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矿山井下人员无线定位系统
作者：速联（北京）科技发展有限公司
日期：2008-12-18 10:43:07
摘要：矿山井下人员无线定位系统
一、总体考虑：
以尽可能低的成本，有效可靠地实现井下人员无线定位和工作环境监控的基本功能，在此基础上再进一步改进和增加系统的功能。因而，本方案将尽可能利用井下现有的通信设施和条件。另外，为了减少读写定位基站的使用数量以降低成本，人员定位采用了分区段考勤定位的方式（这也是目前煤矿井下人员定位普遍采用的方式）当然也可采用全信号覆盖的精确定位方式（需要更多的读写器基站）。从而，给您带来更高效率！更多回报！
二、现有的定位方法：
1、射频卡（RFID）考勤系统：
目前井下人员的跟踪，基本上采用的是这种方法。这种方法实在在矿井进口处，使用射频卡（RFID）读取（刷卡）的方法对下井人员进行登记记录来跟踪的方法。实际上这不是真正意义上的人员跟踪，无法实时地报告井下人员的具体位置了。这种方法存在如下几个问题：
● 远距离的射频卡读写系统非常昂贵，体积较大，安装使用都都受到一定限制，从成本计，要在井下安置许多这样的读卡系统是不现实的；
● 这种系统读写系统地发射功率一般都较大，往往超过井下使用安全规定的限制，因而往往不能安装在井下；
● 这种系统读卡速度十分有限，不能处理多人同时快速通过读卡系统的情况（例如乘车下井），此时，系统往往会出现漏读；
如果使用远距离读卡系统；
● 由于这种系统使用的频率和通信方式，抗干扰的性能非常有限，在井下复杂环境下使用也存在问题；
● 结论是，一般RFID射频读写系统，不能实现真正意义上的井下人员跟踪，无法实时地报告井下人员的具体位置，只能作为下井人员上下井的考勤登记。
2、以super RFID为代表的，基于一般窄带有源电子标签基础上的井下人员跟踪系统：
这种系统实际并非目前真正意义上的RFID 读写系统，而是一种低功耗的微功率无线收发机系统。它的问题是：
● 由于系统使用的是窄带点频的工作方式，工作频点很窄，而由于晶振自振频率本身会因温度变化而发生漂移（温漂），并随时间而发生变化（老化），因而使整个系统的频率发生变化，并漂移到系统工作频点之外。从而造成的系统工作的可靠性和稳定性的问题。
● 尽管比起一般射频卡读写系统RFID来，在读写距离上有很大改进；然而，由于系统接收灵敏度低，-80dBm 到 -90 dBm之间，读写器的发射功率只有1/1000瓦，典型的例子就是Nordic 公司的NRF2401E芯片。因而存在通信距离不够的问题，特别是在煤矿井下干扰较大的工业现场。
● 由于没有使用直序扩频抗干扰技术，比起采用直序扩频技术的无线通信系统来，明显在抗干扰的能力上有很大的欠缺，因而，在井下许多干扰强的地方，工作的可靠性将大大降低。甚至根本无法通信。
● 由于这种系统读写距离和工作可靠性存在问题，因而，按照国家安监局有关规定，要求定位读写器，在80个矿工按照5米/秒的速度同时经过读写器时，读写器必须一个不漏的将他们记录下来。如果读写器的读写距离不够，矿工在读写器信号覆盖范围内的时间就很有限，而且因为干扰造成的误码，一个正确信号往往需要多次发送，因而，系统很难满足这个规定要求。
● 这种系统的读写器也很贵，这样从系统的建设成本上，投入就很高。
● 结论是，无论从经济角度，还是系统工作的可靠性，以及实用性来讲，一般窄带点频通信系统都不适合作为井下人员定位系
统。
三、使用我们的新一代Super-Zigbee网络的矿山井下人员无线定位系统：
1、系统简介：
新的定位系统是在当今最新的Zigbee技术基础上进行改进后，开发出来的简单经济有效的定位系统，完全满足国家安监局2007年新制定的，煤矿井下作业人员管理的相关规定。参阅文件“中华人民共和国安全生产行业标准 AG 6210 -2007 煤矿井下作业人员管理系统通用技术条件。 AQ1048 -2007 煤矿井下作业人员管理系统使用与管理规范”。为了降低整个系统的成本和从煤矿井下的具体环境出发，新的煤矿井下人员定位系统采用了“分区片定位”的方式，即根据管理要求和井下现场的实际情况，将井下分成若干个片区，每个片区由若干个进出口控制，例如一段单一巷道的两端，就是该段巷道片区的两个进出控制口，有的片区可能有两个以上的进出控制口。为了确定每一个片区任一时刻的作业人员数目及具体名单，我们必须要知道通过该片区所有控制进出口，进出的所有人员的数目和具体名单。如果我们在每一个控制进出口，安装电子标签读写器，这就要求读写器能够一个不漏的将所有经过这个进出口的电子标签记录下来，同时，还必须要分清每一个电子标签的进出方向。为此，我们将在每一个进出口，背靠背地安装两个读写方向相反的定向读写器，（见如下照片）。
