礦山井下人員無線定位系統(tǒng)

　　一、總體考慮：

　　以盡可能低的成本，有效可靠地實現(xiàn)井下人員無線定位和工作環(huán)境監(jiān)控的基本功能，在此基礎(chǔ)上再進一步改進和增加系統(tǒng)的功能。因而，本方案將盡可能利用井下現(xiàn)有的通信設(shè)施和條件。另外，為了減少讀寫定位基站的使用數(shù)量以降低成本，人員定位采用了分區(qū)段考勤定位的方式（這也是目前煤礦井下人員定位普遍采用的方式）當(dāng)然也可采用全信號覆蓋的精確定位方式（需要更多的讀寫器基站）。從而，給您帶來更高效率！更多回報！

　　二、現(xiàn)有的定位方法：

　　1、射頻卡（RFID）考勤系統(tǒng)：

　　目前井下人員的跟蹤，基本上采用的是這種方法。這種方法實在在礦井進口處，使用射頻卡（RFID）讀?。ㄋ⒖ǎ┑姆椒▽ο戮藛T進行登記記錄來跟蹤的方法。實際上這不是真正意義上的人員跟蹤，無法實時地報告井下人員的具體位置了。這種方法存在如下幾個問題：

　　●  遠(yuǎn)距離的射頻卡讀寫系統(tǒng)非常昂貴，體積較大，安裝使用都都受到一定限制，從成本計，要在井下安置許多這樣的讀卡系統(tǒng)是不現(xiàn)實的；

　　●  這種系統(tǒng)讀寫系統(tǒng)地發(fā)射功率一般都較大，往往超過井下使用安全規(guī)定的限制，因而往往不能安裝在井下；

　　●  這種系統(tǒng)讀卡速度十分有限，不能處理多人同時快速通過讀卡系統(tǒng)的情況（例如乘車下井），此時，系統(tǒng)往往會出現(xiàn)漏讀；

    　如果使用遠(yuǎn)距離讀卡系統(tǒng)；

　　●  由于這種系統(tǒng)使用的頻率和通信方式，抗干擾的性能非常有限，在井下復(fù)雜環(huán)境下使用也存在問題；

　　●  結(jié)論是，一般RFID射頻讀寫系統(tǒng)，不能實現(xiàn)真正意義上的井下人員跟蹤，無法實時地報告井下人員的具體位置，只能作為下井人員上下井的考勤登記。

　　2、以super RFID為代表的，基于一般窄帶有源電子標(biāo)簽基礎(chǔ)上的井下人員跟蹤系統(tǒng)：

　　這種系統(tǒng)實際并非目前真正意義上的RFID 讀寫系統(tǒng)，而是一種低功耗的微功率無線收發(fā)機系統(tǒng)。它的問題是：

　　●  由于系統(tǒng)使用的是窄帶點頻的工作方式，工作頻點很窄，而由于晶振自振頻率本身會因溫度變化而發(fā)生漂移（溫漂），并隨時間而發(fā)生變化（老化），因而使整個系統(tǒng)的頻率發(fā)生變化，并漂移到系統(tǒng)工作頻點之外。從而造成的系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性的問題。

　　●  盡管比起一般射頻卡讀寫系統(tǒng)RFID來，在讀寫距離上有很大改進；然而，由于系統(tǒng)接收靈敏度低，-80dBm 到 -90 dBm之間，讀寫器的發(fā)射功率只有1/1000瓦，典型的例子就是Nordic 公司的NRF2401E芯片。因而存在通信距離不夠的問題，特別是在煤礦井下干擾較大的工業(yè)現(xiàn)場。

　　●  由于沒有使用直序擴頻抗干擾技術(shù)，比起采用直序擴頻技術(shù)的無線通信系統(tǒng)來，明顯在抗干擾的能力上有很大的欠缺，因而，在井下許多干擾強的地方，工作的可靠性將大大降低。甚至根本無法通信。

　　●  由于這種系統(tǒng)讀寫距離和工作可靠性存在問題，因而，按照國家安監(jiān)局有關(guān)規(guī)定，要求定位讀寫器，在80個礦工按照5米/秒的速度同時經(jīng)過讀寫器時，讀寫器必須一個不漏的將他們記錄下來。如果讀寫器的讀寫距離不夠，礦工在讀寫器信號覆蓋范圍內(nèi)的時間就很有限，而且因為干擾造成的誤碼，一個正確信號往往需要多次發(fā)送，因而，系統(tǒng)很難滿足這個規(guī)定要求。

　　●  這種系統(tǒng)的讀寫器也很貴，這樣從系統(tǒng)的建設(shè)成本上，投入就很高。

　　●  結(jié)論是，無論從經(jīng)濟角度，還是系統(tǒng)工作的可靠性，以及實用性來講，一般窄帶點頻通信系統(tǒng)都不適合作為井下人員定位系
    統(tǒng)。

