ZigBee和GIS技术的井下人员定位系统的应用——————学位论文.pdf

太原理工大学 硕士学位论文 ZigBee和GIS技术的井下人员定位系统的应用 姓名 李伟 申请学位级别 硕士 专业 电工理论与新技术 指导教师 崔建明 20100501 太原理工大学硕士研究生学位论文 I ZigBee和GIS技术的井下人员定位系统的应用 摘 要 当前由于矿井所处的恶劣环境 矿井生产安全一直是人们十分关注的 问题 我国煤炭的开采主要是井下开采 井下开采常常会发生瓦斯爆炸和 透水等事故 使国家在遭受巨大经济损失的同时也失去了很多井下作业的 工人的生命 尽管国家重视煤炭的安全生产 但仍然有很多不确定的因素 导致事故的发生 如果能够全天候 24 小时对煤矿下井人员进行实时自动跟踪定位 及时 准确掌握井下人员的分布及作业情况 一旦发生事故 立即从监控计算机 上调阅查询事故现场的人员位置分布情况 确定人员可靠的位置信息 制 定合理的撤退抢救路线 则会大大降低事故发生并能及时救助降低损失 本文设计实现了矿井工作人员的跟踪定位 同时保证地面调度室随时 了解井下的情况 使管理人员掌握矿工的位置 工作状态等信息 便于井 上下相互联系 实现井下人员的调度和分配 提高工作效率 保障灾变情 况下的双向通讯联系和救护而且还可以提供监视区域内的人数 工作区间 历史记录和实时记录的统计报表 从而实现了煤矿企业的高效 安全管理 本文分析了国内外井下人员定位系统的研究与发展 介绍了ZigBee技 术的特点并与其它无线通讯技术进行了全面比较 得出ZigBee技术优势 并将其应用与井下定位系统 本文构建了以ZigBee无线传输网络为基础的井下人员定位系统 系统 以射频芯片CC2420与MCU C8051F340为核心构成识别卡和读卡器 实现信 息的无线传输 选择基于RSSI测距和三边测量的定位算法 并用差分修正 算法对系统定位数据进行修正 提高定位精度 该系统还利用GIS技术 将 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 人员监测数据与井下空间数据相结合 进行综合分析与管理 实现井下人 员的实时显示 关键词 人员定位 ZigBee RSSI GIS 太原理工大学硕士研究生学位论文 III APPLICATION OF ZIGBEE AND GIS TECHNOLOGY ON UNDERGROUND MINE PERSONNEL POSITION SYSTEM ABSTRACT For the scurviness of mining system the security environment of mining system is focus of people In china coal mining is mainly underground mining And it often accompany with gas explosin flood and other accidents so it made huge economic losses to our country and also a lot of miners lives lost Although the country take the safety of coal production serious there are still many uncertain factors have contributed to the accident If we can automately track and position underground miners 24 hours a day in real time master the distribution of miners and operating information timely and accurately Once an accidence occer it can check the distribution of the staff location immediately from the monitor computer and determine the reliable information of personnel positions formulate a reasonable emergency evacuation and rescue routes In this way the probability of accendent will be more reduced the miners will be rescued timely and the loss will be lower System in this paper can position and track location of mine workers Meantime it ensure that the ground control station to be kept informed of the situation underground According to master the location of the miners work status and other information managers can