利用这个位置数据资料，上位机软件就可以向用户提供，任意时刻，任何一个人所在井下的具体位置；在任意时刻，井下任意一个片区内作业人员的清单。
在井下没有铺设有线通信网络的地方，我们的读写器还可通过无线远距离传输（井上2000米，井下为500米左右）和中继的方式，将所读取到的信息，传给与有线网络连接的无线接收机,（见如下附图）再传给管理中心计算机。
● 每一个需要定位的移动目标（例如矿工），都需要随身携带一个无线身份卡模块，或固定在安全帽上的一个全封闭电子标签，每个标签的发射功率小于1/1000瓦. 建议使用我们的简化了功能的SL2420A，或低成本的SL2435A模块：
● 为了增加电池使用寿命，无线身份模块每隔2 秒发射一个身份码信号。为了避免井下环境对无线信号的干扰，所有无线身份卡模块使用的都是抗干扰的直序扩频通信方式；同时，在紧急情况时，还可以通过卡上的按钮，随时发出紧急求救信息；
● 我们还可利用这个无线人员定位系统，实现对煤矿井下工作环境的监控，例如，使用我公司的远距离无线温度采集器，就可以将需要监控的工作点的温度，通过无线的方式，传给五百米外的读写定位器，这样，不仅可以根据需要，机动灵活的在不同位置（特别是采掘面）采集各种安全生产所需的信息（例如,温度，瓦斯浓度，风压风速等），同时自动地将采集点的位置信息和相关信息传给监控中心。这种瓦斯采集点可以安放在采掘面的某个固定位置，并随采掘面的移动而移动，也可让瓦斯安检人员随设携带，十分方便。当瓦斯浓度超标时，该无线模块可以立即通过网络,将浓度在传给管理中心计算机。 我们的无线温度传感器只有火柴盒大小，使用一支5号锂电池就可以工作3年以上不换电池。同样也可将其它传感器量传给管理中心计算机。必要时，将同时启动其它联动的应急设备。
说明：我们系统使用的所有设备，就电路设计本身来讲（最大电容器件，功率等）都满足井下防暴要求，我们可提供相关资料供客户申请本安认证的需要。
http://www.sutel.cn/
以尽可能低的成本，有效可靠地实现井下人员无线定位和工作环境监控的基本功能，在此基础上再进一步改进和增加系统的功能。因而，本方案将尽可能利用井下现有的通信设施和条件。另外，为了减少读写定位基站的使用数量以降低成本，人员定位采用了分区段考勤定位的方式（这也是目前煤矿井下人员定位普遍采用的方式）当然也可采用全信号覆盖的精确定位方式（需要更多的读写器基站）。从而，给您带来更高效率！更多回报！
二、现有的定位方法：
1、射频卡（RFID）考勤系统：
目前井下人员的跟踪，基本上采用的是这种方法。这种方法实在在矿井进口处，使用射频卡（RFID）读取（刷卡）的方法对下井人员进行登记记录来跟踪的方法。实际上这不是真正意义上的人员跟踪，无法实时地报告井下人员的具体位置了。这种方法存在如下几个问题：
● 远距离的射频卡读写系统非常昂贵，体积较大，安装使用都都受到一定限制，从成本计，要在井下安置许多这样的读卡系统是不现实的；
● 这种系统读写系统地发射功率一般都较大，往往超过井下使用安全规定的限制，因而往往不能安装在井下；
● 这种系统读卡速度十分有限，不能处理多人同时快速通过读卡系统的情况（例如乘车下井），此时，系统往往会出现漏读；
如果使用远距离读卡系统；
● 由于这种系统使用的频率和通信方式，抗干扰的性能非常有限，在井下复杂环境下使用也存在问题；
● 结论是，一般RFID射频读写系统，不能实现真正意义上的井下人员跟踪，无法实时地报告井下人员的具体位置，只能作为下井人员上下井的考勤登记。
2、以super RFID为代表的，基于一般窄带有源电子标签基础上的井下人员跟踪系统：
这种系统实际并非目前真正意义上的RFID 读写系统，而是一种低功耗的微功率无线收发机系统。它的问题是：
● 由于系统使用的是窄带点频的工作方式，工作频点很窄，而由于晶振自振频率本身会因温度变化而发生漂移（温漂），并随时间而发生变化（老化），因而使整个系统的频率发生变化，并漂移到系统工作频点之外。从而造成的系统工作的可靠性和稳定性的问题。
● 尽管比起一般射频卡读写系统RFID来，在读写距离上有很大改进；然而，由于系统接收灵敏度低，-80dBm 到 -90 dBm之间，读写器的发射功率只有1/1000瓦，典型的例子就是Nordic 公司的NRF2401E芯片。因而存在通信距离不够的问题，特别是在煤矿井下干扰较大的工业现场。
● 由于没有使用直序扩频抗干扰技术，比起采用直序扩频技术的无线通信系统来，明显在抗干扰的能力上有很大的欠缺，因而，在井下许多干扰强的地方，工作的可靠性将大大降低。甚至根本无法通信。