　　三、使用我們的新一代Super-Zigbee網(wǎng)絡(luò)的礦山井下人員無線定位系統(tǒng)：

　　1、系統(tǒng)簡介：

　　新的定位系統(tǒng)是在當(dāng)今最新的Zigbee技術(shù)基礎(chǔ)上進行改進后，開發(fā)出來的簡單經(jīng)濟有效的定位系統(tǒng)，完全滿足國家安監(jiān)局2007年新制定的，煤礦井下作業(yè)人員管理的相關(guān)規(guī)定。參閱文件“中華人民共和國安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) AG 6210 -2007 煤礦井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)通用技術(shù)條件。 AQ1048 -2007 煤礦井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)使用與管理規(guī)范”。為了降低整個系統(tǒng)的成本和從煤礦井下的具體環(huán)境出發(fā)，新的煤礦井下人員定位系統(tǒng)采用了“分區(qū)片定位”的方式，即根據(jù)管理要求和井下現(xiàn)場的實際情況，將井下分成若干個片區(qū)，每個片區(qū)由若干個進出口控制，例如一段單一巷道的兩端，就是該段巷道片區(qū)的兩個進出控制口，有的片區(qū)可能有兩個以上的進出控制口。為了確定每一個片區(qū)任一時刻的作業(yè)人員數(shù)目及具體名單，我們必須要知道通過該片區(qū)所有控制進出口，進出的所有人員的數(shù)目和具體名單。如果我們在每一個控制進出口，安裝電子標(biāo)簽讀寫器，這就要求讀寫器能夠一個不漏的將所有經(jīng)過這個進出口的電子標(biāo)簽記錄下來，同時，還必須要分清每一個電子標(biāo)簽的進出方向。為此，我們將在每一個進出口，背靠背地安裝兩個讀寫方向相反的定向讀寫器，（見如下照片）。

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 近距離讀寫器

　　每一個讀寫器通過串口（例如RS232/RS485）與鋪設(shè)在井下的通信電纜相連接，并與控制中心計算機連接。每一個定向讀寫器可以接收不低于 100米距離范圍內(nèi)的電子標(biāo)簽信號，而且，在這100米的范圍內(nèi)，電子標(biāo)簽放置方向不受限制。電子標(biāo)簽每隔 2秒鐘，向外發(fā)射自身身份碼信息，讀寫器收到信息后，連同相應(yīng)的接收信號強度，和接收的先后時間順序，先儲存起來，并隔一定時間例如10秒鐘，將所有這些信息，加上讀寫器編號打包，一并通過井下通信網(wǎng)絡(luò)，傳給控制中心計算機。利用這些原始數(shù)據(jù)信息和人工智能邏輯標(biāo)準(zhǔn)，使用位置信息預(yù)處理軟件處理后，一個在任意一時刻，在井下任意一個片區(qū)內(nèi)的作業(yè)人員名單的信息資料，將提供給上位計算機，這個位置清單，將根據(jù)國家以上文件的規(guī)定，每隔30秒鐘更新一次。
 
　　利用這個位置數(shù)據(jù)資料，上位機軟件就可以向用戶提供，任意時刻，任何一個人所在井下的具體位置；在任意時刻，井下任意一個片區(qū)內(nèi)作業(yè)人員的清單。
 
　　在井下沒有鋪設(shè)有線通信網(wǎng)絡(luò)的地方，我們的讀寫器還可通過無線遠(yuǎn)距離傳輸（井上2000米，井下為500米左右）和中繼的方式，將所讀取到的信息，傳給與有線網(wǎng)絡(luò)連接的無線接收機,（見如下附圖）再傳給管理中心計算機。

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遠(yuǎn)距離讀寫器/中繼傳輸模塊

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定向天線

　　綜上所述，整體系統(tǒng)運作原理圖示如下：

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　　2、一些具體細(xì)節(jié)：

　　●  每一個需要定位的移動目標(biāo)（例如礦工），都需要隨身攜帶一個無線身份卡模塊，或固定在安全帽上的一個全封閉電子標(biāo)簽，每個標(biāo)簽的發(fā)射功率小于1/1000瓦. 建議使用我們的簡化了功能的SL2420A，或低成本的SL2435A模塊：

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（井下作業(yè)人員隨身攜帶的智能電子標(biāo)簽）

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（卡片式電子標(biāo)簽?zāi)K（SL2426A）尺寸：40 x 20 x 3 mm）

　　這里我們需要說明的是：照片中的卡片式電子標(biāo)簽是用于井上的，用于井下時，需要由用戶自己進行防暴封裝設(shè)計，并使用相應(yīng)的電池（聚合物鋰電池）； 

　　●  為了增加電池使用壽命，無線身份模塊每隔2 秒發(fā)射一個身份碼信號。為了避免井下環(huán)境對無線信號的干擾，所有無線身份卡模塊使用的都是抗干擾的直序擴頻通信方式；同時，在緊急情況時，還可以通過卡上的按鈕，隨時發(fā)出緊急求救信息； 

　　●  我們還可利用這個無線人員定位系統(tǒng)，實現(xiàn)對煤礦井下工作環(huán)境的監(jiān)控，例如，使用我公司的遠(yuǎn)距離無線溫度采集器，就可以將需要監(jiān)控的工作點的溫度，通過無線的方式，傳給五百米外的讀寫定位器，這樣，不僅可以根據(jù)需要，機動靈活的在不同位置（特別是采掘面）采集各種安全生產(chǎn)所需的信息（例如,溫度，瓦斯?jié)舛?，風(fēng)壓風(fēng)速等），同時自動地將采集點的位置信息和相關(guān)信息傳給監(jiān)控中心。這種瓦斯采集點可以安放在采掘面的某個固定位置，并隨采掘面的移動而移動，也可讓瓦斯安檢人員隨設(shè)攜帶，十分方便。當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時，該無線模塊可以立即通過網(wǎng)絡(luò),將濃度在傳給管理中心計算機。 我們的無線溫度傳感器只有火柴盒大小，使用一支5號鋰電池就可以工作3年以上不換電池。同樣也可將其它傳感器量傳給管理中心計算機。必要時，將同時啟動其它聯(lián)動的應(yīng)急設(shè)備。
 
　　說明：我們系統(tǒng)使用的所有設(shè)備，就電路設(shè)計本身來講（最大電容器件，功率等）都滿足井下防暴要求，我們可提供相關(guān)資料供客戶申請本安認(rèn)證的需要。

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