基于ZigBee技術的煤礦井下人員定位系統(tǒng)設計

汝彥冬，劉 鑫，孫振翔，張文祥，趙志信，郭繼坤

(1. 黑龍江科技學院 電子與信息工程學院，哈爾濱150027；2. 雙鴨山礦務局東榮二礦，黑龍江 雙鴨山 155923)

基于ZigBee技術的煤礦井下人員定位系統(tǒng)設計

汝彥冬1，劉 鑫1，孫振翔2，張文祥1，趙志信1，郭繼坤1

(1. 黑龍江科技學院 電子與信息工程學院，哈爾濱150027；2. 雙鴨山礦務局東榮二礦，黑龍江 雙鴨山 155923)

分析了煤礦井下人員定位系統(tǒng)的設計要求，設計了以CC2530為主控制器的煤礦井下人員定位系統(tǒng).介紹了該系統(tǒng)的總體組成結構，給出了系統(tǒng)的硬件原理圖，給出了系統(tǒng)軟件運行流程圖，實現(xiàn)了對井下人員定位的功能.詳細介紹了功率放大器電路和不間斷電源部分的設計.

人員定位；ZigBee；功率放大器；不間斷電源

井下人員定位系統(tǒng)是保障煤礦安全生產最重要的一部分，是關系到民生的大事.衡量人員定位系統(tǒng)優(yōu)劣的重要標準是看定位系統(tǒng)能否實現(xiàn)較為準確的定位和網絡的連通性.目前在定位系統(tǒng)在部分煤礦中已經在采用初略的人員定位基本可以保證，但對于關鍵節(jié)點失效的導致的網絡癱瘓問題則還是靠人工來解決，這樣就導致了定位時間容易出現(xiàn)盲點.為此，研究、開發(fā)了一種基于ZigBee技術的煤礦井下人員定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠完成較為精確的人員定位，較好的解決上面提到的問題，同時該系統(tǒng)結構簡單、性能穩(wěn)定，可以作為煤礦井下人員定位系統(tǒng)的參考.

1 系統(tǒng)整體設計

人員定位系統(tǒng)由定位分站、網絡路由節(jié)點、信標節(jié)點和盲節(jié)點組成.系統(tǒng)組成框圖如圖1所示.盲節(jié)點為礦工安裝在頭燈上的定位終端，信標節(jié)點為安裝在固定位置的用來作為位置參考的終端，協(xié)調器器負責組建定位子網絡，組建完成后作為路由器功能，完成信息的收集和傳輸，定位分站負責把路由器收集到的信息傳輸?shù)骄蟍1].協(xié)調器負責組建定位子網絡，盲節(jié)點向周圍發(fā)射電磁信號，電磁信號被多個信標節(jié)點接收，信標節(jié)點通過測量與盲節(jié)點間的距離或者角度來計算盲節(jié)點的位置.定位分站主要負責將各個定位子網絡采集到的定位數(shù)據(jù)，通過轉換，采用有線通信方式，將信號傳輸?shù)骄?

圖1 定位系統(tǒng)組成框圖

2 系統(tǒng)的硬件設計

2.1盲點的硬件設計

盲點終端由井下工作人員隨身攜帶，要求體積小、質量輕，采用電池供電，具有報警功能.盲點組成框圖如圖2所示，該部分由CPU、供電部分、聲光報警模塊和LED指示等電路組成.CPU選擇TI公司的CC2530，該處理器具有8051微處理器內核，具有低功耗、高性能，的優(yōu)點，同時內部集成了ZigBee射頻收發(fā)單元，減少了系統(tǒng)電路中除處理器以外的外圍電路配置，降低了設計成本并減少系統(tǒng)的復雜度.供電部分要求供電電壓為3.3 V，(礦燈電壓3.7 V)采用礦工隨身攜帶的礦燈電池供電[2].LED指示燈通過LED燈的顏色和閃爍頻率告知用戶工作狀態(tài)，聲光報警則是通過聲音和光的形式進行報警，進而得到幫助.傳感器模塊測量現(xiàn)場的瓦斯?jié)舛?，如果超標，則報警告知此處危險.

