基于ZigBee的井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫赟

摘 要 煤礦產(chǎn)業(yè)是我國(guó)一個(gè)十分重要的產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展具有一定的特殊性，同時(shí)，井下作業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜，對(duì)于安全性要求較高。煤礦井下人員定位是一項(xiàng)重要工作，能夠?qū)崿F(xiàn)井下人員準(zhǔn)確定位，在發(fā)生礦井事故后能夠及時(shí)救援。但現(xiàn)有的井下人員定位網(wǎng)絡(luò)存在組網(wǎng)能力差、功能單一等缺陷，無(wú)法對(duì)多個(gè)移動(dòng)目標(biāo)實(shí)行同時(shí)定位。對(duì)此，運(yùn)用ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)新的井下人員定位系統(tǒng)，更好地對(duì)井下人員進(jìn)行身份識(shí)別和實(shí)時(shí)定位，對(duì)于井下人員考勤、煤礦事故救援等工作都有著重要意義。

關(guān)鍵詞 ZigBee；井下人員；定位系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2017）197-0092-02

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)于煤礦資源的需求量不斷增加，因而礦井開采比重也隨之增長(zhǎng)。在煤礦開采中，由于礦井環(huán)境較為特殊，危險(xiǎn)性較高，因而需采取有效措施，為井下人員提供妥善的監(jiān)測(cè)和保護(hù)，盡量避免發(fā)生人員

傷亡。

根據(jù)相關(guān)研究表明，在每年的礦井事故中，由于沒有得到及時(shí)救援而死亡的井下人員占比約為25%，主要原因是無(wú)法準(zhǔn)確定位井下人員位置，因而難以快速施救。

對(duì)此，基于ZigBee的地下人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)地下人員更精確的定位，對(duì)于確保井下人員安全有著重要意義。

1 ZigBee技術(shù)概述

Zigbee技術(shù)是一種雙向無(wú)線通信技術(shù)，具有低成本、低速率、低功耗、第復(fù)雜度、近距離等特點(diǎn)，在傳輸速率要求不高、功耗低、距離短的情況下，可實(shí)現(xiàn)不同電子設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，以及低反應(yīng)時(shí)間、間歇性、周期性數(shù)據(jù)傳輸。Zigbee技術(shù)屬于無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，具有較高的可靠性，與傳統(tǒng)GSM、CDMA網(wǎng)絡(luò)相似。ZigBee數(shù)據(jù)模塊，和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站相類似。在ZigBee當(dāng)中，由上萬(wàn)個(gè)無(wú)線數(shù)傳模塊構(gòu)成，在網(wǎng)絡(luò)范圍中，各個(gè)數(shù)傳模塊都可相互通信。不同于傳統(tǒng)GSM、CDMA網(wǎng)絡(luò)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的目的是滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸要求，因而具有價(jià)格低、可靠性高、方便簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。ZigBee不但能夠直接監(jiān)控和采集數(shù)據(jù)，還能夠?qū)ζ渌W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)

中轉(zhuǎn)。

因此，在煤礦井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，運(yùn)用ZigBee技術(shù)，能夠達(dá)到理想的效果。

2 定位系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在基于ZigBee的井下人員定位系統(tǒng)中，主要包括了網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、參考節(jié)點(diǎn)、Web服務(wù)器等部分。

其中，參考節(jié)點(diǎn)是坐標(biāo)位置已知的節(jié)點(diǎn)。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)則是位置坐標(biāo)不確定的節(jié)點(diǎn)，參考節(jié)點(diǎn)需要確定引用節(jié)點(diǎn)的位置信息，并接收移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置信息，然后將其傳輸?shù)絎eb服務(wù)器。

Web服務(wù)器利用互聯(lián)網(wǎng)，計(jì)算機(jī)傳輸信息。系統(tǒng)主要具有考勤管理、人員定位、通信、Web瀏覽、實(shí)時(shí)報(bào)告等功能。可對(duì)工作人員進(jìn)出井時(shí)間加以記錄，并對(duì)井下人員工作布局加以監(jiān)測(cè)。在井下建立ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，覆蓋參考節(jié)點(diǎn)、定位節(jié)點(diǎn)。

在地面控制中心計(jì)算機(jī)，建立井下人員位置顯示界面軟件，觀察井下人員操作，位置情況。如發(fā)生井下事故，能夠準(zhǔn)確定位人員位置，從而及時(shí)救援。

