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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 井下無(wú)線語(yǔ)音傳輸與人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品采用ZigBee技術(shù)組建無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，由計(jì)算機(jī)，基站，地標(biāo)器和手持機(jī)組成。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)井下工作人員的正確定位跟蹤，使地面監(jiān)控中心實(shí)時(shí)掌握井下人員的位置，隨時(shí)保持聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)人員的調(diào)度。這對(duì)于提高生產(chǎn)安全、改善工作效率以及事故發(fā)生后及時(shí)有效的營(yíng)救，具有十分重要的意義。
- 詳細(xì)介紹：
- 1. 地表器和手持機(jī)發(fā)射功率為10dBm，獨(dú)立兩個(gè)節(jié)點(diǎn)最大通信距離為120m。組網(wǎng)之后，節(jié)點(diǎn)具有多跳轉(zhuǎn)發(fā)功能，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的遠(yuǎn)距離傳輸。 2. 定位功能：打開(kāi)手持機(jī)電源，手持機(jī)屏幕上顯示手持機(jī)的位置坐標(biāo)。上位機(jī)屏幕上顯示出手持機(jī)所在位置。定位精度在5-8米。 3. 導(dǎo)航功能：在連接基站的計(jì)算機(jī)上寫(xiě)入一個(gè)目的地坐標(biāo)，新坐標(biāo)通過(guò)基站發(fā)送給手持機(jī)。手持機(jī)收到新坐標(biāo)后，顯示出目的地坐標(biāo)，并在屏幕上指示出移動(dòng)方向。 4. 發(fā)信息功能：在上位機(jī)寫(xiě)入一條文本信息，發(fā)送給手持機(jī)，手持機(jī)收到并顯示。 5. 短距對(duì)講:手持機(jī)1顯示附近的其他手持機(jī)（手持機(jī)2），發(fā)起呼叫，手持機(jī)2應(yīng)答后開(kāi)始對(duì)講。 6. 指北針功能：手持機(jī)屏幕上可以顯示北方的方向，誤差在5°以內(nèi)。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的：近年來(lái)，礦井事故時(shí)有發(fā)生，然而營(yíng)救效果并不理想，井下工作人員的生命安全難以得到有效的保障。本作品采用ZigBee技術(shù)組建無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，由計(jì)算機(jī)，基站，地標(biāo)器和手持機(jī)組成。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)井下工作人員的正確定位跟蹤，使地面監(jiān)控中心實(shí)時(shí)掌握井下人員的位置，隨時(shí)保持聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)人員的調(diào)度。這對(duì)于提高生產(chǎn)安全、改善工作效率以及事故發(fā)生后及時(shí)有效的營(yíng)救，具有十分重要的意義。 技術(shù)關(guān)鍵及創(chuàng)新點(diǎn)： 1. 使用ZigBee技術(shù)組建無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)，應(yīng)用于井下無(wú)線通信系統(tǒng)。 2. 根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，對(duì)ZigBee協(xié)議進(jìn)行各方面的修改和改進(jìn)，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)能力和自愈合能力。 3. 加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)管理的能力，容納較高數(shù)量的地標(biāo)器和手持機(jī)。 4. 有新穎的路由算法，能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的信息，尋找深度低的路由器。 5. 采用三角定位算法，根據(jù)固定節(jié)點(diǎn)（地標(biāo)器）的位置定位出移動(dòng)手持機(jī)的位置。 6. 移動(dòng)手持機(jī)可在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行語(yǔ)音通信。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- ZigBee技術(shù)和有線以太網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用，工作可靠的井下通信系統(tǒng)，這是一種介于無(wú)線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案，具有低速率、低功耗、 低成本、多路由、自組織等特點(diǎn)，主要用于近距離無(wú)線連接。ZigBee網(wǎng)絡(luò)一般有星型、樹(shù)型和網(wǎng)格型3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中網(wǎng)格型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在邏輯上可理解為子結(jié)點(diǎn)間存在直接連通情況的樹(shù)型結(jié)構(gòu)。它允許通信鏈路存在常用路由和備選路由，避免了由于個(gè)別結(jié)點(diǎn)故障而阻斷了其下級(jí)子網(wǎng)通信出口的問(wèn)題，保持了網(wǎng)絡(luò)的健壯性。使用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)的無(wú)線語(yǔ)音傳輸與人員定位系統(tǒng)，提高了礦井救護(hù)隊(duì)員救護(hù)的靈活性，滿足了當(dāng)前礦難發(fā)生時(shí)對(duì)通信儀的迫切需求。對(duì)于提高礦井生產(chǎn)安全、改善工作效率以及事故發(fā)生后及時(shí)有效的營(yíng)救，具有十分重要的意義。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2010年**大學(xué)第一批學(xué)生重大型科研立項(xiàng)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 有償轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品，現(xiàn)場(chǎng)演示