facilitately contact with workers underground schedule and assign Besides the system can improve work efficiency keep the two way communication and rescue in disaster situation it can also provide the number 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV of miners in monitor region work interval history recorder and real time statistical reports thereby achieve efficient and safe management This paper analyzed research and development of the domestic and international mine workers positioning system introduced the characteristics of ZigBee technology compared ZigBee with other wireless communication technologies obtained advantages of ZigBee technology and use the ZigBee technology to the positioning system This article constructed positioning system based on ZigBee wireless network CC2420 RF chip and MCU C8051F340 was taken as core of system to make up identification card and card reader in order to achieve the wireless transmission of information RSSI based measurements and trilateration method were chosen for this system Besides we used distance difference localization algorithm to improve the positioning precision which present a higher positioning accuracy By combining this system with geography information system monitor data and spatial data are integrated to conduct a comprehensive analysis and management so as to achieve real time display KEY WORDS Personnel Position ZigBee RSSI GIS 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪 论 1 1 选题背景及意义 我国是煤炭生产和消费大国 煤炭是我国能源消费中的主体 占到能源消费总量 70 以上 随着经济的飞速发展 我们对能源的需求也越来越大 我国煤炭的开采主要是 井下开采 井下煤炭开采作业相对于其它职业来说是一个比较高危险的工作 井下开采 常常会发生瓦斯爆炸和透水等事故 造成人员伤亡和经济损失 尽管国家重视煤炭的安 全生产 但仍然有很多不确定的因素导致事故的发生 我国是煤炭事故的高发国家 据统计仅 2009 年上半年 大陆地区煤矿事故发生 749 起 死亡 1175 人 给国家和人民带来了巨大的经济损失和精神损失 事故的发生有很 多原因 有的甚至是突发人力不可避免的 一旦事故发生 最主要的任务就是如何快速 有序的开展救援工作 但限于国内煤炭生产的现状 井上对井下人员的监控还不完善 对井下人员的分布情况掌握不够准确 给救援工作带来很大的困难 为了有效地掌握人员分布情况 在出现危险时第一时间采取措施 最大程度的确保 井下人员的安全 并且合理有效地管理复杂多变环境下的各种设备 本文设计井下人员 定位系统 实现矿井工作人员的跟踪定位 同时保证地面调度室随时了解井下的情况 使管理人员掌握矿工的位置 工作状态等信息 便于井上下相互联系 实现井下人员的 调度和分配 提高工作效率 保障灾变情况下的双向通讯联系和救护而且还可以提供监 视区域内的人数 工作区间历史记录和实时记录的统计报表 1 2 国内外发展概况 煤矿井下人员定位技术属于煤矿井下监控技术的一部分 是对矿井监控技术的发展 和完善 由于现代信号检测技术 信号传输技术 计算机信息处理技术 计算机控制技 术及计算机网络技术的发展应用 我国矿区监测监控技术也从人工监测发展到了自动监 测监控 监测监控系统从环境安全监控发展到了工况监控和生产监控 并逐步形成了矿 区监测监控网络 为矿区生产和管理的现代化提供了良好的条件 近年来我国煤矿监控 技术有了飞速的发展 