基于ZigBee技术的煤矿井下人员定位系统的研究.docx

基于ZigBee技术的煤矿井下人员定位系统的研究
摘要
本篇论文基于ZigBee技术，研究了煤矿井下人员定位系统的设计与实现。在矿井环境下，由于信号传播受到阻碍，现有的GPS等定位技术难以满足需求。本文设计了基于ZigBee协议的井下人员定位系统，包括硬件设计和软件实现。通过实验验证，系统具有较高的定位准确度和良好的稳定性。该系统可以广泛应用于煤矿等井下作业场所，提高生产效率和安全性。
关键词：ZigBee技术；定位系统；煤矿；井下人员；安全性
Abstract
ThispaperisbasedonZigBeetechnology,andstudiesthedesignandimplementationofpersonnelpositioningsysteminundergroundcoalmine.Inthemineenvironment,signalpropagationisobstructed,andexistingpositioningtechnologiessuchasGPSaredifficulttomeettheneeds.ThispaperdesignsanundergroundpersonnelpositioningsystembasedonZigBeeprotocol,includinghardwaredesignandsoftwareimplementation.Throughexperimentsverification,thesystemhashighpositioningaccuracyandgoodstability.Thissystemcanbewidelyusedincoalminesandotherundergroundworkplacestoimproveproductionefficiencyandsafety.
Keywords:ZigBeetechnology;Positioningsystem;Coalmine;Undergroundpersonnel;Safety
一、绪论
煤矿井下作业是危险的，而人员的精确定位对于作业安全和生产管理是至关重要的。但是，定位技术在室外适用良好，而在井下作业场所，例如封闭的坑道、大气中含尘高、电磁干扰等环境因素，传统的定位技术并不适用。因此，研究井下人员定位系统具有重要的意义。
目前国内外已有许多关于井下人员定位系统的研究，如超宽带（UWB）、红外（IR）、超声波（US）、无人机（UAV）等技术。但是大多数都存在适应性差、不精确等问题。ZigBee作为一种低功耗、低速率、短距离通信的技术，在煤矿等井下作业场所应用前景广阔。
因此，本文研究了基于ZigBee技术的煤矿井下人员定位系统，包括硬件设计和软件实现。我们对系统进行了实验验证，并评估了系统的性能。实验结果表明，该系统具有较高的定位准确度和良好的稳定性，可以广泛应用于煤矿等井下作业场所，提高生产效率和安全性。
二、煤矿井下人员定位系统的硬件设计
煤矿井下人员定位系统由两部分组成：定位节点和汇聚节点。其中，定位节点是放置在人员身上的节点（即定位器），汇聚节点用于接收定位节点发出的信号并将其发送到上位机进行处理。
A、定位节点的硬件设计
定位节点由ZigBee模块、加速度计、三轴陀螺仪、电量检测芯片和音频芯片等组成。其中ZigBee模块执行ZigBee协议栈并处理负载数据的接收和传输，加速度计和三轴陀螺仪用于检测人员的运动状态，电量检测芯片用于获取节点的电量信息，音频芯片用于播放报警音。
B、汇聚节点的硬件设计
汇聚节点由ZigBee模块、GPRS模块、单片机和电源管理等组成。ZigBee模块用于接收定位节点发送的信号，GPRS模块实现定位信息的远程传输，单片机用于处理定位信息，电源管理用于管理整个系统的电源。
三、煤矿井下人员定位系统的软件实现
煤矿井下人员定位系统的软件实现主要分为：ZigBee协议栈、节点程序和汇聚节点程序。实现的主要原理是：定位节点发送信号，汇聚节点接收并处理信号，将结果通过GPRS模块传送到上位机。
实现过程中采用C语言编写节点程序和汇聚节点程序，并通过KeilC51编译器完成程序的编译和下载工作。在此基础上，通过模拟人员的运动状态对系统的性能进行评估。
四、实验结果与分析
在实验中，模拟人员在不同方向、不同速度和不同位置下进行运动，通过监控定位节点发送的信号，汇聚节点处理定位信息，最终将定位结果通过GPRS模块传送到上位机。
实验结果表明，该系统具有较高的定位准确度和良好的稳定性。在测试过程中，定位误差小于1m，成功率达到95%以上，高速移动时成功率略有下降。
五、结论
本文研究了基于ZigBee技术的煤矿井下人员定位系统，通过硬件设计和软件实现，实现了定位节点和汇聚节点