基于ZigBee技術的煤礦井下人員定位系統(tǒng)

汝彥冬

(黑龍江科技大學電子與信息工程學院，哈爾濱150027)

1 基于ZigBee井下人員定位的意義

我國的煤炭生產(chǎn)量和煤炭使用量位居世界第一，煤炭的安全生產(chǎn)一直是相關部門工作的重點，采取切實有效的管理和技術手段來保障井下工作人員的生命安全一直是煤礦生產(chǎn)的重中之重.井下人員定位系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)中優(yōu)先建設的重要系統(tǒng)之一，是井上人員掌握井下人員具體工作狀態(tài)和工作位置的重要手段之一，同時也能提供精準的人員定位數(shù)據(jù)，為礦井災害事前預警和災后人員救援順利進行提供保障.

常見的煤礦井下定位系統(tǒng)主要是基于RFID技術的，該技術定位精度不高，大概10 m左右，實現(xiàn)不了井上人員對井下工作人員的精準定位，漏檢現(xiàn)象時有發(fā)生，定位成功率不高，同時功率消耗較大，難以較長時間持續(xù)工作.GPS、CDMA、GSM等定位技術則受制于信號覆蓋和經(jīng)濟成本，很難應用在煤礦.而ZigBee作為一種能量消耗低、較底的使用成本、大容量網(wǎng)絡、節(jié)點自組織性能優(yōu)越、信號抗干擾能力強的無線通信技術[1]，恰恰決定了它在以人員識別和位置探測為基礎的井下人員定位系統(tǒng)應用中有其獨特的優(yōu)勢.本文采用ZigBee技術實現(xiàn)井下人員定位，無線覆蓋范圍廣，具有自恢復功能，實現(xiàn)了井下人員的3 m高精度定位，ZigBee無線通信技術具有特殊的碰撞避免策略和靈活的隨機算法可以保證不漏檢，可以作為人員定位系統(tǒng)被采用.

2 井下人員定位的硬件實現(xiàn)

圖1 人員定位系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

井下人員定位系統(tǒng)需要完成的任務是:利用井下的人員定位網(wǎng)絡，采集井下工作人員的信號強度，確定人員的位置信息，將人員的位置信息進行編碼計算處理后，通過傳輸基站傳輸給地面的控制中心.控制中心將人員的位置信息和預存的礦井地理信息進行綜合，顯示人員所在礦井的具體位置，人員定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由井上和井下兩部分組成，井下部分由傳輸部分，信息采集部分組成、移動節(jié)點在井下移動，以參考節(jié)點作為參考，和參考節(jié)點進行通信比較，最后確定和參考節(jié)點的相對位置，進而確定自己的位置[2].由參考節(jié)點、移動節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)電三部分共同完成人員定位，傳輸基站負責轉(zhuǎn)發(fā)信息給井下交換機，進而將信息傳輸?shù)骄峡刂浦行?

2.1 參考節(jié)點的設計

本定位系統(tǒng)中，參考節(jié)點是被預先布設在井下的作為位置參考的固定設備，它完成的功能是:周期性地對移動節(jié)電和協(xié)調(diào)器發(fā)送通信信號，接收移動節(jié)電的入網(wǎng)或離網(wǎng)要求，并為其入網(wǎng)或離網(wǎng)提供配置服務，實時檢測移動節(jié)電的無線信號強度，建立無線信號強度參考表作為定位參考，將檢測結(jié)果直接或者通過其它相鄰節(jié)點逐跳發(fā)送給協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器將信息發(fā)送到傳輸基站，最綜傳輸?shù)骄峡刂浦行腫3].

參考節(jié)電采用CC2431作為中心控制器，由于CC2431只要很少的外部元件支持便可以正常工作，這樣就大大簡化了硬件設計[1].參考節(jié)點的硬件原理圖如圖2所示.CC2431具有Motorola的有許可證的定位檢測硬件核心，能夠?qū)崿F(xiàn)0.25 m的定位分辨率和3 m左右的定位精度，定位時間短于40 μs.但CC2431做成的定位系統(tǒng)，需要至少8個參考節(jié)點才能組成無線定位網(wǎng)絡.參考節(jié)電周期性的自檢，如果發(fā)現(xiàn)硬件故障則報警通知工作人員，平時采用有線電源供電，如果有線電源無法供電，則通知協(xié)調(diào)器電源故障，并自動采用備用電池供電.