各种煤矿监测系统及其配套产品应运而生 目前国内矿井普遍使用的KJ系列定位系统 例如上海秀派的KJ 19煤矿井下人员安 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 全定位系统 陕西省西安天秦煤炭科技有限公司KJ236人员定位考勤系统 苏州木兰电 子科技有限公司KJ279井下人员管理系统等 KJ系列定位系统主要是基于RFID Radio Frequency Identification 即射频识别 俗称电子标签 技术 发射采用133 kHz无线信号 接收采用450 MHz信号 该技术相对较为成熟 已广泛用于门禁系统的身份识别 体积 小 重量轻便于携带 但RFID用于定位技术具有很多限制性 RFID通信传输距离有限 读写速度慢存在漏检 信号碰撞问题 抗冲突性低 RFID为有线连接不能组网 灵活性 差 数据传输量小 价格相对较高 近年来 随着传感器 自动控制 计算机 信息传输这些领域新成果 微电子技 术 数字技术和无线通信技术的发展 使用无线智能传感器网络来研制全矿井综合监控 系统成为了该领域的研究热点 ZigBee技术是一种新兴的最具代表性的无线传感网络 具有统一技术标准和低成本 低功耗等特点 以ZigBee技术为通信平台构建的的网络 布点灵活 可根据井下实际情况布置 更换监测点 弥补了有线传感器网络布点不够灵 活的缺陷 ZigBee技术已成为煤矿安全监测 人员定位系统的热点 1 3 论文研究目的和主要内容 根据国内外研究现状及国内煤矿行业的发展要求 结合矿井生产作业的特殊性 本文将ZigBee和GIS技术相结合应用于井下人员定位系统 整个系统是由井下井上两部 分共同组成 每个矿工的矿帽内都被植入一个无线射频识别卡 同时 井下巷道内布置 有若干个无线射频读卡器 读卡器实时搜集识别卡发出的射频信号 从而对矿工进行实 时定位和身份识别 再通过无线传感器网络将数据信息实时的传输到地面计算机 实现 了井下人员的定位和实时显示 同时实现井下人员的考勤管理 为查询矿井中的人员分 布情况和具体位置提供了依据 实现了矿区的安全高效管理 论文的主要内容 第1章绪论 介绍课题的背景 研究的意义 国内外发展现状及论文主要内容等 第2章井下人员定位系统 简要介绍现有无线通讯技术特点 介绍ZigBee和GIS技术的特点 应用情况 重点 介绍井下人员定位系统的原理组成及系统功能 第3章定位方法及防冲突算法 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 简要介绍现有的定位算法 选择并介绍RSSI测距算法和三边测量法的定位方法 并 介绍差分修正算法对系统定位数据进行修正 提高定位精度 为解决冲突问题 本章介 绍组团协议算法 第4章系统硬件设计 主要介绍系统的硬件组成 包括MCU C8051F340 射频芯片CC2420 USB 天线 注 册码芯片等的选择及应用电路设计 第5章系统软件设计 介绍系统软件部分的环境设计 功能设计 软件模块等内容 第6章GIS显示 介绍GIS软件 GIS数据库建立及GIS地图绘制 人员显示 第7章结论 总结全文 阐述本论文完成的主要工作 对进一步要开展的工作进行展望 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 第二章 井下人员定位系统 本文将 ZigBee 无线通讯技术和 GIS 地理信息系统技术应用于井下人员定位系统 实现井下人员的定位和实时显示 2 1 ZigBee 技术 2 1 1 现有无线通讯技术 常用的通信技术主要有 IrDA 技术 WIFi 技术 Bluetooth 技术 UWB 技术 RFID 射频识别技术 Zigbee 技术等 1 1 IrDA 技术 2 IrDA 红外线技术 是一种利用红外线进行点对点通信的技术 它是最早实现无 线个人局域网 PAN 的技术 目前 IrDA 相应的软件和硬件技术都已比较成熟 在小 型移动设备如手机电脑上广泛使用 IrDA的主要优点是体积小 功耗低 传输速率高 可达16Mbit s 适用于传输大容 量的文件和多媒体数据 连接方便 简单易用 成本低廉 IrDA用于工业网络上的最大 问题在于只能在2台设备之间连接 传输距离小并且存在有视距角度等问题 与ZigBee 技术相比 IrDA只能实现点对点的传输 无法灵活地组成网络 而ZigBee最少可以同时 链接255台设备 IrDA必须在视距范围内定向传输 要求通信设备的位置固定 无法用 于移动设备 通信距离不超过lm 而ZigBee通信距离在10m以上 2 WIFi技术 3 WIFi WirelessFidelity 又称802 1Lb标准 采用802 11a b g协议的无线局域网 WLAN 技术 是一种工作在2 4GHz频段的无线传输技术 WIFi传输速度较高 可以 达到11 Mbps 它的有效距离也很长 与已有的各种802 1l DSSS设备兼容 带宽的自动 调整 有效地保障了网络的稳定性和可靠性 虽然在数据安全方面比蓝牙技术要差一些 但在电波的覆盖范围方面却较强 可达100m左右 WiFi技术标准复杂 各技术标准存在差异和冲突 而技术方却尚未达成一致 技术 的安全问题大 与ZigBee相比 WiFi功耗大成本高 组网能力差 不适于广泛应用 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 3 