基于ZigBee的戶外作業(yè)監(jiān)控及安全管理系統(tǒng)

王 茜

（電子科技大學(xué)成都學(xué)院 微電子技術(shù)系，四川 成都 611731）

隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)工程規(guī)模的擴(kuò)大，戶外作業(yè)的安全問題愈加凸顯。戶外施工現(xiàn)場覆蓋范圍廣、施工人員多且流動性強(qiáng)，需要進(jìn)行更加科學(xué)、高效、安全的監(jiān)管。為了更好地監(jiān)督戶外生產(chǎn)作業(yè)狀況，尤其是生產(chǎn)進(jìn)度和生產(chǎn)過程中的安全風(fēng)險，對施工現(xiàn)場和施工人員的信息有一個全面、及時、準(zhǔn)確的掌握，建立一套工程人員安全管理系統(tǒng)十分必要。

基于ZigBee的戶外作業(yè)監(jiān)控及安全管理系統(tǒng)結(jié)合了3G網(wǎng)絡(luò)，是集工程施工人員動態(tài)記錄與出入管理、區(qū)域定位、緊急事件告警、輔助管理等功能于一體的施工現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，可以使工程管理部門及時了解施工進(jìn)展情況，掌握施工現(xiàn)場人員的基本信息和施工人員實(shí)時活動狀況，并對施工現(xiàn)場的人員分布進(jìn)行統(tǒng)計，為相關(guān)部門合理安排施工力量、及時對處于危險環(huán)境的人員實(shí)施救援提供輔助決策信息，提高工作效率。

與基于GPS和GSM無線通信技術(shù)的戶外作業(yè)人員定位考勤和監(jiān)管系統(tǒng)相比，基于ZigBee技術(shù)的定位系統(tǒng)具有低功耗、高精度、低成本、體積小、響應(yīng)快、工作安全穩(wěn)定等優(yōu)勢［1-2］。

1 ZigBee系統(tǒng)的整體架構(gòu)

戶外作業(yè)監(jiān)控及安全管理系統(tǒng)由終端設(shè)備系統(tǒng)、中轉(zhuǎn)站系統(tǒng)和管理部門的監(jiān)控系統(tǒng)組成［3］。終端設(shè)備與中轉(zhuǎn)站之間通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接，中轉(zhuǎn)站是ZigBee的協(xié)調(diào)器部分，即子網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)［4］；中轉(zhuǎn)站與管理部門的監(jiān)控中心系統(tǒng)則是通過3G網(wǎng)絡(luò)連接，由此即可實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)絡(luò)的無限擴(kuò)展，使整個系統(tǒng)的人員情況都可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時訪問和歷史訪問。在終端設(shè)備與中轉(zhuǎn)站之間形成的局域網(wǎng)內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)對持有終端的人員定位和接收報警信息，同時將數(shù)據(jù)實(shí)時傳送到監(jiān)控系統(tǒng)上。監(jiān)控系統(tǒng)將人員位置顯示在電子地圖上，從而實(shí)現(xiàn)對人員的定位、考勤、安全監(jiān)控處理。依據(jù)人員的歷史位置信息及位置變化曲線了解人員活動及整個工程的進(jìn)展，相關(guān)部門可以合理進(jìn)行工作分配和人員調(diào)度。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

戶外作業(yè)監(jiān)控及安全管理系統(tǒng)包括終端設(shè)備、中轉(zhuǎn)站、監(jiān)控中心等3個子系統(tǒng)。

2.1 終端設(shè)備系統(tǒng)

終端設(shè)備是局域網(wǎng)內(nèi)的盲節(jié)點(diǎn)設(shè)備，每個盲節(jié)點(diǎn)設(shè)備都有3項(xiàng)功能：（1）觸發(fā)報警功能，一旦出現(xiàn)危險狀況就可以手動向監(jiān)控中心發(fā)出報警；（2）警示功能，如電池缺電、設(shè)備故障等警示，監(jiān)控中心向節(jié)點(diǎn)發(fā)出的警告；（3）數(shù)據(jù)收發(fā)和處理的功能。為了能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時定位人員位置，要求每一名工人佩戴一個節(jié)點(diǎn)［5］。該設(shè)備的硬件主要由鋰電池、ZigBee模塊構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 終端設(shè)備硬件框圖

