基于ZigBee 的井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高 苗

（淮南礦業(yè)集團(tuán)，安徽 淮南 232001）

0 引言

隨著煤炭行業(yè)的快速發(fā)展，礦井開采比重逐年增大，根據(jù)煤炭行業(yè)的發(fā)展要求和礦井環(huán)境的特殊性，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的井下人員定位系統(tǒng)。一方面，可以經(jīng)過地面控制臺(tái)向井下人員發(fā)送信號(hào)，完成人員的調(diào)動(dòng)以及分配，提高工作效率。另一方面，可以在事故發(fā)生時(shí)迅速開展救援工作。這對(duì)加強(qiáng)煤炭行業(yè)的生產(chǎn)安全性，和提高礦井事故發(fā)生時(shí)被困人員的營(yíng)救效率具有十分重要的意義。

1 ZigBee 技術(shù)介紹

ZigBee 協(xié)議是專用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議，能最大可能的節(jié)省網(wǎng)絡(luò)中的能量，可接入大量節(jié)點(diǎn)，具有高容錯(cuò)性，強(qiáng)魯棒性[1]。ZigBee 技術(shù)可自動(dòng)采集和處理各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。并且基于ZigBee 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展能力很強(qiáng)，適合于需要自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并要求網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)念I(lǐng)域。

表1 4 種無線通信的比較

有表1 可知ZigBee 技術(shù)與其他無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相比具有低復(fù)雜度、低功耗、大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)、低成本等特點(diǎn)，是礦井人員定位系統(tǒng)的最佳通信協(xié)議選擇。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于ZigBee 的井下人員定位系統(tǒng)主要由地面控制中心、ZigBee網(wǎng)關(guān)、參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了新的井下到地面的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)。（1）ZigBee 子網(wǎng)先對(duì)井下人員進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和相關(guān)處理，然后把數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婵刂浦行?。?）將井下傳輸來的人員信息進(jìn)行清晰地顯示，并將信息記錄于數(shù)據(jù)庫中以便以后進(jìn)行查詢等操作。（3）地面控制臺(tái)根據(jù)當(dāng)前顯示的信息對(duì)井下人員進(jìn)行管理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 系統(tǒng)功能

（1）考勤管理功能：系統(tǒng)記錄工作人員的入井和出井時(shí)間，對(duì)工作人員進(jìn)行考勤。并且實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下人員的工作布局情況。

（2）人員定位功能：先在井下形成一個(gè)ZigBee 無線通信網(wǎng)絡(luò)，覆蓋定位節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)。參考節(jié)點(diǎn)固定在井下巷道的適當(dāng)位置，定位節(jié)點(diǎn)安裝在井下人員的安全帽上。當(dāng)參考節(jié)點(diǎn)發(fā)出信號(hào)時(shí)，定位節(jié)點(diǎn)立刻啟動(dòng)定位引擎功能。CC243l 的定位引擎首先收集參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)和RSSI 值，計(jì)算出自身坐標(biāo)，然后將坐標(biāo)信息傳給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再通過RS232 有線網(wǎng)傳送給地面控制中心。在地面控制中心的計(jì)算機(jī)上建立一個(gè)專門顯示井下人員位置的界面化軟件，實(shí)時(shí)觀察井下人員的位置和作業(yè)情況。當(dāng)發(fā)生瓦斯爆炸或者部分井礦塌方時(shí)，系統(tǒng)可以精確掌握被困人員位置，實(shí)施有效地救援工作，從而減少人員傷亡。

（3）通訊功能：系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)傳輸井上、井下數(shù)據(jù)的雙向通訊功能。一方面，井上工作人員若發(fā)現(xiàn)井下有特殊狀況時(shí)，其可以向井下人員發(fā)送緊急通知，并指示井下人員按照指定路線撤離。另一方面，當(dāng)井下人員發(fā)生緊急情況時(shí)，井下人員可以向井上控制中心發(fā)出緊急信號(hào)。這樣，可以減少甚至避免人員傷亡。

（4）WEB 瀏覽功能：采用B／S 結(jié)構(gòu)瀏覽模式，以網(wǎng)頁的方式瀏覽信息。B／S 結(jié)構(gòu)具有靈活性高、擴(kuò)展性強(qiáng)，安全性高等優(yōu)點(diǎn)。

（5）實(shí)時(shí)報(bào)告瓦斯?jié)舛?、溫度與濕度、環(huán)境參數(shù)等。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

（1）主機(jī)

在主機(jī)上配備相關(guān)的界面化軟件，可以實(shí)時(shí)觀察井下人員的作業(yè)情況。同時(shí)，便于地面工作人員管理和分配井下工作。

