关于无线通信技术在井下机车定位系统的应用研究

1 引言

随着煤矿开采规模的不断扩大，煤矿生产的高效性和可靠性需求也日益提高，我国政府目前已经正式提出了矿产资源精准开采的理念，而这一目标的实现离不开实时性好、准确度高的井下定位系统的参与，这也使得众多煤矿企业纷纷投入大量的人力物力，研发符合自身需求特点的井下监控与定位系统，从而形成了一波技术改进的潮流，显著提高了我国煤矿生产的自动化与信息化水平，煤矿企业也因此获得了长足的进步，提高了自身的竞争力，为实现产业结构的合理化调整奠定过了良好的基础。机车定位技术是一项多学科领域交叉的新兴技术，其技术水平的高低直接决定了井下人员、物资的运输效率和调度能力。本项目针对井下机车定位系统展开研究，提出将无线网络通信技术ZigBee应用到定位系统当中，实现高效优化的目的，具有显著的经济效益和社会效益。

2 ZigBee技术概述

无线通信技术品类多样，各具特色，目前得到了广泛的应用，而在工业控制领域内，ZigBee技术无疑是应用最多，受欢迎程度，技术成熟度最好的一款。该技术使用IEEE 802.15.4无线网络通信协议，通过通信节点构建自组织网络，具有成本低廉、通信质量高、功耗低、带宽小等特点，此外，ZigBee技术中的各个通信节点采用的供电方式为电池供电，在井下复杂环境中非常适合布设，且平常处于节能待机状态，只有当需要传输数据是才被激活工作，极大的延长了节点的生命周期，降低了后期的维护工作量。该网络抗干扰能力突出，也能够很好的解决井下客观存在的各种干扰源，保障数据传输质量。该技术也存在一些缺点，即传输距离较短，以及通信带宽较低，因此不适用于需要大规模传输数据的场合，但在工业控制领域中，不论是采样数据还是控制指令，都是相对简单的，因此并不会成为ZigBee技术推广的障碍。本项目根据井下机车定位工作的实际需求，也选定了该技术作为构建定位系统的核心技术。表1给出了数种无线通信技术在性能参数方面的对比信息。

表1 无线技术特点比较

3 系统的设计与开发

3.1 系统功能分布

针对煤矿井下生产作业的特殊性和要求,并结合ZigBee技术本身的限制和特点，本设计中的井下机车定位系统应当具有以下几种功能：

3.1.1 定位功能。根据采样统计的机车相关信息, 实时监控车辆的具体位置并及时反馈给上位机，并在上位机中通过调度软件来实现对井下机车的实时控制；

3.1.2 机车行进路线跟踪功能。根据从井下反馈回的机车行进轨迹, 跟踪车辆在井下活动的主区域并绘制路线图；

3.1.3 报警功能。机车在井下工作时遇矿井人员自动识别并报警,减少意外事故的发生。

3.2 系统的框架结构

系统从整体结构上可以分为上位机系统和下位机系统两部分，上位机位于地面控制室，而下位机系统则位于井下机车设备及均匀分布于巷道内。在地面监控室内，设置控制台主机，由其对传输至此的数据进行分析和计算，并对异常状况实行报警操作，因此需要根据不同煤矿井下的实际工作状态进行灵活的软件设置和报警阈值设定；在井下布设传感器节点时，一般每隔100m设置一节点，同时针对巷道转角、分支等复杂环境提高节点布设密度，保障机车通过各个位置时均能有效的采集到相关信息。此外还需设置一些固定的路由节点，负责对整个传感器网络的路由进行灵活的调节，对其中某些能量耗尽的节点进行有效的规避，最终实现全网络范围内数据的可靠传输；在机车上安装智能射频模块，并根据不同的频率识别每一台机车，从而使得采样节点及时获取该机车的位置信息。

4 定位原理

首先在井下机车的合适位置上安装无线射频通信模块，并且每一辆机车都分配有全范围内唯一的识别频率，当机车移动时，射频模块即向四周发射固定频率的电波信号，每一种频率的信号与一个唯一的识别码相对应，在车辆移动的过程中，该信号被附近的站点所接受并加以解析，取出识别码后，与该站点内存中存放的映射表相对照，如果该识别码为本站点所辖，则将数据添加自身的地址后，通过以太网或CAN总线发送给下一跳基站,此过程反复执行，数据即可在多个基站中不断跳转，并且在跳转的过程中会记录下所经过的每一个基站地址，预防出现闭环路由的情况。当数据传输至数据中心后提交管理员，从而使得调度管理人员能方便的地观察到井下工作车辆的即时位置。另一方面，对不同的机车设置不同的射频频率，就可实现对多台机车的准确识别。系统还提供了井下机车定位搜索，查询等便捷的功能，从而实现了对某机车的快速定位和快速查找，极大的增强了系统的调控能力。系统示例按图1所示：

图1 井下机车定位系统

5 结语

目前井下监控技术发展飞快，各种智能化和自动化的最新研究成果纷纷应用到了该领域之中，极大的提高了监控水平，且随着互联网的大发展，对于远程实时化监控的能力也在不断提升之中。Zi gBee作为无线网络中的杰出代表，在这一过程中得到了广泛的重视。本设计在ZigBee网络的基础上，可靠的实现了对井下机车的实时定位和监控，显著提高了煤矿井下机车的调度能力，已经具备了实用价值。