CN101369944A - 基于ZigBee和RFID的矿井安全无线定位系统及其布设方法 - Google Patents

基于ZigBee和RFID的矿井安全无线定位系统及其布设方法 Download PDF

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吴群
董建
丁同禹
王然
赵铁刚
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Abstract

基于ZigBee和RFID的矿井安全无线定位系统及其布设方法，它涉及一种利用ZigBee技术和RFID技术在矿井内组建的无线网络定位装置及布设方法，以解决现有的矿井内定位系统存在的工作时间较短、定位精度较低、成本较高、不便于携带的问题。RFID读卡器将接收的标签数据发送到ZigBee终端节点模块或ZigBee路由节点模块，并接收来自ZigBee终端节点模块或ZigBee路由节点模块的控制数据；ZigBee终端节点模块和ZigBee路由节点模块将标签数据发送给ZigBee主节点模块；ZigBee主节点模块将标签数据发送给地面控制中心；地面控制中心把标签数据与中心数据库中人员信息和节点位置信息结合分析，将定位信息写入中心数据库。

Description

基于ZigBee和RFID的矿井安全无线定位系统及其布设方法
技术领域
本发明涉及一种利用ZigBee技术和RFID读卡器在矿井内组建的无线网络定位装置及其布设方法，属于无线网络通讯领域。
背景技术
矿井开采作为安全事故频发的重工业，对安全监督管理系统的要求很高，利用无线通信定位系统，对井下人员进行实时定位监督，将在很大程度上加强井下作业的安全保障。目前在我国一些较大的国有煤矿，是以给每一位矿工分发带有GPS(Global Positioning System，全球定位系统)功能的手机或在井下巷道铺设通讯电缆实现人员定位的目的，这些技术有相当的局限性。首先，GPS手机耗电量大，手机电池即使在充满电的情况下，也仅能维持正常工作数小时，在发生矿难之后不能保证搜救的长期有效；其次，GPS系统成本高，但精度低，不利于在中小型煤矿推广，而且手机体积相对较大，不利于在工作中携带；至于铺设电缆，大型煤矿铺设一段长距离电缆的费用高达几十万元，同时在一些复杂地形区铺设电缆十分困难，灵活性也相对较低，而且发生矿难时电缆一旦折断，矿难中心区的通信系统将难以维系。由于矿井内的环境比较特殊，巷道狭窄弯曲、具有磁性或辐射的矿物质的干扰以及距离较长的特点决定了无线电、红外线等无线网络也不适合在这种环境中使用。
RFID(Radio Frequency Identification，无线射频识别)是一种自动识别技术，被广泛应用于自动识别领域中；ZigBee(IEEE 802.15.4协议)是一种短距离无线通讯技术，具有省电、低成本、可靠性高、网络容量大等特点。公开号为CN101231687A的发明专利公开了一种基于ZigBee和RFID的无线网络系统，但仅仅是一种理论研究，并未根据这种无线网络系统的优点将其应用在实际环境中。
发明内容
本发明为解决现有矿井内使用的实时定位系统存在的工作时间较短、定位精度较低、成本较高、不便于携带的问题，提供一种基于ZigBee和RFID的矿井安全无线定位系统及其布设方法。本发明的基于ZigBee和RFID的矿井安全无线定位系统包括以下单元：
RFID读卡器，用于通过天线向覆盖区域内的射频标签辐射功率并接收来自射频标签的标签数据，将接收的标签数据通过串口发送给ZigBee终端节点模块或ZigBee路由节点模块，并接收来自ZigBee终端节点模块的控制数据；
ZigBee终端节点模块，用于将来自RFID读卡器的标签数据发送给ZigBee路由节点模块，并将来自ZigBee路由节点模块的控制数据通过串口发送给RFID读卡器；
ZigBee路由节点模块，用于将来自RFID读卡器或ZigBee终端节点模块的标签数据发送给ZigBee主节点模块，并将来自ZigBee主节点模块的控制数据发送给ZigBee终端节点模块或通过串口发送给RFID读卡器；
ZigBee主节点模块，用于将来自ZigBee路由节点模块的标签数据通过有线传输发送给地面控制中心，并将来自地面控制中心的控制数据发送给ZigBee路由节点模块；
地面控制中心，用于把来自ZigBee主节点模块的数据与中心数据库中人员信息和节点位置信息结合分析，完成人员实时定位，将定位信息写入中心数据库，并向ZigBee主节点模块发送控制数据。
基于本发明的ZigBee和RFID的矿井安全无线定位系统的布设方法包括以下步骤：
将多个ZigBee终端节点模块以及多个ZigBee路由节点模块组成星形网、树形网、网状网或环形网的网络形式的步骤；
将RFID读写模块设置为双天线分时工作的工作模式，两个天线的主瓣分别沿巷道朝向相反的两个方向的步骤。