ZigBee無線收發(fā)芯片采用TI公司的CC2530。該款芯片工作頻率為2.4GHz，是集微處理器模塊和無線收發(fā)模塊于一體的單芯片SOC，具有低成本、高性能和低功耗的特點(diǎn)，專門用于IEEE 802.15.4對等網(wǎng)絡(luò)、星型網(wǎng)絡(luò)或ZigBee PRO網(wǎng)狀網(wǎng)應(yīng)用，是目前眾多ZigBee設(shè)備產(chǎn)品中表現(xiàn)最為出眾的微處理器之一［6］。CC2530有16個信道可供選擇，完美支持z-stack 2007Pro協(xié)議棧，具有多種模式選擇，并且功耗低、體積小、外設(shè)接口豐富。

由于CC2530芯片內(nèi)集成了許多特色功能模塊，而終端設(shè)備系統(tǒng)為獨(dú)立的RF系統(tǒng)，因此，其典型的外圍電路也就非常簡潔，由該芯片所設(shè)計的硬件電路簡單、輕巧、攜帶方便，非常符合設(shè)計需求。其中，主時鐘晶振采用32MHz無源晶振，輔助時鐘采用32.768 kHz的時鐘晶振；無線RF模塊外圍電路采用巴倫阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，天線可以通過0Ω電阻來選擇使用板載PCB天線或者50Ω鞭狀天線［7］。

由于戶外作業(yè)監(jiān)控及安全管理系統(tǒng)的天線都屬于單極天線，而CC2530采用的是差分的RF端口，因此，采用巴倫電路（即平衡／非平衡轉(zhuǎn)換器）來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。巴倫電路的參數(shù)直接影響著RF系統(tǒng)天線的性能，本系統(tǒng)的巴倫電路參數(shù)是在參考官方數(shù)據(jù)［8］的前提下，根據(jù)實(shí)際效果進(jìn)行了調(diào)節(jié)而獲得的。

在無線RF系統(tǒng)中，良好的電源性能有助于RF系統(tǒng)性能的提升，電源的性能不僅關(guān)系著系統(tǒng)的穩(wěn)定性，更重要的是對RF的發(fā)射距離及接收靈敏度都有著非常大的影響［9］。特別是本系統(tǒng)中還集成了12位ADC，基準(zhǔn)源選擇采用內(nèi)部參考電壓，因此電源性能還直接影響著ADC的精度。本系統(tǒng)在電源的輸入處采用高阻抗磁珠和大電容對進(jìn)行耦合濾波，在芯片的所有供電引腳旁都設(shè)計有射頻段的耦合電容，以降低整個系統(tǒng)的供電阻抗。電源及電池監(jiān)測電路如圖3所示。

圖3 電源及電池監(jiān)測電路

2.2 中轉(zhuǎn)站系統(tǒng)

中轉(zhuǎn)站系統(tǒng)是移動節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控中心的中繼器及網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器，主要由ZigBee模塊和3G模塊組成。這里的ZigBee模塊永遠(yuǎn)是協(xié)調(diào)器，每個協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)一個子網(wǎng)絡(luò)，一個子網(wǎng)絡(luò)由終端設(shè)備和協(xié)調(diào)器組成（最多255個節(jié)點(diǎn)），選擇樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［10］。該系統(tǒng)設(shè)備為非便攜式設(shè)備，其硬件系統(tǒng)由ZigBee模塊、3G模塊、電源模塊構(gòu)成，硬件框架如圖4所示。

2.3 監(jiān)控中心系統(tǒng)

圖4 中轉(zhuǎn)站硬件框圖

監(jiān)控中心系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的管理和監(jiān)控中心，由PC平臺及相關(guān)軟件構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)從網(wǎng)絡(luò)獲取現(xiàn)場人員的位置及其他數(shù)據(jù)，并利用平臺軟件處理成每個點(diǎn)在電子地圖上的分布形式，實(shí)時記錄每個點(diǎn)的運(yùn)動軌跡和顯示狀態(tài)。

3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

3.1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)成

在戶外作業(yè)監(jiān)控及安全管理系統(tǒng)中，由互聯(lián)網(wǎng)與無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)里，由參考節(jié)點(diǎn)（即已知位置的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)）和盲節(jié)點(diǎn)（即待定位置的移動節(jié)點(diǎn)）組成，每個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有10個參考節(jié)點(diǎn)（一個協(xié)調(diào)器和9個路由器節(jié)點(diǎn)）、多個盲節(jié)點(diǎn)、某個固定路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器形成樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。為了防止數(shù)據(jù)通信閉塞、增大網(wǎng)絡(luò)容量、擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，系統(tǒng)選擇樹形網(wǎng)絡(luò)的最大網(wǎng)絡(luò)深度為2，并在不同的子網(wǎng)絡(luò)間采用分信道工作機(jī)制［11］。由于采用樹形網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)設(shè)備都是FFD設(shè)備，這樣可以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可靠性。