Bluetooth技术 4 Bluetooth 蓝牙技术 是一种工作在 2 4 GHz 频段的无线传输技术 优点是传输 速度较高 可达 10 Mb s 功耗较低 具有很强的抗干扰能力 完整协议栈有 250 kb 不适合使用低端处理器 主要用于通信和信息设备的无线连接 采用 1600 MHz 的快速 跳频扩频技术 有效范围大约在 10m 半径内 有效距离较短 与 ZigBee 技术相比 蓝 牙技术虽然速率较高 但是在功耗 安全性 传输距离 网络的可扩展性等方面都略逊 于 ZigBee 技术 4 UWB技术 5 UWB UltrawideBand 超宽带技术 是一种工作在 3 1 10 6 GHz 频段的无线传输 技术 有着很高的传输速度 可达 100 Mb s 以上 功耗也比较低 其特点是在非常宽 的带宽内 发送噪音以下的低功率信号 具有对信道衰落不敏感 发射信号功率谱密度 低 有低截获能力 系统复杂度低 能提供数厘米的定位精度等特点 但是它传输有效 距离较短 仅 10 米 而且技术标准不统一 没有被广泛使用 5 RFID技术 6 RFID是一种工作在50 kHz 5 8 GHz频段的无线传输技术 是一种非接触式的自动 识别技术 它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据 识别工作无须人 工干预 可工作于各种恶劣环境 RFID按照能源的供给方式分为无源RFID 有源RFID 以及半有源RFID 无 源RFID价格低 读写距离近 有源RFID可以提供更远的读写距离 适用于远距离 读写的应用场合但是需要电池供电 成本要更高一些 6 ZigBee技术 7 ZigBee技术是一种近距离 低复杂度 低功耗 低数据速率 低成本的双向无线通 信技术 它基于IEEE802 15 4标准 支持250kb s的数据传输速率 使用全球免费频段 2 4GHz进行通信 可以实现一点对多点的快速组网 主要适合于自动控制和远程控制领 域 可以嵌入各种设备中 同时支持地理定位功能 2 1 2 ZigBee 技术特点 Zigbee技术的主要特点 7 1 数据传输速率低 ZigBee 根据频段可选择从 0kbps 到 250kbps 的传输速率 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 2 功耗低 在工作模式下 由于 ZigBee 技术的传输速率低 传输数据量小 因 此信号的收发时间短 非工作模式下 ZigBee 节点处于休眠模式 3 成本低 ZigBee 数据传输速率低 协议简单 且 zigbee 协议免收专利费 所以 大大降低了成本 4 短时延 ZigBee 的通信时延短 通常都在 15 毫秒至 30 毫秒之间 5 免许可无线通信频段 ZigBee 工作在 2 4GHz 868MHz 欧洲 及 915MHz 美 国 频段 均为免许可频段 6 组网方式灵活 ZigBee 网络可通过网络协调器组成星状 树状 网状等多种组 网方式 组网方式灵活 7 近距离通信 由于低功耗特点 ZigBee 设备发射功率较小 相近两个节点的通 信距离在 10 100m 内 加大无线发射功率可增加到 1 3km 通过相邻节点的连续传 输还可以增加传输距离 8 数据传输可靠 ZigBee 的媒体接入控制层采用 CSMA CA 接入算法 同时为需 要固定带宽的通信业务预留专用时隙 避免发送数据的竞争和冲突 保证数据完整安全 性 9 网络容量大 一个 ZigBee 网络最多可支持 255 个 ZigBee 网络节点 也就是说 每个 ZigBee 设备可以与另外 254 台设备相连接 通过网络协调器 整个网络最多可以 支持 64000 个网络节点 与各个网络协调器相连可以建立更加庞大网络 适用于大面积 传感器网络建立 10 自配置组网 在可通信距离内 ZigBee 通过网络协调器自动建立网络 采用载 波侦听 冲突检测方式进行信道接入 对节点设备可随时加入和退出 是一种自配置 自 组织的组网模式 11 三级安全模式 ZigBee 提供了基于循环冗余校验 CRC 的数据包完整性校验 支持鉴权和认证 并在数据传输中提供了三级安全模式 2 1 3 ZigBee 协议 ZigBee协议架构 7 是建立在IEEE802 15 4标准基础上 IEEE802 15 4规范 8 是一种经 济 高效 低数据速率 250kbps 工作在2 4GHz和868 928MHz的无线技术 IEEE 802 15 4标准定义了ZigBee协议的物理层 PHY层 和媒体访问控制层 MAC层 ZigBee 太原理工大学硕士研究生学位论文 7 联盟在此基础上建立了网络层 NWK层 应用层 APL层 和安全服务规范 完整的 ZigBee协议套件由高层应用规范 应用汇聚层 网络层 以及数据链路层和物理层组成 协议栈结构如图2 1所示 应用层 应用汇聚层 网络层 IEE 802 15 4 逻辑链路控制层 IEE 802 2 逻辑链路控制层 IEE 802 15 4 媒体接入控制层 868 915mMHz 物理层 2 4GHz 物理层 OEM ZigBee联盟 IEE802 15 4 图 2 1 ZigBee协议架构 Fig 2 1 ZigBee protocol architecture 1 物理层 9 IEEE802 15 4的物理层提供两种服务 物理层数据服务和物理层管理服务 物理层 