（2）網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)在整個(gè)系統(tǒng)中起到至關(guān)重要的作用。網(wǎng)關(guān)采用的芯片為CC2430。首先將地面控制中心配置給參考節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送給各參考節(jié)點(diǎn)。其次，將各節(jié)點(diǎn)反饋的數(shù)據(jù)傳輸給地面控制中心。

圖2 網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

（3）參考節(jié)點(diǎn)

參考節(jié)點(diǎn)是靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，參考節(jié)點(diǎn)采用的芯片也為CC2430。參考節(jié)點(diǎn)將自身位置坐標(biāo)（x，y）、RSSI 值發(fā)送給定位節(jié)點(diǎn)。另外，參考節(jié)點(diǎn)還采集井下環(huán)境的溫濕度等參數(shù)，并傳送給網(wǎng)關(guān)。

（4）定位節(jié)點(diǎn)

定位節(jié)點(diǎn)可在無線定位網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)任意移動(dòng)。該系統(tǒng)選用CC2431 芯片作為定位節(jié)點(diǎn)，該芯片具有定位引擎的功能。定位節(jié)點(diǎn)能夠收集參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)和RSSI 值，然后通過極大似然估計(jì)法計(jì)算出自身坐標(biāo)值，并將坐標(biāo)信息傳輸給網(wǎng)關(guān)。

采用極大似然估計(jì)法計(jì)算定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。該算法計(jì)算量不大，只需要和、差、乘法。已知參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為(Xi，Yi)（i=1，2…n），到定位節(jié)點(diǎn)的距離為di，令定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為(X，Y)，則：

3 硬件設(shè)計(jì)

CC2430 是Chipcon 公司推出的用來實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee 應(yīng)用的片上系統(tǒng)。它支持2.4GHzIEEE802.15.4／ZigBee 協(xié)議[4]。因?yàn)?28KB 內(nèi)存的CC2430 芯片滿足系統(tǒng)要求，所以選擇其為主芯片。同時(shí)，CC2430只要少量的外接元件，所以硬件設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)便。CC2430 網(wǎng)關(guān)射頻模塊電路如圖3 所示。

圖3 CC2430 通信模塊電路圖

4 井下人員定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

定位節(jié)點(diǎn)首先接收參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)和RSSI 值，然后計(jì)算出自身的坐標(biāo)值，并把坐標(biāo)傳輸給網(wǎng)關(guān)。定位節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖4 所示。

圖4 定位節(jié)點(diǎn)工作流程

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)工作流程如圖5，首先將面控制中心配置給各參考節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，經(jīng)校驗(yàn)準(zhǔn)確后，發(fā)送給各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)。其次，將接收到的各節(jié)點(diǎn)反饋數(shù)據(jù)傳輸給地面控制中心。

圖5 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)工作流程圖

5 定位系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的定位精度，在實(shí)驗(yàn)室走廊進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。在走廊一側(cè)設(shè)置3 個(gè)間隔50m 的CC2430 參考節(jié)點(diǎn)、一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)定位節(jié)點(diǎn)。主機(jī)采用TI 公司的Z-Location Engine 軟件進(jìn)行監(jiān)測(cè)。定位系統(tǒng)演示圖如圖6 所示，黃色圓點(diǎn)為參考節(jié)點(diǎn)，綠色圓點(diǎn)為定位節(jié)點(diǎn)。其中，參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為（60，160）、（110，160）、（160，160），定位節(jié)點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo)為（100，160），由定位系統(tǒng)測(cè)得定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為（98，155），則坐標(biāo)誤差為（2，5）。再將定位節(jié)點(diǎn)放置其他位置，經(jīng)測(cè)得平均坐標(biāo)誤差 為（2.3，4.7）。由此可知，當(dāng)參考節(jié)點(diǎn)間隔為50m 時(shí)，定位精度為5m，滿足井下人員定位系統(tǒng)的定位要求。

6 結(jié)束語

為了加強(qiáng)煤炭行業(yè)的生產(chǎn)安全性以及提高礦井事故發(fā)生時(shí)被困人員的營(yíng)救效率，文章設(shè)計(jì)了一種低成本、體積小、低功耗、通用性強(qiáng)、支持大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基于ZigBee 的井下人員定位系統(tǒng)。ZigBee 協(xié)議還處在發(fā)展時(shí)期，在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)切換上，還存在一定的盲區(qū)，還需進(jìn)一步完善[7]。

圖6 定位系統(tǒng)演示

［1］楊朋偉.基于Zigbee 的低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2009.

［2］陳森，朱浩，金巖華.基于CAN 和Zigbee 技術(shù)的井下定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2009，25(2)：27-28.

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［4］于洋，張東偉，崔建軍.基于ZigBee 技術(shù)的井下人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2009，12（30）：0019-0021.

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［7］宋志月.基于zigbee 礦井下人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].軟件，2011，32（4）：61-63.