发明效果：本发明的系统通过运用RFID技术，实现对矿井人员信息的近距离识别，然后结合ZigBee无线网络技术实现信息远距离传输，并利用地面中心数据库实现信息的处理，具有工作时间较长(两节五号干电池可使用6～24个月)、方便维护、成本较低(ZigBee协议免专利费且免执照频段费)、便于携带(井下人员仅需携带RFID的射频标签即可)和灵活布设(拆装方便且不需布设电缆)等特点；本发明的布设方法根据矿井下的复杂条件，利用于ZigBee和RFID自身特点，能够最大限度的使本系统能够在矿井下长期稳定的工作，特别是在发生矿难时能够为搜寻工作提供很大的便利，另外本发明在安保、银行、野生动物保护等其他相关领域仍然具有相当大的应用前景。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1，本实施方式由以下单元组成：
RFID读卡器1，用于通过天线向覆盖区域内的射频标签6辐射功率并接收来自射频标签6的标签数据，将接收的标签数据通过串口(RS232)发送给ZigBee终端节点模块2或ZigBee路由节点模块3，并接收来自ZigBee终端节点模块2的控制数据；
ZigBee终端节点模块2，用于将来自RFID读卡器1的标签数据发送给ZigBee路由节点3模块，并将来自ZigBee路由节点模块3的控制数据通过串口(RS232)发送给RFID读卡器1；
ZigBee路由节点模块3，用于将来自RFID读卡器1或ZigBee终端节点模块2的标签数据发送给ZigBee主节点模块4，并将来自ZigBee主节点模块4的控制数据发送给ZigBee终端节点模块2或通过串口(RS232)发送给RFID读卡器1；
ZigBee主节点模块4，用于将来自ZigBee路由节点模块3的标签数据通过有线传输发送给地面控制中心5，并将来自地面控制中心5的控制数据发送给ZigBee路由节点模块3；
地面控制中心5，用于把来自ZigBee主节点模块4的数据与中心数据库中人员信息和节点位置信息结合分析，完成人员实时定位，将定位信息写入中心数据库，并向ZigBee主节点模块4发送控制数据。
在本实施方式中，共有三种Zigbee节点，分别作为网络中的协调器、路由器和终端。由CC2430芯片及外围电路组成Zigbee节点模块，用C语言编译，通过仿真器烧写进不同功能的ZigBee终端节点模块2、ZigBee路由节点模块3和ZigBee主节点模块4，可以直接与计算机相连进行数据交换，同时具有I/O外扩插座，可以和外扩键盘，或其他探测器相连，使网络中各个节点之间可进行无线通信。
RFID读卡器1与射频标签6组成了RFID部分，主要实现对矿工的识别功能，其中，射频标签6采用无源标签，用于记录人员信息，由矿工随身佩带，其所需的能量由RFID读卡器1提供。RFID读卡器1通过天线向外辐射能量，当携带标签的矿工进入天线覆盖区域后，射频标签6借助接收到的能量，向RFID读卡器1反向回传数据，RFID读卡器1通过天线的耦合作用获得射频标签6所携带的矿工身份码，然后通过串口(RS232)将数据发送到此RFID读卡器1对应的ZigBee终端节点2或者路由节点模块3上，再由ZigBee主节点模块4通过有线电缆回传到地面控制中心5的中心数据库进行相应的处理，地面控制中心5的数据库软件会随时记录每条信息，从而对人员进行实时定位。
在实际应用中，存在多个矿工同时进入RFID能量辐射区域的情况，故本实施方式的RFID读卡器1可同时识别多张射频标签6，保证参加作业的矿工都有工作记录；另外，由于矿工可能会在矿井的某一处作停留，故RFID读卡器1可在极短的时间内连续读取多个数据，以保证准确跟踪矿工在井下作业的位置。
具体实施方式二：本实施方式在具体实施方式一的基础上进一步限定了所述ZigBee终端节点模块2、ZigBee路由节点模块3和ZigBee主节点模块4内部都设置有看门狗模块。
由于巷道内的环境比较复杂，布设的ZigBee终端节点模块2、ZigBee路由节点模块3和ZigBee主节点模块4容易出现软件故障，看门狗模块可以在短时间内自动重启，实现网络自恢复的功能。
具体实施方式三：本实施方式在具体实施方式一的基础上进一步限定了在巷道中每相邻两个所述ZigBee路由节点模块3以45～50米以下为间距设置。
ZigBee的有效覆盖范围为100米左右，在矿井下的复杂环境中一旦某个ZigBee模块发生故障，则中间相隔一个ZigBee模块的两个ZigBee模块之间也能够进行自动搜寻并连接，提高了本系统的安全性和稳定性。
具体实施方式四：本实施方式的方法由以下步骤组成：
将多个ZigBee终端节点模块2以及多个ZigBee路由节点模块3组成星形网、树形网、网状网或环形网的网络形式的步骤；
将RFID读写模块1设置为双天线分时工作的工作模式，两个天线的主瓣分别朝向相反的两个方向的步骤。
在矿井下复杂的环境中，一旦某个ZigBee模块发生故障，其下一级ZigBee模块可以自动搜寻网内的其它ZigBee模块建立连接并传输数据；RFID读写模块1的天线的主瓣以相反的方向设置，不同的主瓣读取的射频标签6的ID信息进行比较，可以进一步判断ID信息的准确性和该持有ID信息的射频标签6的行进方向。