● 由于这种系统读写距离和工作可靠性存在问题，因而，按照国家安监局有关规定，要求定位读写器，在80个矿工按照5米/秒的速度同时经过读写器时，读写器必须一个不漏的将他们记录下来。如果读写器的读写距离不够，矿工在读写器信号覆盖范围内的时间就很有限，而且因为干扰造成的误码，一个正确信号往往需要多次发送，因而，系统很难满足这个规定要求。
● 这种系统的读写器也很贵，这样从系统的建设成本上，投入就很高。
● 结论是，无论从经济角度，还是系统工作的可靠性，以及实用性来讲，一般窄带点频通信系统都不适合作为井下人员定位系
统。
三、使用我们的新一代Super-Zigbee网络的矿山井下人员无线定位系统：
1、系统简介：
新的定位系统是在当今最新的Zigbee技术基础上进行改进后，开发出来的简单经济有效的定位系统，完全满足国家安监局2007年新制定的，煤矿井下作业人员管理的相关规定。参阅文件“中华人民共和国安全生产行业标准 AG 6210 -2007 煤矿井下作业人员管理系统通用技术条件。 AQ1048 -2007 煤矿井下作业人员管理系统使用与管理规范”。为了降低整个系统的成本和从煤矿井下的具体环境出发，新的煤矿井下人员定位系统采用了“分区片定位”的方式，即根据管理要求和井下现场的实际情况，将井下分成若干个片区，每个片区由若干个进出口控制，例如一段单一巷道的两端，就是该段巷道片区的两个进出控制口，有的片区可能有两个以上的进出控制口。为了确定每一个片区任一时刻的作业人员数目及具体名单，我们必须要知道通过该片区所有控制进出口，进出的所有人员的数目和具体名单。如果我们在每一个控制进出口，安装电子标签读写器，这就要求读写器能够一个不漏的将所有经过这个进出口的电子标签记录下来，同时，还必须要分清每一个电子标签的进出方向。为此，我们将在每一个进出口，背靠背地安装两个读写方向相反的定向读写器，（见如下照片）。
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近距离读写器
利用这个位置数据资料，上位机软件就可以向用户提供，任意时刻，任何一个人所在井下的具体位置；在任意时刻，井下任意一个片区内作业人员的清单。
在井下没有铺设有线通信网络的地方，我们的读写器还可通过无线远距离传输（井上2000米，井下为500米左右）和中继的方式，将所读取到的信息，传给与有线网络连接的无线接收机,（见如下附图）再传给管理中心计算机。
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远距离读写器/中继传输模块
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定向天线
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2、一些具体细节：● 每一个需要定位的移动目标（例如矿工），都需要随身携带一个无线身份卡模块，或固定在安全帽上的一个全封闭电子标签，每个标签的发射功率小于1/1000瓦. 建议使用我们的简化了功能的SL2420A，或低成本的SL2435A模块：
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（井下作业人员随身携带的智能电子标签）
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（卡片式电子标签模块（SL2426A）尺寸：40 x 20 x 3 mm）
● 为了增加电池使用寿命，无线身份模块每隔2 秒发射一个身份码信号。为了避免井下环境对无线信号的干扰，所有无线身份卡模块使用的都是抗干扰的直序扩频通信方式；同时，在紧急情况时，还可以通过卡上的按钮，随时发出紧急求救信息；
● 我们还可利用这个无线人员定位系统，实现对煤矿井下工作环境的监控，例如，使用我公司的远距离无线温度采集器，就可以将需要监控的工作点的温度，通过无线的方式，传给五百米外的读写定位器，这样，不仅可以根据需要，机动灵活的在不同位置（特别是采掘面）采集各种安全生产所需的信息（例如,温度，瓦斯浓度，风压风速等），同时自动地将采集点的位置信息和相关信息传给监控中心。这种瓦斯采集点可以安放在采掘面的某个固定位置，并随采掘面的移动而移动，也可让瓦斯安检人员随设携带，十分方便。当瓦斯浓度超标时，该无线模块可以立即通过网络,将浓度在传给管理中心计算机。 我们的无线温度传感器只有火柴盒大小，使用一支5号锂电池就可以工作3年以上不换电池。同样也可将其它传感器量传给管理中心计算机。必要时，将同时启动其它联动的应急设备。
说明：我们系统使用的所有设备，就电路设计本身来讲（最大电容器件，功率等）都满足井下防暴要求，我们可提供相关资料供客户申请本安认证的需要。
http://www.sutel.cn/
