基于ZigBee的井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金 純，何 山，徐洪剛，萬(wàn)寶紅

（1.重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院 移動(dòng)通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065；2.重慶金甌科技發(fā)展有限公司，重慶 400041）

0 引言

近年來(lái)，國(guó)家雖然非常重視煤礦安全生產(chǎn)工作，出臺(tái)了一系列的法律和法規(guī)，但煤礦重大事故仍然時(shí)有發(fā)生。事故的發(fā)生給國(guó)家和人民帶來(lái)了重大的經(jīng)濟(jì)損失，為了進(jìn)一步減小人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)井下人員定位系統(tǒng)意義重大。

目前，市場(chǎng)上推出了不少用于井下人員定位系統(tǒng)的產(chǎn)品，如上海秀派電子科技有限公司推出的井下人員及設(shè)備定位系統(tǒng)。這些產(chǎn)品幾乎都是采用RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)。這種技術(shù)存在通信距離短、讀卡器價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，因此此類(lèi)產(chǎn)品實(shí)際的定位效果并不佳。國(guó)外近幾年更是推出了漏泄通信系統(tǒng)，如英國(guó)的DAC系統(tǒng)，此類(lèi)系統(tǒng)普遍存在兩個(gè)問(wèn)題:一是沒(méi)有充分利用漏泄通信可利用的頻段（75 MHz或150 MHz）；二是通信方式均為單工或半雙工方式。針對(duì)以上問(wèn)題，本文充分利用ZigBee[1]和嵌入式技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了用于井下人員的定位系統(tǒng)。

1 井下人員定位系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

井下人員定位系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。參考節(jié)點(diǎn)就是已知坐標(biāo)位置的節(jié)點(diǎn)；移動(dòng)節(jié)點(diǎn)就是不知道自身位置而要通過(guò)參考節(jié)點(diǎn)來(lái)定位的節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)既要配置參考節(jié)點(diǎn)的位置信息，又要接收移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置信息，然后再傳給Web服務(wù)器；Web服務(wù)器則通過(guò)Inter?net傳給遠(yuǎn)程的計(jì)算機(jī)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

參考節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的原理框圖如圖2所示，主要由傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊以及其他一些外圍電路組成[2]。而網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)由于要和Web服務(wù)器連接，所以網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的組成要比參考節(jié)點(diǎn)的組成多一個(gè)串口模塊，其組成如圖3所示。

下面詳細(xì)介紹節(jié)點(diǎn)各模塊的組成部分。

2.1.1 處理器芯片

參考節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的處理器芯片采用TI公司的CC2430芯片，CC2430在單個(gè)芯片上整合了ZigBee/IEEE802.15.4射頻、內(nèi)存和微控制器。

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的芯片則采用CC2431芯片，CC2431的組成跟CC2430差不多，只不過(guò)多了一個(gè)定位引擎。此定位引擎根據(jù)RSSI（Received Signal Srength Indicator）和參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)利用三邊測(cè)量法計(jì)算出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)[3]。

2.1.2 傳感器芯片

本項(xiàng)目由于只需要采集溫度，所以這里只涉及溫度傳感器。溫度傳感器芯片采用瑞士Scnsirion公司生產(chǎn)的SHT11芯片，該芯片具有集成度高、接口簡(jiǎn)單、精度高、可靠性高的特點(diǎn)。

2.1.3 天線(xiàn)

采用的天線(xiàn)是通過(guò)SMA頭連接的2.4 GHz天線(xiàn)。由于此時(shí)不能忽略微波反射和駐波等因素的影響，所以選擇的傳輸線(xiàn)阻抗要與天線(xiàn)阻抗良好匹配。

2.2 Web服務(wù)器硬件設(shè)計(jì)

由于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置信息要傳給遠(yuǎn)程監(jiān)控的主機(jī)，即要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。所以本系統(tǒng)采用嵌入式Web服務(wù)器接入網(wǎng)的方法。Web服務(wù)器硬件組成如圖4所示。

2.2.1 處理器芯片

Web服務(wù)器芯片采用Samsung公司生產(chǎn)的S3C44B0芯片。S3C44B0X具有低功耗和全靜態(tài)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，特別適用于低成本和功耗敏感的場(chǎng)合。