数据服务从无线物理信道上收发数据 物理层管理服务维护有物理层相关数据组成的数 据库 物理层的主要功能包括 1 收发数据 2 激活和休眠射频收发器 3 信道能量检测 ED 4 空闲信道评估 CCA 5 信道接收数据包的链路质量指示 LQI 太原理工大学硕士研究生学位论文 8 物理层 PHY 物理层管理实体 PLME 物理层数据 服务访问点 PD SAP 物理层管理实体 服务访问点 PLME SAP 射频服务访问点 RF SAP 物理层个域 网信息库 PIB 图 2 2 物理层参考模型 Fig 2 2 PHY reference model 物理层通过射频固件和射频硬件提供了MAC层与物理层无线信道通信接口 物理层 参考模型如图2 2所示 物理层采用DSSS Direct Sequence Spread Spectrum 直接序列 扩频 技术 10 可提供27个信道用于数据收发 DSSS技术是通过编码和调制的方法在 发送端将信号的带宽扩频达到一个较宽的频谱带宽 在接收端使用相同的扩频码解调来 解扩恢复所传的数据信息 调制和扩频过程如图2 3所示 DSSS技术具有隐蔽性 保密 性 抗干扰性 抵抗多径干扰 系统容量高等特点 发射数据流 LSB优先 比特 符 号映射 符号 片码 序列映射 偏移正交相移键 控0 QPSK调制 已调制信号 图 2 3 调制和扩频框图 Fig 2 3 Diagram of modulation and spread spectrum 2 MAC层 7 IEEE802系列标准把数据链路层分为媒质接入层MAC和逻辑链路控制层LLC IEEE802 15 4的MAC子层支持多种LLC标准 MAC子层使用物理层提供的服务实现设备 之间的数据帧传输 而LLC子层在MAC子层的基础上 给设备提供面向连接和无连接的 服务 LLC子层功能包括 传输可靠性保障和控制 数据包的分段与重组 数据包的顺 序传输 MAC层提供两种服务 MAC层数据服务和MAC层管理服务 前者保证MAC协议数 据单元在物理层数据服务中正确收发 后者维护存储MAC协议状态相关数据组信息的数 太原理工大学硕士研究生学位论文 9 据库 MAC公共部分子层 MCPS MAC层管理实体 MLME MAC通用部分子层 服务访问点 MCPS SAP MAC子层管理实体 服务访问点 MLME SAP 物理层管理访问点 PLME SAP 物理层数据 访问服务点 PD SAP MAC个域网 信息库PIB 图 2 4 MAC层参考模型 Fig 2 4 MAC reference model 3 网络层 7 网络层的主要任务是确保 MAC 层正常工作 并为应用层提供合适的服务接口 为 了向应用层提供其接口 网络层提供了两个功能服务实体 它们分别为数据服务实体和 管理服务实体 参考模型如图 2 5 所示 NLDE NLME MAC子层实体 MCPS SAP MLME SAP 上层实体 NLME SAPNLDE SAP 网络层信 息库NIB 图 2 5 网络层参考模型 Fig 2 5 NWK reference model 网络层管理实体提供网络管理服务 允许应用与堆栈相互作用 网络层管理实体提 供服务包括 新网络构建 配置新设备及分配地址 为保证设备正常工作的需要 设备应具有足够堆栈 太原理工大学硕士研究生学位论文 10 以满足配置的需要 配置选项包括对一个ZigBee协调器和连接一个现有网络 加入 退出网络机制 寻 址 ZigBee协调器和ZigBee路由器具有为新加人网络的设备分配地址的 路由发现及维护机制 接收控制 具有控制接收机接收状态的能力 即控制接收机什么时间接收 接 收时间的长短 以保证MAC层的同步或者正常接收等 帧安全机制 4 应用层 7 ZigBee应用层包括应用支持子层 APS 应用框架 AF 设备对像 ZDO 和 生产商定义的应用对像 应用支持子层提供网络层和应用层之间的接口 同时被设备对 像ZDO和生产商定义的应用对像使用 图2 6给出了应用支持子层 APS 的结构模型 APSDE APSM NWK层实体 NLDE SAP NLME SAP 上层实体 APSME SAPAPSDE SAP 应用层信 息库AIB 图 2 6 APS 子层参考模型 Fig 2 6 APS reference model 2 1 4 ZigBee 应用 ZigBee 技术是一种新兴无线网络技术 适合于承载数据流量较小的业务 能为低能 耗的简单设备提供有效覆盖范围在数十米左右的低速连接 有效弥补了低成本 低功耗 和低速率无线通信市场的空缺 ZigBee 技术主要用于自动控制和远程控制领域 可以嵌 入各种设备 面向的应用领域是低速率无线个人区域网 LRWPAN Low Rate Wire less Personal Area Network 通常符合以下条件之一的应用 就可以考虑采用 ZigBee 技术 1 成本低 数据传输量小 2 设备体积很小 便于移动或随身携带 太原理工大学硕士研究生学位论文 11 3 要求功耗低 不能使用大的电源模块 或频繁更换电池 4 需要较大范围的通信覆盖 网络中的设备非常多 但仅仅用于监测或控制 目前 ZigBee 主要用于 1 智能家居 一般家庭可将 ZigBee 应用于以下装置 门禁系统 空调系统的温度控 制器 灯光 窗帘的自动控制 紧急呼叫器 电视与音响的万用遥控器 无线键盘 滑鼠 摇杆 玩具等 2 工业应用 通过 ZigBee 