Claims (4)

1.基于ZigBee和RFID的矿井安全无线定位系统，其特征在于它包括以下单元：
RFID读卡器(1)，用于通过天线向覆盖区域内的射频标签(6)辐射功率并接收来自射频标签(6)的标签数据，将接收的标签数据通过串口发送给ZigBee终端节点模块(2)或ZigBee路由节点模块(3)，并接收来自ZigBee终端节点模块(2)的控制数据；
ZigBee终端节点模块(2)，用于将来自RFID读卡器(1)的标签数据发送给ZigBee路由节点(3)模块，并将来自ZigBee路由节点模块(3)的控制数据通过串口发送给RFID读卡器(1)；
ZigBee路由节点模块(3)，用于将来自RFID读卡器(1)或ZigBee终端节点模块(2)的标签数据发送给ZigBee主节点模块(4)，并将来自ZigBee主节点模块(4)的控制数据发送给ZigBee终端节点模块(2)或通过串口发送给RFID读卡器(1)；
ZigBee主节点模块(4)，用于将来自ZigBee路由节点模块(3)的标签数据通过有线传输发送给地面控制中心(5)，并将来自地面控制中心(5)的控制数据发送给ZigBee路由节点模块(3)；
地面控制中心(5)，用于把来自ZigBee主节点模块(4)的数据与中心数据库中人员信息和节点位置信息结合分析，完成人员实时定位，将定位信息写入中心数据库，并向ZigBee主节点模块(4)发送控制数据。
2.根据权利要求1所述的基于ZigBee和RFID的矿井安全无线定位系统，其特征在于所述ZigBee终端节点模块(2)、ZigBee路由节点模块(3)和ZigBee主节点模块(4)的内部都设置有看门狗模块。
3.根据权利要求1所述的基于ZigBee和RFID的矿井安全无线定位系统，其特征在于在巷道中每相邻两个所述ZigBee路由节点模块(3)以45～50米以下为间距设置。
4.基于权利要求1所述的基于ZigBee和RFID的矿井安全无线定位系统的布设方法，其特征在于它包括以下步骤：
将多个ZigBee终端节点模块(2)以及多个ZigBee路由节点模块(3)组成星形网、树形网、网状网或环形网的网络形式的步骤；
将RFID读写模块(1)设置为双天线分时工作的工作模式，两个天线的主瓣分别朝向相反的两个方向的步骤。
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