圖2 盲點的硬件組成框圖

2.2信標節(jié)點和路由器的設計

信標節(jié)點被安裝在井下固定位置，作為盲節(jié)點的坐標參考節(jié)點,路由器負責協(xié)調組網,采集傳輸信息[2].信標節(jié)點組成框圖如圖3所示，該部分由CPU、無線功率放大模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊等部分組成.信標節(jié)點負責網絡的建立和路由功能，需要不間斷供電，電源模塊實現(xiàn)的是把井下供電的交流127 V電壓轉換成3.3 V電壓，同時對信標節(jié)點自帶的電池充電.數(shù)據(jù)存儲模塊存儲進入該節(jié)點網絡的用戶ID，同時記錄定位結果.CC2530的理論發(fā)射功率為4.5 dBm，實際測試發(fā)射功率遠遠達不到，要想完成信標節(jié)點與定位分站和盲節(jié)點的通信，必須增強發(fā)射功率.可以在CC2530 RF前端增加一個CC2591 RF功率放大器，來增強發(fā)射功率.路由節(jié)點的組成框圖和信標節(jié)點組成框圖一致.

圖3 信標節(jié)點組成框圖

2.2.1 電源模塊的設計

為了保障系統(tǒng)的工作持續(xù)性，電源模塊采用不間斷電源供電.正常工作情況下采用有線電源提供電源,井下信號，照明供電采用127 V交流電壓供電，將該電源轉換成直流3.3 V作為CC2530的工作電壓[3].同時對模塊的電池進行充電，當有線電壓出現(xiàn)問題時，轉換到電池供電，保證定位系統(tǒng)正常工作.組成框圖如圖4所示.

圖4 電源部分組成框圖

2.2.2 ZigBee無線功率放大器的設計

為了讓無線信號在井下傳輸達到要求，需要加入ZigBee無線功率放大器用來放大信號.選用TI公司的專用信號放大器CC2591.CC2591能夠極大改善無線信號的覆蓋范圍，與CC2530實現(xiàn)無縫連接，最大輸出功率可達22 dBm，接收靈敏度高，能夠在低電壓下穩(wěn)定工作，并且功耗低，掉電模式下100 nA的靜態(tài)電流[4].無線功率放大器的電路如圖5所示.

圖5 無線功率放大器電路圖

2.2.3 定位分站的設計

定位分站的功能是負責集中路由器采集到的定位信息并轉發(fā)給井上終端.定位分站組成框圖如圖6所示，該部分由CPU、無線功率放大模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)通信模塊組成組成.定位分站需要不間斷供電，電源模塊實現(xiàn)的是把井下供電的交流127 V電壓轉換成3.3 V電壓，同時對定位分站自帶的電池充電.數(shù)據(jù)存儲模塊存儲該定位分站轉發(fā)的定位信息,完成周期性刷新[5].CC2530的理論發(fā)射功率為4.5 dBm，似實際測試發(fā)射功率遠遠達不到，要想完成信標節(jié)點與定位分站和盲節(jié)點的通信，必須增強發(fā)射功率.可以在CC2530 RF前端增加一個CC2591 RF功率放大器，來增強發(fā)射功率.數(shù)據(jù)通信模塊負責將信息通過CAN總線轉發(fā)到井上.

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計包含三部分：盲節(jié)點軟件設計，路由器監(jiān)軟件設計、信標節(jié)點軟件設計和定位分站軟件設計.本文只例舉出其無線定位這部分程序流程圖，其他細節(jié)流程圖參閱資料.

