陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿 陕西黄陵 727307
摘要：本文介绍了一号煤矿在人员定位系统改造中所选用几种无线通信技术，首先介绍了井下4G通信技术，其次阐述了人员定位系统的结构与组成，最终实现4G技术与定位系统的融合。
关键词：zigbee；人员定位；无线通信
0 引言
有线矿井监测、监控系统已经逐渐发展成为行业生产安全、灾害预测和预警的主要方式之一。但是因矿井井下地质条件复杂、开采环境比较繁杂，使得矿井灾害和事故问题经常出现，而且井下作业人员流动性大，一旦发生事故，无法确切知道他们所处的位置，给救灾工作带来极大的困难。为了有效的解决矿井安全和应急救援中所面临的问题，就需要不断提升瓦斯等灾害防治和应急装备的整体质量，而利用更精准、更先进的井下人员定位系统可在事故发生后，能够及时准确地施救被困人员，最大程度保障矿工的人身安全，从而避免大型矿难的发生挽救矿山企业的财产和声誉。而且，随着国家对矿山安全生产的日益重视，以及各矿山企业提高生产效率增强企业竞争力的需求日益强烈，矿山对通信的安全性、便捷性、可靠性、实用性的需求日益强烈。基于此，一号煤矿将原有人员定位系统改造为具有无线通信功能的，基于zigbee技术的人员定位系统，既满足了煤矿安全管理中对人员精准定位的需求，又为智能矿井建设提供了数据无线传输基础。
1 矿山无线通信技术的发展与人员定位技术选型
矿山无线通信的发展经历了几个阶段，漏泄通信(对讲)----小灵通----- WiFi、 4G无线通信。小灵通的技术已经落伍，频段已经被3G占用，小灵通在地面已经停止使用，设备供应商也不再提供基站设备，导致矿山小灵通系统配件很难采购，目前一号煤矿已停止使用小灵通设备。现行主要的人员定位系统为基于RFID的刷卡式人员定位系统，因其系统的扩展性不强、区域定位粗略、RFID人工刷卡不可靠、不确定性、双向通讯能力较弱等缺点，已逐渐被市场所淘汰。
WiFi无线通信系统，支持54M高数据传输带宽，单个基站能实现16用户同时使用，能实现矿区井上与井下的语音、数据、图像传输功能。WiFi是种无线网络技术， 通常使用2.4G射频频段， 基于IEEE802.11标准，传输速度快，可以达到54Mbps。矿用WiFi无线通信系统由SIP调度交换系统(IP调度交换机、通信服务器)环网接入器、程用环网接入器、矿用本安型通信接口、矿用本安型综合基站及其它配套设备等组成。
ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。采用ZigBee技术的矿用人员定位系统由地面中心站、系统软件、传输平台、无线数据监测站、无线数据收发器、多功能矿灯、传输光缆、电缆等组成。
目前，WiFi无线通信技术和基于Zigbee技术的人员定位系统已经非常成熟，而二者结合在一起，与一号煤矿搭建的万兆工业环网结合，可以减少分站、电源、线缆等的布置，一定程度上减少企业的人力物力财力。
2 Zigbee技术在人员定位系统中的基本原理
在Zigbee无线网络中，网络节点包括两类，即参考节点和移动节点。基本原理是定位网络中移动目标节点可将无线信号强度值和参考节点的距离換算，来获得移动目标节点自身的位置信息，传输给邻近的参考节点，参考节点将接收到的移动目标节点信息无线信号强度RSSI和无线信号质量LQI，以无线方式通过无线网关节点和以太网传送到中心控制机作最终处理。井下部分通过Zigbee无线网络组网，参考节点根据实际需要，沿坑道每隔50-200 m距离(工作面距离则可降低为50m)，在巷道适当位置设置一个Zigbee参考节点，同时在需要定位和网络连接的地方，也安置Zigbee参考节点（基站），而移动节点由下井矿工携带，信息化矿灯电池供电。为避免井下环境对无线信号的干扰，所有无线网络节点使用的都是抗干扰的直序扩频通信方式，具有唯一标识的地址。在布置参考节点的位置时，注意应使每个移动节点至少可与2个以上的参考节点进行通信，即避免“单线通信联系”，以保证Zigbee网络通信的可靠性。
