基于ZigBee的井下人員定位系統(tǒng)研究

朱慶豪

摘 要： 為了準(zhǔn)確掌握煤礦井下人員的數(shù)量和位置、遇險(xiǎn)后撤退路線、井下的環(huán)境監(jiān)測(cè)等情況，研究設(shè)計(jì)了井下人員定位系統(tǒng)。系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)，實(shí)現(xiàn)冗余無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)由井下檢測(cè)站、身份識(shí)別卡、集中器和管理主機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下人員位置等信息采集，并通過(guò)集中器傳輸給上位機(jī)，為預(yù)防事故、排查隱患、搶險(xiǎn)救援等提供方便。

關(guān)鍵詞： ZigBee； 定位系統(tǒng)； 身份識(shí)別； 井下人員定位

中圖分類號(hào)： TN926?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）06?0147?03

Underground personnel positioning system based on ZigBee technology

ZHU Qinghao

（Shandong University of Science and Technology， Taian 271021， China）

Abstract： To accurately grasp the number and location of the persons in underground coal mine， retreat route after disaster， environment monitoring in underground coal mine， etc， the underground personnel positioning system was designed. The ZigBee technology is used in this system to realize the data transmission of the redundant Ad Hoc wireless network. The system is composed of underground testing station， identification card， concentrator and management host， which can realize the information collection of the underground personnel position， and then transmit the information to the host computer through concentrator. The system can provide the convenience for accident prevention， hidden danger checking and emergency rescue.

Keywords： ZigBee； positioning system； identity recognition；undergground personnel positioning

0 引 言

近年來(lái)，國(guó)家非常重視煤礦安全生產(chǎn)工作，已頒布多項(xiàng)法規(guī)明確煤礦開采的必備條件，明確要求準(zhǔn)確掌握井下人員的數(shù)量和位置、遇險(xiǎn)后撤退路線、井下的環(huán)境監(jiān)測(cè)等情況。因此，煤礦迫切需要利用相應(yīng)的礦井人員跟蹤定位設(shè)備，全天候?qū)γ旱V入井人員進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)跟蹤和考勤，隨時(shí)掌握每個(gè)員工在井下的位置及活動(dòng)軌跡、全礦井下人員的位置分布情況以及井下人員位置。在此背景下，筆者等人和山東某礦業(yè)集團(tuán)公司共同開發(fā)了基于ZigBee的井下人員定位系統(tǒng)[1]。

本系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)，選用Chipcon公司的無(wú)線收發(fā)模塊CC2430和CC2431，具有功耗低、體積小、成本低等特點(diǎn)；采用冗余無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，適用于復(fù)雜多變的環(huán)境、不方便鋪設(shè)傳輸線纜的礦井[2?3]。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由井下檢測(cè)站、身份識(shí)別卡、集中器和管理主機(jī)組成，檢測(cè)站和身份識(shí)別卡可以看作ZigBee網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)[4?5]。整個(gè)系統(tǒng)中檢測(cè)站是固定的，而身份識(shí)別卡則是移動(dòng)的，身份識(shí)別卡在移動(dòng)過(guò)程中與各檢測(cè)站進(jìn)行組網(wǎng)。系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

其中集中器負(fù)責(zé)把通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為TCP/IP協(xié)議接入以太網(wǎng)，以太網(wǎng)內(nèi)的管理主機(jī)通過(guò)TCP/IP協(xié)議接收數(shù)據(jù)或者將上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)傳送給各檢測(cè)站。

檢測(cè)站負(fù)責(zé)對(duì)識(shí)別卡的信息采集和跟蹤定位，采用無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)和優(yōu)化的路由算法，使檢測(cè)站采集到的識(shí)別卡信息和跟蹤定位數(shù)據(jù)按優(yōu)化的路由路徑傳到鄰近的檢測(cè)站，然后傳到集中器。

身份識(shí)別卡由井下人員攜帶（可安裝在礦燈上），用于存儲(chǔ)人員基本信息，在移動(dòng)過(guò)程中與監(jiān)測(cè)站進(jìn)行自組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)人員定位。

管理主機(jī)通過(guò)軟件處理收到的定位數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示井下人員的位置和其他相關(guān)信息；管理軟件既可查看井下人員定位信息及考勤記錄情況，也可實(shí)時(shí)顯示井下人員的所在位置及活動(dòng)記錄等。

圖1 系統(tǒng)示意圖

2 系統(tǒng)各單元設(shè)計(jì)

2.1 集中器設(shè)計(jì)

集中器的核心模塊選用CC2430，它一方面負(fù)責(zé)接收由上位機(jī)提供的檢測(cè)站和身份識(shí)別卡的配置數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同的方式發(fā)送給相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)（檢測(cè)站或身份識(shí)別卡）；另一方面接收各檢測(cè)站反饋的有效數(shù)據(jù)并傳輸給上位機(jī)。程序中要處理檢測(cè)站和身份識(shí)別卡的配置數(shù)據(jù)[6]，包括操作系統(tǒng)值、各節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址、有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、坐標(biāo)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和坐標(biāo)數(shù)據(jù)等，其程序設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。集中器接收、發(fā)送參考程序如下：

