的取值參照公司提供的典型資料，以使傳感器處於最佳工作狀態。
◇ zigbee終端節點
該節點主要完成由手持zigbee終端組成，完成井下人員的定位功能。其原理如下：
井下人員佩帶zigbee終端，終端與全功能節點或路由節點進行數據交互，監控人員根據路由節點傳回的信息，得知井下人員的大致位置。為保證人員區域檢測，最大限度的降低終端功耗，采用路由節點偵聽，終端呼叫方案：路由節點在平時工作在偵聽狀態；終端工作在休眠待機狀態，每隔3秒發送一次呼叫，和區域內的全功能節點或路由節點建立鏈接，確認信息，內置重發機製。
◇ 路由節點
主要完成數據的無線通訊任務，並實時監測各個終端節點位置，完成人員定位工作。在遠距離傳輸時，路由節點可以同RS485總線相連，完成路由節點同GPRS DTU的通訊任務。
以上隻是方案的概要介紹。具體實際問題會有所不同。請就近聯係億邦科技有關人員。
四、數據采集終端設備（INDTU-051G/10）技術參數說明
INDTU終端是以計算機應用技術、現代通信技術、工業自動控製技術為基礎的信息采集、處理和實時監控係統。終端技術先進、功能完善、擴展靈活，是新一代遠程監控裝置.終端采用Intel 高性能增強嵌入式32 位CPU，嵌入式操作係統，作為控製與管理係統中的智能采集執行終端。可利用Intrnet、Internet、GPRS/CDMA 或其它通訊方式和管理主站進行通訊。終端可將采集信息和告警信息主動上報或者召測上報。
4.1 INDTU工作原理圖
4.2產品特點
◆ 采用ARM 嵌入式32 位係統，實時運算處理能力強。配有不掉電工作RAM和高性能CPU 監控芯片。設備工作穩定可靠，在掉電的情況下也不會丟失數據。采用了頁麵管理技術，配有大容量FLASH ROM 內存，可進行大批量數據存儲，終端在未接到刷新命令前，無論斷電與否均可保存數據。
◆ 通信方式靈活：終端上有更多的獨立串行總線,很容易外接多種功能模塊,使終端具有更好的擴展性；可根據用戶不同通信條件靈活配置通信模塊(選配不同插件),支持以太網、GSM/GPRS/CDMA 等網絡通信方式，具有速度快，工作電流小，抗幹擾性強等優點，從而使得數據傳輸具有高可靠性。
◆ 終端電磁兼容性能優良，能抵禦高壓尖峰脈衝、強磁場、強靜電、雷擊浪湧的幹擾,且具有較強的溫度自適應範圍,各電路板模塊采用軟、硬件電路和看門狗電路及複位電路，終端運行
安全可靠且易於維護。
◆ 具有功能強大的組態功能，可以在當地/遠方修改設備參數，支持當地/遠方軟件的在線升級。
◆ 終端可由通訊口（RS485 接口）直接讀取智能儀表的數據。支持通信規約的二次開發；增加支持多種規約，能夠與多種表計通訊。
◆工業級低功耗、高性能嵌入式處理器，可以可靠處理協議和大量數據。工業級品質保證、性能穩定可靠。
◆ 內嵌看門狗、繼電器斷電管理、不死機、掉線自動恢複，終端的維護工作幾乎為零。支持完全透明的數據傳送模式。
◆ 抗幹擾
設計，即便在硬件被死鎖，普通看門狗無法服務處理器和通信模塊的情況下仍然可以可靠的自動恢複到正常狀態的功能。
以上隻是我公司其中之一的產品簡介，更多產品（如CDMA DTU，GRPS router，GRPS modem等等）及產品手冊見公司網站（
http://www.sjzyb.com/）
五、售後服務
5.1技術支持與服務
對於我公司所
設計施工的係統及我公司銷售的設備我們保證用戶能夠得到整個係統的終身技術支持和服務。在服務速度上，我們承諾，在用戶係統出現故障時，我們在最短時間內響應。
在係統設備到貨前，我們將指派專門人員前往用戶現場，做好設備安裝的先期準備工作，以使係統設備運行在一個良好的工作環境，並將與用戶協調有關係統的安裝調試工作。在係統設備到貨後，我們的有關人員將與用戶一起對設備進行檢查驗收，並實施現場的安裝調試工作，以便及時解決萬一在發貨過程中存在的差錯。
作為技術支持重要部分，我們還將為用戶提供最佳的係統升級服務，並確保：
◆ 技術的先進性與應用適用發展趨勢；
◆ 隨時能夠為用戶提供係統的擴展能力，以滿足用戶日益發展的要求；
◆ 升級後的係統有良好的性能價格比；
5.2電話支持與服務
客戶的係統管理員或係統管理維護人員隨時可與我公司直接電話聯係，由我們的
工程師和軟件
工程師通過電話向用戶提供專業的技術谘詢，以最快的速度解決用戶網絡係統中出現的問題，並提供全天候、無周末、1 小時響應服務。
5.3現場維護服務
5.4設備維修服務
我們對免費維護期內的係統設備提供現場維護和更換服務，對後續保用服務合同內指定的所有設備提供保修和保養服務。對於未包含在後續保用服務內的設備可提供優惠收費維護服務。
5.5人員培訓
根據客戶的需要，我公司將客戶相關技術人員進行全麵的技術培訓，達到全麵理解係統的功能和相關技術、並且可以獨立進行安裝配置、日常使用維持、一般故障診斷和修複等工作之目的。
有關具體的培訓內容包括：
◆ 係統的體係結構及相關技術；
◆ 係統的安裝調試；
◆ 係統管理員和用戶培訓。
六、結束語
本係統的
設計結合現階段
煤礦安全生產現狀及ZigBee技術的發展現狀，應用低功耗微處理器，結合相應外圍電路設計ZigBee節點，能夠采集溫度、濕度和瓦斯試驗數據，能夠完成人員定位功能。並能通過ZigBee節點傳到上位機。ZigBee技術作為一種短距離、低複雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術，將隨著技術的進一步發展，成為實現無線監測係統最理想的應用方案和發展趨勢。
方案提供：石家莊億邦
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