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 目前，用于礦井無(wú)線通信的中遠(yuǎn)距離射頻感應(yīng)通信技術(shù)、漏泄通信技術(shù)、透地通信技術(shù)以及礦井移動(dòng)通信技術(shù)等都或多或少存在成本高、功耗大、抗干擾能力差等問(wèn)題。而與之相比，ZigBee在這些方面則存在著明顯的優(yōu)越性。 ZigBee技術(shù)采用IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。且ZigBee芯片的價(jià)格現(xiàn)已降到3美元以下，因此，相比移動(dòng)終端設(shè)備的價(jià)格，用zigBee組建網(wǎng)絡(luò)具有較大的成本優(yōu)勢(shì)。 ZigBee具有低功耗的特點(diǎn)：一是芯片本身在收發(fā)時(shí)的功耗很低，二是傳輸距離的增加可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接力傳遞的方式，而不需要增加發(fā)射功率。 ZigBee采用的直序擴(kuò)頻技術(shù) (DSSS)從根本上解決了困擾無(wú)線系統(tǒng)的多徑反射。另外，ZigBee是針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的，在礦井這樣的惡劣環(huán)境中，可靠性很高。如果組建網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)環(huán)境進(jìn)行一些冗余設(shè)計(jì)，那么，整個(gè)通訊系統(tǒng)會(huì)非常的可靠，幾乎不會(huì)有丟失節(jié)點(diǎn)的情況出現(xiàn)。
同類課題研究水平概述
- 電子技術(shù)的進(jìn)步、無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展，帶動(dòng)著礦井無(wú)線通信的同步發(fā)展。從礦井通信的發(fā)展歷程來(lái)看，每一種新通信技術(shù)的誕生都促使礦井通信上一個(gè)新的臺(tái)階。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有礦井無(wú)線通信系統(tǒng)主要有超低頻透地通信、中感應(yīng)通信、VHF漏泄通信系統(tǒng)等。 (一) 超低頻透地通信系統(tǒng) 目前實(shí)用的透地通信系統(tǒng)有澳大利亞開(kāi)發(fā)的PED(Personal Emergency Device)井下無(wú)線通信與急救系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件由澳大利亞礦山技術(shù)公司(MST)生產(chǎn)，系統(tǒng)的軟件由MST與安菲斯公司合作開(kāi)發(fā)，主要應(yīng)用于井下急救，即在緊急情況發(fā)生、其它通信方式完全中斷時(shí)，通過(guò)PED發(fā)射系統(tǒng)，使其超低頻信號(hào)穿透巖層到達(dá)井下任何位置，迅速有效地與井下人員通信。 但在實(shí)際使用過(guò)程中，也存在以下缺點(diǎn): (l) 信道容量小。為避免較大的傳輸衰減，透地通信的工作頻率一般選擇為數(shù)百至數(shù)千赫茲的特低頻。因此，不能用于語(yǔ)音等需要較大信道容量的通信，只能用于傳呼、簡(jiǎn)單遙控等。 (2) 電磁干擾大。煤礦井下空間狹小、機(jī)電設(shè)備相對(duì)集中，特別是采掘運(yùn)輸設(shè)備的功率較大，負(fù)載不穩(wěn)定，造成井下電磁干擾嚴(yán)重，特別是50Hz工頻干擾對(duì)特低頻透地通信干擾嚴(yán)重。 (二) 中頻感應(yīng)通信系統(tǒng) 該系統(tǒng)投資費(fèi)用低，小范圍內(nèi)信道比較穩(wěn)定，缺點(diǎn)是靠近感應(yīng)體通信效果好，稍遠(yuǎn)離感應(yīng)體信道不穩(wěn)定。代表性產(chǎn)品有南非的RB2000，德國(guó)的FM130/60，法國(guó)的X-Yphone，日本的XA33lFMX-1，中國(guó)的KTY2、KT2007。 在實(shí)際使用中，系統(tǒng)能夠延伸到工作面進(jìn)行良好的通信。但是，也存在以下缺點(diǎn): (l) 感應(yīng)通信受巷道形狀、截面、粗糙程度、分支、拐彎、傾斜、圍巖構(gòu)造與介質(zhì)、非金屬支護(hù)等影響較小，但受巷道內(nèi)導(dǎo)體影響較大，因此，信道性能不穩(wěn)定。 (2) 感應(yīng)通信傳輸衰減和禍合衰減較大，因此，通信距離不遠(yuǎn)。 (三) VHF漏泄通信系統(tǒng) 漏泄通信系統(tǒng)是利用漏泄電纜的漏泄原理實(shí)現(xiàn)礦井無(wú)線電通信。存在以下缺點(diǎn): (1) 泄漏系統(tǒng)同樣受制于漏泄電纜，并且隨著電纜長(zhǎng)度的增加，信號(hào)衰減嚴(yán)重，必須增加信號(hào)放大器。中繼放大器的增加，導(dǎo)致噪音容易累加，信號(hào)容易失真。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和相關(guān)電子技術(shù)的進(jìn)步，各種無(wú)線技術(shù)層出不窮。尤其是無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)得到了飛速的發(fā)展并取得了巨大的成功，使得礦井無(wú)線通信技術(shù)向著多樣化的方向發(fā)展。