网络自动收集厂区各种设备信息 并将信息送达中央控制系 统进行数据处理与分析 以掌握工厂整体信息 3 智能建筑 根据 ZigBee 网络 感知建筑内可能发生的火灾隐情 及早提供相关信息 掌握楼内人员分布状况及出入信息 如有突发状况可以及时通知等 4 医院应用 ZigBee 网络可以帮助医生及时准确的收集急诊病人的信息和检查结果 准确的做出诊断 携带 ZigBee 节点的患者可以 24 小时监控体温 脉搏等 5 智能交通 Zigbee 智能交通卡 通过在公路和高速公路安设 ZigBee 节点 车内导航 会显示路线指引等 随着无线组网通信技术的迅速发展 ZigBee 技术应用将更加广泛 2 2 GIS 技术 GIS 11 即地理信息系统 Geographic Information System 是综合处理和分析地 理空间数据的一种技术系统 它具有空间数据的获取 存储 显示 编辑 处理 分析 输出和应用等功能 可以把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般 的数据库操作 例如查询和统计分析等 集成在一起 具有强大的地理信息空间分析 功能 2 2 1 GIS 组成组成 地理信息系统由计算机硬件系统 计算机软件系统 地理数据 或空间数据 系统管理操作人员和方法组成 硬件和软件为地理信息系统建设提供环境 数据 是 GIS 的重要内容 方法为 GIS 建设提供解决方案 人员是系统建设中的关键和 能动性因素 直接影响和协调其它几个组成部分 13 1 计算机硬件系统 太原理工大学硕士研究生学位论文 12 GIS 由于任务的复杂性和特殊性 必须有计算机设备支持 系统的规模 精度 速度 功能 形式 使用方法 软件都与硬件有很大关系 受到硬件的支持和制 约 构成计算机硬件系统组件包括计算机和网络设备 存储设备 数据输入 显 示和输出的外围设备等等 这些硬件协同工作 向计算机系统提供必要的信息 使其完成任务 保存数据以备使用 并将得到的结果信息提供给用户 2 计算机软件系统 软件系统主要包括以下几类 1 操作系统软件 计算机操作系统软件 2 地 GIS 软件及其它支持软件 包括 GIS 软件包 也可以包括数据库管理软件 计算机图形软件包 计算机 图像处理系统 CAD 等等 用于支持对空间数据的输入 存储 转换 输出和与 用户接口 3 应用分析程序 系统开发人员或用户根据地理专题或区域分析模型编制的用于某种特定任务 的程序 是系统功能的扩展和延伸 3 空间数据 数据是 GIS 的重要内容 数据组织和处理是 GIS 应用系统建设中的关键环节 空间数据是以地球表面空间位置为参照的 表征地理圈或地理环境固有要素或物质的数 量 质量 分布特征 联系和规律的数字 文字 符号 图形 图像以及他们能转换成 的数据等形式的总称 4 方法 方法指系统需要采用何种技术路线 采用何种解决方案来实现系统目标 5 系统开发 管理和操作人员 GIS 是一个动态地理模型 需要人进行系统组织 管理 维护和数据更新 系 统扩展完善 应用程序开发 并灵活采用地理分析模型提取多种信息 为研究决 策服务 2 2 2 GIS 应用领域应用领域 地理信息系统广泛应用于资源调查 环境评估 灾害预测 国土管理 城市 太原理工大学硕士研究生学位论文 13 规划 邮电通讯 交通运输 军事公安 水利电力 公共设施管理 农林牧业 统计 商业金融等几乎所有领域 12 1 自然资源管理 土地资源调查与分类 气候资源分析及农业气候区划 水资源可持续利用研究 湖 泊资源动态研究 土壤养分的时空变异特征研究 土地生产潜力研究 湿地资源调查 资源与环境动态监测 建立了土地详查 水资源信息系统 土地开发与管理决策支持系 统 土壤数据库系统 2 环境研究 湿地资源及其生物多样性的遥感监测 景观生态研究与设计 植被景观空间格局及 其环境响应特征研究 动物生态与动物地理分布 植被分布 环境生态形势的空间分异 研究 移民安置区内生态系统的管理 土壤养分空间变异特征研究 土地沙化 土地退 化动态趋势研究 可持续农业景观生态规划与设计 区域生态规划 环境现状评价 环境影响评价 污染物削减分配的决策支持 环境与区域可持续发展的决策支持 环保设施的管理 环境规划等 3 资源规划配置 土地规划配置 城市规划管理 基础设施建设 各种公用设施 救灾减灾中 物资的分配 全国范围内能源保障 粮食供应等都是资源配置问题 地理信息系统最早应用在资源环境管理中 目前已经广泛应用于资源环境的管理 自然资源的调查 自然灾害的监测 预报 评估 环境保护等方面 4 灾害预测 建立生洪水 战争 核事故等重大自然灾害 重大环境污染事故区域预警系统 能够对事故风险源的地理位置及其属性 事故敏感区域位置及其属性进行管理 提供污 染事故的大气 河流污染扩散的模拟过程和应急方案 灾害发生后 如何安排最佳的 人员撤离路线 并配备相应的运输和保障设施的问题 5 城市管理 建立交通网络 地下管线网络等的计算机模型 研究交通流量 进行交通规 则 处理地下管线突发事件 爆管 断路 等应急处理 警务和医疗救护的路径 优选 车辆导航等 太原理工大学硕士研究生学位论文 14 总之 地理信息系统正越来越成为国民经济各有关领域必不可少的应用工具 相信 它的不断成熟与完善将为社会的进步与发展作出更大的贡献 2 2 3 MGIS 技术 矿山地理信息系统 14 即MGIS 是将GIS应用于矿山的区域性地理信息系统 