2.2.2 以太網(wǎng)接口芯片

以太網(wǎng)接口芯片采用Realtek公司生產(chǎn)的RTL8019AS。它是一種全雙工即插即用的以太網(wǎng)控制器，提供了能自動(dòng)檢測(cè)10BASE-T的RJ-45接口。

2.2.3 USB接口芯片

USB接口芯片采用Philips公司生產(chǎn)的ISP1161。ISP1161是專(zhuān)門(mén)為嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)USB HOST而設(shè)計(jì)的。它可以很方便地和RISC指令集處理器或數(shù)字信號(hào)處理器相連接。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 參考節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置是固定的，它不參與定位計(jì)算，其工作流程如圖5所示。

3.2 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過(guò)接收參考節(jié)點(diǎn)的RSSI的來(lái)實(shí)現(xiàn)自身的定位。其工作流程如圖6所示。

3.3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的工作流程則如圖7所示。從圖7可知，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)除了要接收PC對(duì)參考節(jié)點(diǎn)的配置信息外，也要接收節(jié)點(diǎn)的反饋信息。

3.4 Web服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

Web服務(wù)器采用μClinux操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)。μClinux基于Linux內(nèi)核開(kāi)發(fā)，它主要用于無(wú)存儲(chǔ)器管理單元（MMU）微控制器的設(shè)計(jì)中。它具有穩(wěn)定性好和豐富的API等優(yōu)點(diǎn)。

Web服務(wù)器的軟件設(shè)計(jì)流程如圖8所示[4-5]。

3.5 Web服務(wù)器界面設(shè)計(jì)

Web服務(wù)器界面結(jié)構(gòu)如圖9所示。在圖9中，只有“節(jié)點(diǎn)配置”和“定位查詢(xún)”采用動(dòng)態(tài)頁(yè)面實(shí)現(xiàn)，所以它們各自鏈接不同的CGI程序；其余均采用靜態(tài)頁(yè)面實(shí)現(xiàn)。

由于采用的是HTML多框架結(jié)構(gòu)，所以所有的HT?ML文件以及需要鏈接的圖像文件均要放入“/mC?linux-dist/vendors”路徑下的tmpt文件夾內(nèi)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

為模擬井下人員定位，系統(tǒng)的測(cè)試環(huán)境選擇有人員流動(dòng)2 m×10 m的走廊來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。具體的實(shí)驗(yàn)步驟為:

1）把10個(gè)參考節(jié)點(diǎn)放置在走廊的兩邊；

2）通過(guò)PC給參考節(jié)點(diǎn)配置坐標(biāo)位置；

3）將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)放置在參考節(jié)點(diǎn)的區(qū)域內(nèi)；

4）在服務(wù)器界面中查看移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位信息。

在走廊人流量不同的時(shí)刻進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)人流量越少的情況下，定位越精確。這主要是由于人員走動(dòng)及其吵鬧聲對(duì)RSSI造成的影響。表1給出了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在人員流動(dòng)較少情況下的定位情況，從表1可知，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位誤差均在0.5 m范圍內(nèi)。

表1 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)測(cè)量結(jié)果

5 小結(jié)

井下人員定位系統(tǒng)是煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)的重要保障。提出的基于ZigBee的井下人員定位系統(tǒng)能夠?qū)氯藛T實(shí)時(shí)跟蹤和定位，因此系統(tǒng)能夠提高煤礦安全管理和日常生產(chǎn)工作。

[1]王銳華，于全.淺析ZigBee技術(shù)[J].電視技術(shù)，2004，28（6）:33-35.

[2]劉杰，李長(zhǎng)錄.基于ZigBee技術(shù)的礦井人員定位應(yīng)用研究[J].煤礦安全，2008（12）:71-73.

[3]TI.CC2431-system-on-chip for 2.4 GHz ZigBee/IEEE802.15.4 withlocation engine[EB/OL].[2011-05-05].http://focus.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cc2431.pdf.

[4]劉安昱，溫曉輝，劉志紅.基于S3C44B0X的mClinux的移植究[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2003（12）:76-79.

[5]陸永健，王萍，吳佳.嵌入式Web服務(wù)器Boa的移植及其應(yīng)用[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（19）:44-47.