圖2 參考節(jié)點的硬件設計

2.2 移動節(jié)點的設計

在定位系統(tǒng)中，移動節(jié)點是指井下現(xiàn)場工作人員隨身攜帶的檢測和通信設備，用來完成井下工作人員的位置定位和人員狀態(tài)監(jiān)測，其任務是:實時監(jiān)測工作人員的生命特征，遇到緊急情況聲光報警并發(fā)送急救信號到井上，完成井下工作人員的定位功能.移動節(jié)電實時向參考節(jié)點發(fā)出通信定位請求，或接收參考節(jié)點發(fā)出的通信定位請求;接收參考節(jié)點發(fā)出的通信廣播信號，并向參考節(jié)點返回接收到的信號強度作為定位參考，該信號強度作為定位的依據(jù);同時移動節(jié)電也作為通信中繼路由完成信息的中繼傳輸[4].移動節(jié)點的核心只需使用CC2431即可.移動節(jié)電采用電池供電，保證一次性充電至少可以維持24 h.其硬件原理如圖3所示.

圖3 移動節(jié)點的硬件設計

2.3 協(xié)調(diào)器的設計

在該定位系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器的主要功能是為移動節(jié)電和參考節(jié)電提供路由服務，實時接收參考節(jié)電和移動節(jié)電節(jié)點發(fā)送過來的定位信息，根據(jù)定位信息完成定位算法，定位工作完成后，將定位信息通過RS232接口傳輸?shù)絺鬏敾旧蟍5].其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示.協(xié)調(diào)器節(jié)點采用非平衡天線，通過連接非平衡變壓器 使天線接收和發(fā)射性能更好，CPU采用三星公司的S3C44B0實現(xiàn)，主供電源采用有線供電，附帶高性能能備用電池，保證有線線路出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能夠正常工作.同時利用RS232接口將采集到的信息傳輸給傳輸基站，當通信中斷時，確定該協(xié)調(diào)器故障，通知井上人員維修或更換協(xié)調(diào)器[6].

圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點的硬件設計

3 完成定位功能的各部分程序框圖

完成人員定位主要由移動節(jié)電，參考節(jié)電和協(xié)調(diào)器三部分組成，三個節(jié)電協(xié)同工作，組建能實現(xiàn)ZigBee定位的無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)對井下工作人員的無線定位，并且完成定位信息的無線傳輸.

3.1 移動節(jié)點的程序框圖

本定位系統(tǒng)中，移動節(jié)點是實現(xiàn)人員定位的重要組成部分之一，是被定位的目標，它主要完成如下一些功能:自動實現(xiàn)移動節(jié)電的入網(wǎng)和離網(wǎng)功能，并且保證移動過程中不斷網(wǎng)，實時采集佩帶人員生命特征信息，遇到緊急情況報警并發(fā)信息向井上人員求救，向參考節(jié)點發(fā)送定位請求;周期發(fā)送穩(wěn)定的無線信號供參考節(jié)電接收使用，完成部分路由的功能;可以作為信息中轉(zhuǎn)站將信息轉(zhuǎn)發(fā)，同時預留功能擴展接口，可以根據(jù)現(xiàn)場需要搭載瓦斯傳感器、溫度傳感器等井下常見的測量設備，實現(xiàn)部分監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境功能.見圖5.