3.1盲節(jié)電軟件設計

盲節(jié)點程序流程圖如圖7所示.盲節(jié)點加電完成系統(tǒng)初始化，盲節(jié)點周期性向周圍發(fā)送定位請求，等待信標節(jié)點的響應.信標節(jié)點如果檢測到有盲節(jié)點進入其覆蓋區(qū)域，與其建立通信關系，向盲節(jié)點發(fā)送返回值.如果盲節(jié)點沒有接收到返回值，則繼續(xù)向周圍發(fā)送定位信息請求.如果盲節(jié)點接收到返回值，則認為已經加入網絡.根據(jù)和信標節(jié)點間的信號強度，3次計算盲節(jié)點到信標節(jié)點的距離.如果三次測量值中的任意兩次(測量值1-測量值2)/max(測量值1，測量值2)<5%，則認為測量沒有錯誤，將含有盲節(jié)點ID和定位數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，完成距離測量.程序流程圖如圖7所示.

3.2信標節(jié)點的軟件設計

信標節(jié)點作為盲節(jié)點的位置參考點，根據(jù)定位指令多次收集RSSI值并濾除某些異值后計算其平均值，然后將計算得到的RSSI平均值和其自身坐標一起建立數(shù)據(jù)包發(fā)送給路由器.信標節(jié)點的工作流程如圖8所示.實現(xiàn)的功能有：轉發(fā)定位網絡中的數(shù)據(jù)信息，具有掉電后保持信息的記憶功能.程序流程圖如圖8所示.

圖7 盲節(jié)點流程圖

圖8 信標節(jié)點程序流程圖

3.3路由器軟件設計

路由器的軟件設計是整個定位系統(tǒng)中的核心部分，負責維護無線定位網絡并采集轉發(fā)定位數(shù)據(jù)包給定位分站，協(xié)調整個ZigBee網絡.程序流程圖如圖9所示.實現(xiàn)的主要功能有：組建無線定位網絡和完成數(shù)據(jù)的收發(fā)；與定位分站通信，轉發(fā)定位分站給網絡中各信標節(jié)點的數(shù)據(jù)配置信息和相應的請求指令功能.路由器的工作流程如圖9所示，一方面它要接收定位分站為各個節(jié)點提供的配置參數(shù)信息并發(fā)送給相關的信標節(jié)點，另一方面對于網絡中各節(jié)點傳送來的數(shù)據(jù)信息，路由器節(jié)點經過分析處理后上傳到定位分站.

圖9 路由器程序流程圖

4 結 語

將ZigBee技術應用在煤礦井下定位系統(tǒng)中可以有效的完成井下人員定位,使定位更為精確,高效, 提高了井下定位的服務質量.采用不間斷連續(xù)電源供電，保證了工作持續(xù)性.將ZigBee無線信號功率放大，保障了無線信號的有效傳輸，使定位的范圍擴大，這種定位系統(tǒng)可以應用到煤礦安全生產和其他需要定位工業(yè)生產現(xiàn)場中，是一種解決定位的參考解決方案.

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[5] 彭 力. 無線傳感器網絡原理與應用[M]. 西安: 西安電子科技大學出版社, 2014. 132-134.

DesignofstafflocalizationsystemforcoalminebasedonZigBeetechnology

RU Yan-dong1,LIU Xin1,SUN Zhen-xiang2,ZHANG Wen-xiang1,ZHAO Zhi-xin1,GUO Ji-kun1

(1.School of Electric and Information, Heilongjiang Institute of Science and Technology, Harbin 150027, China; 2. Shuangyashan Mining Bureau Dong Rong Coal Mine, Shuang Yashan 155923, China)

According to the demand of localization system for coal mine underground, a localization system was designed based on the CPU of CC2530. The system’s component structure, hardware circuit and software design were introduced in this paper. The system realized localization function. The design of power amplifier circuit and uninterruptible power supply were introduced in detail.

staff localization; ZigBee; power amplifier; UPS

2016-12-20.

黑龍江省教育廳科學技術研究項目(12543067)

汝彥冬(1980-)，男，博士，副教授，研究方向：煤礦安全監(jiān)控、無線傳感器網絡.

TP274

：A

1672-0946(2017)04-0469-04