基于ZigBee的矿山井下人员定位系统的设计和研究

【摘要】：近年来,随着矿井重大事故的频发,尤其是大量矿工被困井下等待施救时,由于没有准确位置信息,应急救援效率较低,造成巨大人员伤亡及财产损失。2010年国家安监总局制定的《金属非金属地下矿山安全避险“六大系统”安装使用和监督检查暂行规定》中,规定了人员定位系统为六大系统之一。因此,研究矿山井下人员定位技术,满足井下人员定位的需求,在安全工程领域有着重要的意义。然而,传统的有线通信技术因其布线不便、故障率高等缺陷已经无法满足井下人员定位系统的需要,而日益兴起的无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)技术却能很好的解决这类问题,并且有更好的应用。WSN是一种无线智能监测网络技术,融合了现代化的传感器技术、嵌入式技术和无线通信技术等。本论文以矿井安全作为研究对象,通过WSN技术进行矿井人员定位系统的设计和研究,重点对无线通信技术、系统设计、基于系统的路由算法和人员定位算法进行分析研究。主要研究内容如下:(1)对ZigBee、RFID等五类无线通信技术进行对比,重点对ZigBee技术的基本原理、特点、优势以及在矿井人员定位系统的应用进行分析,研究发现ZigBee技术更适用于井下人员定位系统的应用。并设计基于ZigBee的井下人员定位系统的架构。(2)对路由算法进行研究。分析WSN路由算法与传统路由算法的区别和特性,再根据井下的实际情况进行节点部署分析,最后选取独头掘进巷道设计出一种基于能量识别的路由算法,此算法硬件要求低,能量分配均匀,并且提高网络的生存周期。(3)对定位算法的研究。对几种常用的人员定位算法进行对比分析。针对井下巷道的特殊环境,设计了一种双重质心算法,通过软件进行了仿真测试。实验结果上看,该系统定位精度上比传统的质心算法要精确不少,并且能耗不高,可基本满足井下人员定位的需求,也为矿井安全生产技术提供一些新的思路。