基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)礦井下人員定位的硬件系統(tǒng)設(shè)計

張艷紅

摘 要：該文研究了Zigbee網(wǎng)絡(luò)礦井人員定位硬件系統(tǒng)組網(wǎng)思路與設(shè)計。井下硬件擬用參考節(jié)點CC2430芯片，定位節(jié)點CC2431芯片，礦井人員定位通過無線強度信號衰減（RSSI）方式實現(xiàn)。井上硬件采用服務(wù)器，結(jié)合使用以太網(wǎng)Ethernet有線網(wǎng)絡(luò)和ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進行相關(guān)數(shù)據(jù)處理。

關(guān)鍵詞：Zigbee技術(shù) CC2430/CC2431 RSSI

中圖分類號：TD76 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（c）-0018-01

近年來，礦井重大、特大事故時有發(fā)生，事發(fā)后制定救援方案，對井下遇險人員的準確定位是十分重要的。針對礦井下復(fù)雜的工作環(huán)境，基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的井下人員無線定位系統(tǒng)具有十分重要的意義。Zigbee網(wǎng)絡(luò)整個系統(tǒng)是由地面有線網(wǎng)絡(luò)和井下全覆蓋的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)共同組成。井下巷道內(nèi)布置有若干個無線信標，無線定位傳感器被植入到礦井人員的礦帽內(nèi)，無線信標通過對無線傳感器實時信號的搜集和發(fā)射，且對礦井人員實時準確的定位，再由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)的信息實時的傳送至地面的計算機，地面計算機可直接收數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行存儲、計算和分析，這樣就可對井下人員進行實時的監(jiān)測。該文就Zigbee網(wǎng)絡(luò)對礦井人員定位的硬件系統(tǒng)進行研究，該系統(tǒng)主要由井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和地面監(jiān)控計算機兩大部分構(gòu)成。

1 井下硬件結(jié)構(gòu)

井下硬件結(jié)構(gòu)采用的是Zigbee網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)，它分別由移動定位終端、基準定位器、定位分站和礦用光纖等四部分組成。

移動定位終端由zigBee網(wǎng)絡(luò)中數(shù)量龐大的RFD構(gòu)成。移動定位終端定時發(fā)送數(shù)據(jù)包給無線網(wǎng)絡(luò)，并將查詢的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心。

基準定位器使用普通或功率增強型Zigbee模塊，定位基準器相當于Zigbee網(wǎng)絡(luò)中路由器，為全功能設(shè)備（FFD），和井下人員攜帶的移動定位終端進行聯(lián)絡(luò)，且根據(jù)提供信息的數(shù)據(jù)，再由RSSI計算出移動定位終端數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送給定位分站。

定位分站作為一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，其總節(jié)點是由網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸構(gòu)成，也是有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)的接口，且負責Zigbee網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建、維護及管理。

光纖傳輸子系統(tǒng)采用光纖以太網(wǎng)。光纖傳輸具有頻率特性好、頻帶寬、衰減小、抗電磁干擾能力強等特點，無需中繼補償，信號傳輸?shù)目煽啃院唾|(zhì)量都得到了提高。

2 井下硬件設(shè)計

2.1 Zigbee的選擇

該定位跟蹤系統(tǒng)是基于網(wǎng)絡(luò)平臺構(gòu)建起來的，移動節(jié)點定位通過CC2431內(nèi)部集成的硬件定位引擎而實現(xiàn)，該芯片具有低功耗、抗干擾能力強等特點，適應(yīng)于井下短距離的無線網(wǎng)絡(luò)。為了能降低成本，其中網(wǎng)關(guān)及參考節(jié)點的主控芯片選用CC2430，移動節(jié)點選用CC2431，兩款芯片的主要的差別就是CC2431有跟蹤定位引擎，而CC2430沒有跟蹤定位引擎。

2.2 CC2430/CC2431定位引擎設(shè)計

定位引擎基于RSSI技術(shù)，且它由定位節(jié)點、路由節(jié)點和接入節(jié)點等組成。如圖1所示，分別對B1、B2和B3的定位節(jié)點路由路徑加以說明；其中路由節(jié)點、接入節(jié)點和定位節(jié)點分別由A、甲、乙、B代表。從圖中不難看出B1處于A2和A3兩個節(jié)點的檢測的范圍內(nèi)，因為B1被障礙物阻擋，只能與A2聯(lián)絡(luò)，而不能與A3聯(lián)絡(luò)，從圖1中可看出其路由路徑為：

B1--A2--A1--甲--以太網(wǎng)

B3同時處于A3和A4兩個節(jié)點的檢測范圍之內(nèi)，因為B3被障礙物阻擋，只能與A4正常聯(lián)絡(luò)，而不能與A3聯(lián)絡(luò)，因此可看出其路由路徑為：

B3--A4--A5--乙--以太網(wǎng)

B2同時處于A3和A4兩個節(jié)點的檢測范圍之內(nèi)，由于B2沒有被任何障礙物所阻擋，因此它能同時和A3、A4同時聯(lián)絡(luò)，路由路徑為：

B2--A4--A5--乙--以太網(wǎng)

B2--A3--A2--A1--甲--以太網(wǎng)

由此可得，CC2431硬件定位引擎不需占用處理器的時間，只需寫入?yún)⒖脊?jié)點坐標和測量參數(shù)，就能快速度、高精度處理數(shù)據(jù)，并計算出移動節(jié)點坐標參數(shù)，實現(xiàn)定位追蹤。

3 井上硬件結(jié)構(gòu)與設(shè)計

井口建立井端服務(wù)器，匯接井下采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，地面監(jiān)控計算機負責數(shù)據(jù)的分析、處理、匯總和統(tǒng)計，并接入Internet網(wǎng)，結(jié)合使用以Ethernet（IEEE802.3）有線網(wǎng)絡(luò)和Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)，通過以太網(wǎng)關(guān)將無線信息傳送轉(zhuǎn)變?yōu)橛芯€信息的傳送。

4 結(jié)語

該文提出了一種基于Zigbee技術(shù)的井下人員無線定位系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的設(shè)計，為礦井事故搶救人員安全和財產(chǎn)安全爭取寶貴有限的時間，很大程度上提高了礦井下救援的效率。

參考文獻

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