井下人員定位管理系統(tǒng)，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于RFID (Radio Frequency Identification，即射頻識別，俗稱電子標簽)技術，發(fā)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，已廣泛用于門禁系統(tǒng)的身份識別，其原理是利用無線信號的大功率能量激發(fā)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(yōu)點在于體積小，重量輕便于攜帶。而此技術在井下人員定位系統(tǒng)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(fā)射功率大，15 w 以上，不利于井下安全，同時存在多人同時通過無線基站時存在漏卡現(xiàn)象，更無法實現(xiàn)井下無線信號的全覆蓋和人員的精確定位，只能用于簡單的人員考勤管理，并且在進入煤礦時還必須分散分批進入，使用效果不佳。基于ZigBee技術的煤礦井下無線網絡通信系統(tǒng)成功解決上述問題。

ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術，完整的協(xié)議棧只有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(xiàn)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(yōu)勢。本文研究設計的礦井人員定位及瓦斯無線監(jiān)測系統(tǒng)就是基于ZigBee技術的無線傳感器網絡，用于實時定位井下人員的位置及監(jiān)測礦井空氣中的瓦斯?jié)舛?，實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性、便于安裝性、低成本、節(jié)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面發(fā)揮一定的作用。

◇ 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；對干擾能量進行檢測；采用跳頻技術Frequency agility；

◇ 協(xié)議

基于CRC的誤碼檢測/校正；采取了避免沖突的策略CSMA/CA；為固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用的有保證的時隙；發(fā)送的數(shù)據(jù)包都有待于接受方的確認，如出現(xiàn)問題進行重發(fā)；

保持數(shù)據(jù)包的及時傳輸Packet data freshness；

◇ 通信可靠機制

zigbee采用了CSMA－CA的碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突；明晰的信道檢測；MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)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：無需人工干預，網絡節(jié)點能夠感知其他節(jié)點的存在，并確定連接關系，組成結構化的網絡；zigbee自愈功能：增加或者刪除一個節(jié)點，節(jié)點位置發(fā)生變動，節(jié)點發(fā)生故障等等，網絡都能夠自我修復，并對網絡拓撲結構進行相應地調整，無需人工干預，保證整個系統(tǒng)仍然能正常工作。

◇ 數(shù)據(jù)傳輸速率低：10KB/秒~250KB /秒，專注于低傳輸應用

◇ 功耗低：在低功耗待機模式下，兩節(jié)普通5號電池可使用6~24個月；

◇ 成本低：ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)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；

◇ 數(shù)據(jù)安全： ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能，采用AES-128加密算法（美國新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一）,各個應用可靈活確定其安全屬性

◇ 工作頻段靈活：使用頻段為2.4GHz、868MHz（歐洲）和915MHz（美國），均為免執(zhí)照（免費）的頻段

◇ 網絡協(xié)調器：包含所有的網絡消息，是3種設備類型中最復雜的一種，存儲容量最大、計算能力最強。發(fā)送網絡信標、建立一個網絡、管理網絡節(jié)點、存儲網絡節(jié)點信息、尋找一對節(jié)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(xié)調者，形成網絡，讓其它的FFD或是精簡功能裝置（RFD）連結，F(xiàn)FD具備控制器的功能，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只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息。

• 附帶有限的功能來控制成本和復雜性

• 在網絡中通常用作終端設備。

• ZigBee相對簡單的實現(xiàn)自然節(jié)省了費用。RFD由于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(xié)議棧也有助于降低成本。

本系統(tǒng)是由多個自給供電的ZigBee節(jié)點組成的，每個ZigBee節(jié)點都可以進行周圍環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、簡單計算以及與其他節(jié)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(xié)同工作進行高質量的通訊，組成一個容錯性較好的采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要包括ZigBee精簡節(jié)點、ZigBee全功能節(jié)點和zigbee路由節(jié)點，整體系統(tǒng)結構如下圖，其中ZigBee全功能節(jié)點主要用于組合從各個瓦斯傳感器節(jié)點得到的數(shù)據(jù)以及負責與外界的通信，該節(jié)點基于嵌入式系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用部分網狀(Partial Mesh)拓撲結構，其主要好處是每個節(jié)點的范圍都成倍地擴大了，沒有最大通信距離的限制，因為它所有的節(jié)點都被用作中繼器或路由器。這樣在所有節(jié)點中都能實現(xiàn)冗余路徑。

◇ ZigBee全功能節(jié)點

主要功能是采集瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)和終端節(jié)點的接力數(shù)據(jù)傳輸，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給ZigBee路由節(jié)點或相鄰的全功能節(jié)點。ZigBee節(jié)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。本系統(tǒng)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，專門用于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。適用于對瓦斯等可燃氣濃度的檢測，用于瓦斯報警器，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，恢復時間≤30s，工作溫度范圍-15℃～+50℃，濕度≤97％RH，靜態(tài)功耗為150mW，報警狀態(tài)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(xiàn)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，以使傳感器處于最佳工作狀態(tài)。

◇ zigbee終端節(jié)點

該節(jié)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(jié)點或路由節(jié)點進行數(shù)據(jù)交互，監(jiān)控人員根據(jù)路由節(jié)點傳回的信息，得知井下人員的大致位置。為保證人員區(qū)域檢測，最大限度的降低終端功耗，采用路由節(jié)點偵聽，終端呼叫方案：路由節(jié)點在平時工作在偵聽狀態(tài)；終端工作在休眠待機狀態(tài)，每隔3秒發(fā)送一次呼叫，和區(qū)域內的全功能節(jié)點或路由節(jié)點建立鏈接，確認信息，內置重發(fā)機制。