利 用GIS的强大的地学分析功能和辅助决策功能 为矿山生产 设计 规划等提供强有力 的支持 它是以计算机技术为基础 应用测量 摄影测量 遥感与统计数据等技术采集 信息 并通过机助制图和图象处理等手段 紧密结合矿山的空间与资源特征构建起来的 一种地理信息系统 具有对矿山资源与环境信息进行采集 存储 处理 建立矿区数 据库及软件系统 实现对信息的查询检索 综合分析 动态预测和评价 信息输出等功 能 从而为矿区环境工程和矿产资源开发管理进行规划 判断和决策提供科学依据 将GIS应用于矿山 利用GIS技术 数据库技术和网络技术实现空间数据和属性数据 的一体化管理 根据收集到的地测资料数据通过几何运算 运用GIS拓扑分析技术生成 矿山巷道内的各个要素 并且利用GIS可视化技术 以图形的形式直观的显示给用户 为矿山管理提供辅助决策支持 15 实现以下功能 1 模拟矿山地理特性绘制图形 实现动态显示 实时更新 存储整个矿区信息可 对同一图件进行任意的缩小 剪切和拼接 又可对具有不同属性的图件进行叠置和具有 多种属性的图件进行分层 输出灵活 可根据需要输出不同形式的矿图 为地质勘测和 矿区设计提供依据 2 安全生产检测 调度管理 GIS包含地质测量数据 矿产资源与采矿数据以及各 种生产管理数据 MGIS具有的空间分析功能和空间模拟功能结合采掘工程平面图 地 质地形图 通风及运输网络图 地质构造等实现矿区生产模拟显示 管理人员可以根据 显示了解矿区生产情况作出相应的调度 并根据井下检测数据了解安全状况做好安全预 测预警工作 3 日常管理 MGIS的数据采集 分析和存储功能 可以为日常管理提供报表数据 并为矿区的生产计划安排提供依据 随着现代化矿山建设的发展 以及矿山可持续发展的要求 建立矿山地理信息系统 处理数据 可视化管理矿山意义重大 将给矿山带来巨大的经济效益和社会效益 太原理工大学硕士研究生学位论文 15 2 3 系统原理及组成 2 3 1 定位原理 井下人员跟踪定位系统的基本原理为 1 煤矿生产单位在井下坑道 作业面的交叉道口安装读卡器 井下分站设备 2 工作人员装备 ZigBee 识别卡 识别卡安装在安全帽上 识别卡实行一人一卡 制 每卡对应唯一卡号 也可以给井下重要或主要移动设备安装识别卡 3 系统数据库记录该识别卡所对应人员的基本信息 包括姓名 年龄 性别 所 属班组 职务 本人照片 有效期等基本信息以及设备的自重等基本信息 4 在井下巷道中预先分布的ZigBee固定节点作为基站 它们的位置被测出并存储 在电脑中 工作人员下井后 随身携带的ZigBee识别卡定时向基站发射信号 基站接收 到识别卡信号 即可确知携带工作人员位于该基站的无线信号范围内 系统将读取该卡 号信息 通过系统传输网络 将持卡人通过的地点 时间等资料传输到地面监控中心进 行数据管理 系统则可根据该信号计算出工作人员与基站的确切距离 实现精确定位 本文系统包括井下射频定位和地面检测2个部分 如图2 7所示 连接 数据交换机 监控设备 系统处理终端 地面检测 井下射频定位 固定节点 移动节点 移动节点移动节点 Zigbee 网络 图 2 7 定位系统结构图 Fig 2 7 Structure of position system 2 3 2 井下射频定位 井下射频定位采用 ZigBee 射频识别系统 主要包括 2 个部分 移动节点 射频识 别卡 和固定节点 射频读卡器 其中移动节点即识别卡由作业人员随身佩戴 卡中 太原理工大学硕士研究生学位论文 16 记录工作人员基本信息 如身高 年龄 血型等 识别卡对应唯一 ID 号 定位时根据 接收 ID 号读取判断该人员信息 ZigBee 读卡器安装在人员出入的井口 井下巷道及工作面等地点 一般根据现场需 要沿坑道每隔 200m 距离 与井下电源接口位置一致 布置一个 在巷道分岔口 工作 面等复杂地段安装距离缩短为 50m 实际安装根据巷道复杂程度和定位精度要求而定 以满足辐射区域为准 所安置的射频模块将自动组成一个 ZigBee 通信网络 作业人员 下井后 其佩戴的识别卡自动发出射频信号 通过或接近放置在坑道内的读卡器时 读 卡器感应信号 通过网络传输数据 上传到控制中心的计算机 2 3 3 地面检测部分 地面检测部分主要是存储传输的数据 通过 GIS 技术实时显示井下人员位置 数据 库也可以记录任一时间井下作业的人数 人员信息及每个人在井下的活动轨迹 了解井 下人员在巷道中的实时分布 并根据井下的实际地理情况制作相应的动态图 16 根据一 段时间的人员出入信息系统可自动生成考勤作业的统计与管理等方面的报表 提高管理 效益 数据传输系统流程如图 2 8 所示 无线传输 数据格式转换 有线传输数据通信接口计算机终端 移动节点信息 固定节点传感器信号 Zigbee网络 图 2 8 数据传输框图 Fig 2 8 Data transfer block diagram 2 4 系统实现功能 井下人员定位系统可以实现的功能 一 实时定位和轨迹跟踪功能 1 查询当前井下人员的数量及分布情况 2 查找人员在某个时间段内的活动轨迹 并在图中画出实际的行走轨迹 太原理工大学硕士研究生学位论文 17 3 查询人员信息 二 历史数据的记录 查询和报表打印 三 井下考勤功能 能够自动准确统计矿工入井 升井时间 并生成相应考勤记录 统计报表 四 大屏信息显示功能 显示井下巷道 盲道 采取线路及分站设置点 显示井下巷道人员 采区人员的分 