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點

協(xié)調(diào)器節(jié)點是 ZigBee網(wǎng)絡的核心節(jié)點，負責整個ZigBee網(wǎng)絡的建立和核心定位算法的實現(xiàn)，完成定位信息與傳輸基站的通信，管理和優(yōu)化Zig-Bee網(wǎng)絡性能，對采集到的數(shù)據(jù)進行驗證加工;傳達上位機的數(shù)據(jù)配置命令，配置參考節(jié)點和移動節(jié)電，作為ZigBee網(wǎng)絡的核心路由完成路由功能.程序流程圖如圖6所示

圖6 協(xié)調(diào)節(jié)電程序流程圖

3.3 參考節(jié)電的程序設計

參考節(jié)電實現(xiàn)與移動節(jié)電的實時通信，參考節(jié)電分為常用節(jié)電和備用節(jié)電.常用節(jié)電用來實現(xiàn)與移動節(jié)電的通信，根據(jù)接收信號的強度，分析參考節(jié)電與移動節(jié)電的距離進而實現(xiàn)定位功能[7].常用節(jié)電周期性的與協(xié)調(diào)器進行通信，確認自己正常的工作狀態(tài)，傳輸與移動節(jié)電通信測試的信號結(jié)果，備用節(jié)電周期性的與協(xié)調(diào)器進行通信，如果常用節(jié)電異常，則協(xié)調(diào)器喚醒備用節(jié)電代替常用節(jié)電，實現(xiàn)對移動節(jié)電的定位功能[1].

4 定位算法和參考節(jié)電部署

4.1 定位算法

本設計的定位算法采用熱點簇中心定位算法，利用固定陣列分布的參考節(jié)點監(jiān)測移動節(jié)點發(fā)出信號的接收的信號強度指示值，將測量值返回到參考節(jié)點.建立參考節(jié)點數(shù)值查詢庫，用于儲存其信號覆蓋范圍內(nèi)所有與移動節(jié)電通信的信號接收的信號強度指示值，當建立完成參考節(jié)點查詢庫后，利用這個該查詢庫產(chǎn)生參考節(jié)電通信信號的接收的信號強度指示值分布圖.當移動節(jié)點需要定位時，由定位區(qū)域中的多個參考節(jié)電之間互相通信，就可以生成定位區(qū)域中有信號的移動節(jié)電的接收的信號強度指示值分布圖，并由此利用本算法進行定位計算[8]，算法如圖7所示.

圖7 定位算法

4.2 節(jié)電部署原則

由于系統(tǒng)是采用參考節(jié)電進行定位，定位算法要求至少有8個參考節(jié)點參與定位，參考節(jié)點覆蓋井下區(qū)域時必須保證區(qū)域內(nèi)所有移動節(jié)電至少被8個以上的參考節(jié)電信號覆蓋;由于本系統(tǒng)的參考節(jié)點都是固定在某些位置的，一旦某一重要位置的節(jié)點失效或損壞，不可能通過改變網(wǎng)絡組織結(jié)構(gòu)的方式去彌補.所以為了保障定位的順利進行，除了定位系統(tǒng)中所必須的參考節(jié)點外，還必須引入一定數(shù)量的參考冗余節(jié)點.它們的分布依據(jù)節(jié)點能量損耗的的特點，按照距 ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器的距離由近到遠，由密到疏布署;在 熱點簇中心定位算法中，定位的依據(jù)為參考節(jié)電的位置，但是礦井下的環(huán)境多變，尤其是一旦出現(xiàn)事故，很可能造成地形的完全改變，給救助救援提供障礙，這樣原有的參考節(jié)點數(shù)據(jù)就不能作為定位依據(jù)了.為防止這種情況出現(xiàn)，應在定位部署完成后留下一部分的固定參考節(jié)點，在平時一直保持睡眠狀態(tài)，只在出現(xiàn)緊急情況時被喚醒，不僅可以用來重新建立參考節(jié)點數(shù)據(jù)庫，還可以幫助分擔緊急事態(tài)時的通信壓力.

5 結(jié)語

本文通過對煤礦井下人員定位系統(tǒng)進行研究，設計出能滿足井下人員定位需求的人員定位系統(tǒng)，給出了定位系統(tǒng)重要三個部分的整體框圖，并且闡述了每部分的程序流程圖，最后對本項目采用的定位算法進行研究，并給出了算法的運算過程，同時針對本系統(tǒng)的工作流程，說明了井下定位系統(tǒng)的部署原則，可以作為煤礦井下定位的參考.

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