◇ 路由節(jié)點

主要完成數(shù)據(jù)的無線通訊任務，并實時監(jiān)測各個終端節(jié)點位置，完成人員定位工作。在遠距離傳輸時，路由節(jié)點可以同RS485總線相連，完成路由節(jié)點同GPRS DTU的通訊任務。

INDTU終端是以計算機應用技術、現(xiàn)代通信技術、工業(yè)自動控制技術為基礎的信息采集、處理和實時監(jiān)控系統(tǒng)。終端技術先進、功能完善、擴展靈活，是新一代遠程監(jiān)控裝置.終端采用Intel 高性能增強嵌入式32 位CPU，嵌入式操作系統(tǒng)，作為控制與管理系統(tǒng)中的智能采集執(zhí)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。

◆ 采用ARM 嵌入式32 位系統(tǒng)，實時運算處理能力強。配有不掉電工作RAM和高性能CPU 監(jiān)控芯片。設備工作穩(wěn)定可靠，在掉電的情況下也不會丟失數(shù)據(jù)。采用了頁面管理技術，配有大容量FLASH ROM 內存，可進行大批量數(shù)據(jù)存儲，終端在未接到刷新命令前，無論斷電與否均可保存數(shù)據(jù)。

◆ 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(jù)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，抗干擾性強等優(yōu)點，從而使得數(shù)據(jù)傳輸具有高可靠性。

◆ 終端電磁兼容性能優(yōu)良，能抵御高壓尖峰脈沖、強磁場、強靜電、雷擊浪涌的干擾,且具有較強的溫度自適應范圍,各電路板模塊采用軟、硬件電路和看門狗電路及復位電路，終端運行安全可靠且易于維護。

◆ 具有功能強大的組態(tài)功能，可以在當?shù)?遠方修改設備參數(shù)，支持當?shù)?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(shù)據(jù)。支持通信規(guī)約的二次開發(fā)；增加支持多種規(guī)約，能夠與多種表計通訊。

◆工業(yè)級低功耗、高性能嵌入式處理器，可以可靠處理協(xié)議和大量數(shù)據(jù)。工業(yè)級品質保證、性能穩(wěn)定可靠。

◆ 內嵌看門狗、繼電器斷電管理、不死機、掉線自動恢復，終端的維護工作幾乎為零。支持完全透明的數(shù)據(jù)傳送模式。

◆ 抗干擾設計，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復到正常狀態(tài)的功能。

以上只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/）

對于我公司所設計施工的系統(tǒng)及我公司銷售的設備我們保證用戶能夠得到整個系統(tǒng)的終身技術支持和服務。在服務速度上，我們承諾，在用戶系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，我們在最短時間內響應。

在系統(tǒng)設備到貨前，我們將指派專門人員前往用戶現(xiàn)場，做好設備安裝的先期準備工作，以使系統(tǒng)設備運行在一個良好的工作環(huán)境，并將與用戶協(xié)調有關系統(tǒng)的安裝調試工作。在系統(tǒng)設備到貨后，我們的有關人員將與用戶一起對設備進行檢查驗收，并實施現(xiàn)場的安裝調試工作，以便及時解決萬一在發(fā)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系統(tǒng)升級服務，并確保：

◆ 技術的先進性與應用適用發(fā)展趨勢；

◆ 隨時能夠為用戶提供系統(tǒng)的擴展能力，以滿足用戶日益發(fā)展的要求；

◆ 升級后的系統(tǒng)有良好的性能價格比；

客戶的系統(tǒng)管理員或系統(tǒng)管理維護人員隨時可與我公司直接電話聯(lián)系，由我們的工程師和軟件工程師通過電話向用戶提供專業(yè)的技術咨詢，以最快的速度解決用戶網絡系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題，并提供全天候、無周末、1 小時響應服務。

當我們的工程師通過電話無法及時排除問題時，我們會迅速派遣工程師并帶所需一切工具來到現(xiàn)場進行維護工作，直到所有問題被解決為止。標準響應時間為路途時間。

我們對免費維護期內的系統(tǒng)設備提供現(xiàn)場維護和更換服務，對后續(xù)保用服務合同內指定的所有設備提供保修和保養(yǎng)服務。對于未包含在后續(xù)保用服務內的設備可提供優(yōu)惠收費維護服務。

根據(jù)客戶的需要，我公司將客戶相關技術人員進行全面的技術培訓，達到全面理解系統(tǒng)的功能和相關技術、并且可以獨立進行安裝配置、日常使用維持、一般故障診斷和修復等工作之目的。

有關具體的培訓內容包括：

◆ 系統(tǒng)的體系結構及相關技術；

◆ 系統(tǒng)的安裝調試；

◆ 系統(tǒng)管理員和用戶培訓。

本系統(tǒng)的設計結合現(xiàn)階段煤礦安全生產現(xiàn)狀及ZigBee技術的發(fā)展現(xiàn)狀，應用低功耗微處理器，結合相應外圍電路設計ZigBee節(jié)點，能夠采集溫度、濕度和瓦斯試驗數(shù)據(jù)，能夠完成人員定位功能。并能通過ZigBee節(jié)點傳到上位機。ZigBee技術作為一種短距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網絡技術，將隨著技術的進一步發(fā)展，成為實現(xiàn)無線監(jiān)測系統(tǒng)最理想的應用方案和發(fā)展趨勢。

方案提供：石家莊億邦科技有限公司