3.2 參考節(jié)點(diǎn)和盲節(jié)點(diǎn)

參考節(jié)點(diǎn)融合該節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)和下級節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給中轉(zhuǎn)站系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)器，再由中轉(zhuǎn)站通過3G模塊向監(jiān)控中心轉(zhuǎn)發(fā)全部子網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)中的安全帽節(jié)點(diǎn)即為盲節(jié)點(diǎn)。它們負(fù)責(zé)自己的信號強(qiáng)弱及其他數(shù)據(jù)采集并向上級傳輸數(shù)據(jù)。盲節(jié)點(diǎn)至少能接收到3個參考節(jié)點(diǎn)的廣播信息，根據(jù)接收到的固定節(jié)點(diǎn)的能量強(qiáng)弱，選擇能量最強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)并從屬之。

3.3 人員定位的實(shí)現(xiàn)

在目前成熟的定位算法中，根據(jù)是否需要測量節(jié)點(diǎn)間的距離可分為自我定位和基于網(wǎng)絡(luò)的定位。自我定位是指被定位節(jié)點(diǎn)通過測量自己相對于某個已知位置發(fā)送器的距離和方向來確定自己的位置；而基于網(wǎng)絡(luò)的定位則需要事先已知網(wǎng)絡(luò)中參考節(jié)點(diǎn)的位置，然后再利用一系列的測量方法和算法來計算自己在網(wǎng)絡(luò)中的位置。其中，基于接收信號強(qiáng)度指示（received signal strength indicator，RSSI）的測距算法提供了一種廉價的定位方法。

RSSI是指節(jié)點(diǎn)接收到的無線信號強(qiáng)度大小。在基于RSSI的定位中，已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號強(qiáng)度，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到信號的強(qiáng)度計算出信號的傳播損耗，利用理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為距離，再利用已有的算法計算出節(jié)點(diǎn)的位置。該技術(shù)對硬件要求較低、算法相對簡單，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中能表現(xiàn)出良好特性，但由于環(huán)境因素變化的原因，在實(shí)際應(yīng)用中往往還需要改進(jìn)。

接收信號強(qiáng)度RSSI是發(fā)射功率以及發(fā)射器與接收器間距離的函數(shù)［12］，它的理論值可表示為

其中，n代表信號傳播常量（也稱為傳播指數(shù)）；d代表距發(fā)射器間的距離；A代表距離1m時的接收信號強(qiáng)度。

信號的衰減與距離成對數(shù)衰減的關(guān)系。節(jié)點(diǎn)到信號源的距離越近，由RSSI值的偏差產(chǎn)生的絕對距離誤差越??；而當(dāng)距離大于某一值時，由RSSI波動造成的絕對距離誤差將會很大。一個未知節(jié)點(diǎn)可能收到n個參考節(jié)點(diǎn)的信號，所以應(yīng)當(dāng)采用RSSI值大的前幾個參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位計算，這樣可以避免產(chǎn)生較大定位誤差。最后根據(jù)三邊定位算法［13］，計算出現(xiàn)場人員的二維信息。

4 安全管理

監(jiān)控中心利用收集到的每個盲節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，處理成該節(jié)點(diǎn)在電子地圖上的位置和安全狀態(tài)，而電子地圖就是標(biāo)有參考節(jié)點(diǎn)位置的施工現(xiàn)場平面圖。根據(jù)監(jiān)控到的每個盲節(jié)點(diǎn)位置變化的信息和狀態(tài)，就可以對每個現(xiàn)場人員進(jìn)行考勤、出入管理和安全監(jiān)控，一旦出現(xiàn)危險狀況就可以快速地進(jìn)行有針對性的施救。當(dāng)工人出現(xiàn)在不合理的地方時，監(jiān)控中心也可以向該節(jié)點(diǎn)發(fā)出警告。根據(jù)所有節(jié)點(diǎn)位置移動的曲線還可以了解整個工程的施工進(jìn)度，并分析各部分的人員結(jié)構(gòu)的合理性，進(jìn)而有助于更合理地安排工程計劃。

5 結(jié)束語

無線傳感是當(dāng)前信息領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。本戶外作業(yè)監(jiān)控及安全管理系統(tǒng)采用3G模塊結(jié)合先進(jìn)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、低功耗、快響應(yīng)、低成本、簡潔方便的實(shí)時戶外作業(yè)的監(jiān)控與管理，滿足許多戶外作業(yè)安全監(jiān)測與管理需求，提高作業(yè)部門的管理和調(diào)度效率，并增強(qiáng)安全管理水平。

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