因为Zigbee网络节点体积很小，而且网络节点之间的通信不需要使用额外的光纤或通信电缆来进行连接，组网非常方便灵活。井上部分由以太网方式与外界组网。
3 系统的结构与功能
基于ZigBee 的井下人员定位系统，主要由综合基站定位模块、人员标识卡、信息化矿灯等组成，井下重点区域安装综合基站，采用定向天线覆盖方式，矿用防爆手机在基站无线覆盖范围内实现无线通信，基站无线覆盖范围400-600米(根据巷道环境条件有所不同)。综合基站可接入工业以太环网或独立组网，基站与基站之间采用光纤连接，或者采用DSL线缆连接，工作面基站建议采用线缆型基站，方便回撤。通过环网将基站收集到的人员位置信息传递至服务器进行分析，能够及时、准确的将井下各个区域人员的动态分布情况实时反映到井上调度，使调度人员能够随时掌握井下人员的分布状况和井下任何一人的运动轨迹，以便于运行更加合理的调度管理。当事故发生时，地面人员能够根据人员定位系统所提供的井下人员相应位置情况，采取行之有效的救援方式，提高救援科学性和合理性，减少生命财产损失。人员定位系统的主要功能如下：
（1）管理功能 系统可显示综合基站的具体信息，包括基本信息、相对位置和运行状态等；可通过网络远程管理、增加或删减基站、下发报警信息、对人员考勤情况进行统计分析，分类汇总；
（2）查询功能 系统可以通过设定条件完成查询，快速寻找符合条件的人员信息，包括区域人数、区域人员信息、进行禁区闯入统计、站点信息统计等;可在地图上显示精确位置；可对人员活动路线进行描绘或以列表显示；
（3）报警功能 以图标方式对各种报警情况进行提示，并可查看报警详情，报警类型有：井下人员求救报警；基站链路异常报警：井下线缆中断或基站不工作的情况下发出此报警；区域超员报警；工作超时报警；
（4）数据查询功能 可根据多种条件（如按人员、时间、工种）对数据进行查询：出/入井时刻；出/入重点区域时刻；出/入限制区域时刻；进入读卡基站识别区域时刻；出/入巷道分支时刻及方向；超员总数、起止时刻及人员；超时人员总数、起止时刻及人员；工作异常人员总数、起止时刻及人员；卡号、姓名、身份证号、年龄、职务或工种、班组、主要工作地点等。
4 融合系统实现的功能
一号煤矿本次选用的综合基站作为一网一站多系统的核心设备，通过接插对应模块，具有4G通讯、定位、测速、数据传输、语音调度等多个功能。井下综合基站将实现人员定位、4G通信和WiFi覆盖功能。系统内矿用防爆手机之间可互相呼叫通话，外线电话与系统内手机可互相呼叫通话，支持短信群发。系统内设备可通过WiFi无线上网，可接入无线摄像头实现视频监控，可接入巡检机器人，可为各种自动化设备提供网络服务。
5系统在矿山的应用
该系统在一号煤矿的实际应用，在地面机房安装一台服务器、一台网管计算机和一台数据接口箱，井下配置245台综合基站及电源（4G板卡、交换机、定位板卡以及wifi板卡均独立供电）、160台智能车载终端、本安型4G手机295部、3000台含信息化矿灯及54台综保等设备），该项目目前已基本竣工，正在进行试运行，系统运行良好。WiFi无线通信和人员定位技术成熟，两者合二为一，减少了矿方基站、电源等的布置，在一定程度上给矿山减少了人力物力财力。该系统与矿区井上与井下的无线语音、数据、图像传输及人员监测与管理提供一个共用的系统平台，也可为生产调度、应急救援、安全监控与督查提供良好的应用基础。
6 结语
通过Zigbee无线通信技术，实现了综合基站和标识卡之间的稳定通信，井下人员的位置信息快速上传到主机，通过地面监控软件与大屏幕，可以实现井下工作人员位置的准确监控，实现了真正意义上的井下人员定位跟踪。该项技术的应用，提高了一号煤矿人员定位系统的可靠性、安全性和先进性。
作者简介：
李权（1985-），男，陕西榆林人，汉，从事信息部技术管理工作。