布 五 参数设置及联网功能 六 报警救援功能 八 设备管理 显示查询车和其他重要设备的具体实时位置 记录出入信息 太原理工大学硕士研究生学位论文 18 第三章 定位方法及防冲突算法 井下定位是将ZigBee固定节点作为参考点 确定目标在网络中所处的位置 在整个 ZigBee网络中若存在两个固定节点同时接收到同一移动节点的信号则可以通过算法确 定其相对固定节点的位置 而固定节点在矿井中的位置是已知的 将其与上述得到的相 对位置信息相对照 即可得到每个移动节点在整个矿井中的确切位置信息 这就是本定 位系统的基本原理 3 1 定位方法 3 1 1 常用定位算法 根据定位机制 现有的无线定位算法主要分为基于测距 Range based 和非基于测 距 Range free 两种方法 基于测距的定位方法主要有RSS Received Signal Strength TOA Time of Arrival TDOA Time Difference of Arrival AOA Angle of Arrival 等来测量距离或者角度推算出节点的位置 17 1 接收信号强度RSS RSS测距是通过已知的信道衰落模型并测出接收信号和发射信号的强度来估计收发 信端的距离 根据多个距离值就可以得到目标移动台的位置 信号的强度可用信号的场 强值 功率值 电平值来表示 2 信号到达时间TOA TOA测距是指在知道被测目标发出的信号的传输速度的前提下 通过测量信号在被 测目标和基站的传输时间来计算二者之间的距离 其不仅要求基站能够测得接收到被测 目标发出的信号的时间 而其还要求基站精确的知道被测目标向基站发送信号的时间 对硬件要求较高 该测距方法一般选用传输速率较慢的信号 如声波 超声波信号等 但是TOA需要节点间精确的时间同步 无法用于松散耦合型定位 3 信号到达时间差TDOA TDOA测距是根据被测目标发出的信号到达不同基站的时间差 计算出被测目标到 达各基站的距离 或是通过测量被测目标发出速度不同的信号到达同一基站的时间差来 计算出被测目标和基站之间的距离 TDOA测距中的重点及关键问题是对时间延迟参数 太原理工大学硕士研究生学位论文 19 的估计 简称时延估计 TDOA方法降低了时间同步的要求 但仍然对时间精度要求很 高 而且极端的时间误差会导致较大的定位误差 4 信号到达角度AOA AOA测角是指通过天线阵列或多个基站通过感知被测目标发射的信号到达的方向 计算基站和天线或被测目标之间的角度 只需要两个基站即可确定被测目标的位置 MIT研发的Cricket 系统既是利用多个接收器完成AOA测角 其可在40度角内以5度的误 差确定接收信号的方向 AOA测角易受外界环境的影响 如噪声 非视距等问题都会对 测量结果产生不同影响 同时为了高精确地测量无线信号的到达角度 基站需要配备高 精度的智能天线 设备比较复杂 成本较高 并且随着被测目标与基站距离的增加 定 位精度也会降低 基于测距的定位机制通常定位精度比较高 但对节点硬件也提出较高的要求 能耗 也较高 并且定位精度易受温湿度 障碍物等环境因素的影响 本系统采用的定位算法是基于RSSI的定位算法 这种算法比较适合井下的网络环 境 系统使用的射频芯片CC2420自身有内嵌式的RSSI接收信号强度指示器 可以在无 线收发当中得到与发送方的距离 3 1 2 RSSI 定位算法 RSSI Receive Signal Strength Indicator 接收信号强度指示 测距是节点最基本的 测距方法 基本不需要额外的硬件设备 实现方法简单 其基本思想是在已知的发射节 点信号功率情况下 测得接收节点的接收功率 通过测量接收到的信号强度可以推算移 动节点到基站的距离 并计算传播过程的损耗 使用信号传播衰减模型将传播损耗转换 为节点间的距离 进一步利用三边定位法就可以确定待定位节点的位置 19 在自由空间 中 系统损耗由下面的公式计算得出 2 T R P4 d L P 3 1 L 32 4478 20Lgf20Lgd 3 2 其中 T P 发射功率 R P 接收功率 太原理工大学硕士研究生学位论文 20 d 发射天线到接收天线的距离 单位m 电波波长 单位m f 电磁波频率 单位Hz 由公式可知 在自由空间中 接收机功率随发射机与接收机距离的平方衰减 这样 通过测量接收信号的强度 再利用式 3 1 就能计算出收发节点间的大概距离 但在自由空间电波按直线传播而不吸收 也没有反射 折射 绕射和散射现象 电波的 能量只因扩散而衰减 电磁波在井下巷道内传播时 由于巷道四周材料的介电常数 侧壁倾斜度 粗糙度 及巷道尺寸的不同 其传播特性更加复杂 无线通信的电磁波传播消耗与通信距离的关 系如下 n L kd 3 3 式中k为系数 d为通信距离 n为距离功率参数n满足2 n3 三边测距法定位 对所得位置差分修正 发送结果 返回 标记固定节点 记录RSSI值 N N N 定位软件流程 图 5 2 定位软件流程图 Fig 5 2 Flow chart of position software RSSI距离计算程序代码 太原理工大学硕士研究生学位论文 42 include include include void cal int rab int rba int rma int rmb int d double a 0 00001 double b 0 000000001 double da for da 0 0 da