…… //接收參考程序

LOCATION_XY_RSSI_RESPONSE， //RSSI信號(hào)應(yīng)答

LOCATION_BLINDNODE_FIND_RESPONSE，

//身份識(shí)別卡發(fā)現(xiàn)應(yīng)答

LOCATION_BLINDNODE_CONFIG， //身份識(shí)別卡信息配置

LOCATION_REFNODE_CONFIG， //檢測(cè)站信息配置

……

…… //發(fā)送參考程序

LOCATION_XY_RSSI_REQUEST， //RSSI信號(hào)請(qǐng)求

LOCATION_BLINDNODE_FIND_REQUEST，

//發(fā)現(xiàn)身份識(shí)別卡請(qǐng)求

LOCATION_REFNODE_CONFIG， //檢測(cè)站信息配置

LOCATION_BLINDNODE_CONFIG， //身份識(shí)別卡信息配置

LOCATION_REFNODE_REQUEST_CONFIG，

//檢測(cè)站請(qǐng)求配置

LOCATION_BLINDNODE_REQUEST_CONFIG，

//身份識(shí)別卡請(qǐng)求配置

……

圖2 集中器程序設(shè)計(jì)流程圖

2.2 檢測(cè)站設(shè)計(jì)

檢測(cè)站為固定節(jié)點(diǎn)，其坐標(biāo)位置（x，y）是固定的，核心模塊選用CC2431，其中6個(gè)檢測(cè)站為1組確定一個(gè)區(qū)域的定位，可正確地配置在定位區(qū)域中的位置。它可以提供一個(gè)包含自己位置x，y坐標(biāo)和RSSI值的信息包給身份識(shí)別卡。程序設(shè)計(jì)部分處理的數(shù)據(jù)包括四個(gè)部分內(nèi)容，分別是：RSSI請(qǐng)求（發(fā)送收集的RSSI值平均值給身份識(shí)別卡）、檢測(cè)站信息配置（根據(jù)集中器發(fā)送的數(shù)據(jù)配置檢測(cè)站的坐標(biāo)，配置后數(shù)據(jù)將寫入FLASH中）、檢測(cè)站請(qǐng)求配置（發(fā)送檢測(cè)站自身配置信息坐標(biāo)給集中器）、收集RSSI值（多次收集自身和身份識(shí)別卡之間的RSSI值）[7]，其程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

圖3 檢測(cè)站程序設(shè)計(jì)流程圖

2.3 身份識(shí)別卡設(shè)計(jì)

身份識(shí)別卡是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，可在井下任意區(qū)域移動(dòng)，通過(guò)接收定位區(qū)域內(nèi)所有檢測(cè)站的RSSI值后，經(jīng)過(guò)定位算法來(lái)計(jì)算其坐標(biāo)位置。其核心模塊由CC2431芯片實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)0.25 m的定位分辨率，定位時(shí)間小于40 μs。身份識(shí)別卡可以與離自己最近的檢測(cè)站通話，收集這些定位節(jié)點(diǎn)的x，y坐標(biāo)和RSSI值，并根據(jù)這些信息和輸入?yún)?shù)一起計(jì)算自己的位置信息，然后把這些信息反饋給檢測(cè)站。這部分程序設(shè)計(jì)共包含5個(gè)方面的信息：xy_RSSI請(qǐng)求、xy_RSSI應(yīng)答、身份識(shí)別卡發(fā)現(xiàn)請(qǐng)求、身份識(shí)別卡信息配置、身份識(shí)別卡請(qǐng)求配置等，其程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

圖4 身份識(shí)別卡程序設(shè)計(jì)流程圖

2.4 管理主機(jī)界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)管理主機(jī)界面采用模塊化設(shè)計(jì)，編程語(yǔ)言為VC++[8]。其主要用于設(shè)置檢測(cè)站位置信息、接收檢測(cè)站發(fā)送的身份識(shí)別卡信息、模擬井下環(huán)境和動(dòng)態(tài)顯示井下人員信息等。系統(tǒng)的主要功能模塊包括實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)查詢、身份識(shí)別卡管理、活動(dòng)軌跡管理和系統(tǒng)維護(hù)等。系統(tǒng)模塊組成如圖5所示。

圖5 管理主機(jī)界面系統(tǒng)模塊組成

每個(gè)功能模塊的具體功能是：

（1） 實(shí)時(shí)顯示模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理并顯示當(dāng)前井下各巷道人員分布等情況，當(dāng)井下人員進(jìn)入某個(gè)監(jiān)測(cè)站的檢測(cè)范圍并被檢測(cè)到時(shí)，管理主機(jī)界面即在礦井地圖上相應(yīng)的位置將該人員以閃爍紅點(diǎn)的方式在屏幕上顯示出來(lái)，同時(shí)標(biāo)注該人員的ID號(hào)。

（2） 數(shù)據(jù)查詢模塊主要完成通過(guò)各種條件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索并匯總的功能，具體包括：查詢井下人員的動(dòng)態(tài)分布數(shù)量和情況，查詢每一位井下人員當(dāng)前位置或指定時(shí)間所處的位置，查詢某一指定位置的人員情況等。

（3） 身份識(shí)別卡管理模塊包括身份編碼分配、更新、統(tǒng)計(jì)匯總等。

（4） 活動(dòng)軌跡管理模塊主要是記錄井下人員活動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下人員活動(dòng)范圍及軌跡、停留時(shí)間及當(dāng)前所處位置的管理，同時(shí)可生成報(bào)表打印等。

（5） 系統(tǒng)維護(hù)模塊主要是完成對(duì)整個(gè)管理系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作和對(duì)各種與系統(tǒng)相關(guān)的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)的功能，如基本信息維護(hù)，操作人員維護(hù)，巷道各監(jiān)測(cè)站維護(hù)和數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)等。

3 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)利用CC2431的定位引擎功能，在準(zhǔn)確定位的同時(shí)也能及時(shí)掌握井下人員的工作狀況，為預(yù)防事故、排查隱患、搶險(xiǎn)救援等提供了方便，極大地減少了事故發(fā)生率和人員傷亡率[9?10]。但由于井下環(huán)境較差，系統(tǒng)運(yùn)行中還存在一些不足之處，如在抗干擾、信號(hào)傳輸?shù)确矫嫘柽M(jìn)一步完善。

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