系統(tǒng)支持井上井下實(shí)時(shí)雙向數(shù)據(jù)通信，可在緊急情況下取得聯(lián)系。Web瀏覽運(yùn)用了B/S結(jié)構(gòu)模式，可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)的形式瀏覽信息。此外，能夠?qū)Νh(huán)境參數(shù)、溫度、濕度、瓦斯?jié)舛鹊冗M(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)告。

3 定位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中，主要包括了外圍電路、無(wú)線通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、傳感器模塊等部分。

其中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)需要連接到Web服務(wù)器，因此，與添加串口模塊相比，網(wǎng)絡(luò)連接結(jié)構(gòu)和參考節(jié)點(diǎn)都需要連接。節(jié)點(diǎn)處理器芯片，使用CC2430芯片，基于ZigBee/IEEE802.15.4內(nèi)存的單片機(jī)，RF，微控制器到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。在芯片中，使用CC2431芯片，其結(jié)構(gòu)與CC2430相比，增加了1個(gè)定位引擎，利用RSSI與參考節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)三遍測(cè)量法，對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。硬件中的溫度傳感器利用了SHT11芯片，具有可靠性高、精度高、接口簡(jiǎn)單、集成度高等優(yōu)勢(shì)。

天線采用SMA頭連接2.4ghz天線，需要考慮駐波、微波反射等因素，因此可以使用與天線阻抗匹配的傳

輸線。

3.2 Web服務(wù)器硬件設(shè)計(jì)

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)需要將位置信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)，因此應(yīng)該實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

基于此，系統(tǒng)使用嵌入式Web服務(wù)器訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)。Web服務(wù)器芯片使用了S3C44B0X芯片，其優(yōu)勢(shì)在于全靜態(tài)設(shè)計(jì)、低功耗，能夠?qū)拿舾?、成本較低的情況更好的適應(yīng)。以太網(wǎng)接口芯片使用了RTL8019AS芯片，這一以太網(wǎng)控制器能夠支持全雙工即插即用，同時(shí)具有RJ-45接口，可實(shí)現(xiàn)對(duì)10BASE-T的自動(dòng)檢測(cè)。

USB接口芯片使用了ISP1161芯片，該芯片主要是為嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)USB HOST所設(shè)計(jì)的，能夠方便的連接數(shù)字信號(hào)處理器，RISC指令集處

理器。

4 定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)主要包括參考節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)等。參考節(jié)點(diǎn)具有固定的位置坐標(biāo)，在定位計(jì)算中，并不發(fā)揮作用。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以接收參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送的RSSI，實(shí)現(xiàn)其本地化。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)不但要對(duì)PC發(fā)出的參考節(jié)點(diǎn)配置信息進(jìn)行接收，還需要接收節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)的反饋信息。

4.2 Web服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

在Web服務(wù)器的設(shè)計(jì)中，使用了uClinux操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以Linux內(nèi)核為基礎(chǔ)開發(fā)的，能夠在無(wú)存儲(chǔ)器管理單元微控制器設(shè)計(jì)中發(fā)揮良好的作用，具有API豐富、穩(wěn)定性良好等優(yōu)勢(shì)。

在Web服務(wù)器的軟件設(shè)計(jì)中，首先對(duì)u-boot進(jìn)行移植，然后構(gòu)建交叉編譯環(huán)境，移植uClinux操作系統(tǒng)和Boa服務(wù)器，最后編寫相應(yīng)的應(yīng)用程序。在Web服務(wù)器界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)于定位查詢，節(jié)點(diǎn)是使用動(dòng)態(tài)頁(yè)面配置的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都實(shí)現(xiàn)與不同CGI程序的鏈接，而頁(yè)面的其余部分則是使用靜態(tài)頁(yè)面設(shè)計(jì)的。

在設(shè)計(jì)中運(yùn)用了HTML多框架結(jié)構(gòu)，因此在“/mClinux-dist/vendors”路徑下的tmpt文件夾中，放置所有需要鏈接的圖像文件，以及全部的HTML

文件。

5 定位系統(tǒng)分析測(cè)試

選擇有人員流動(dòng)的走廊模擬井下工作環(huán)境進(jìn)行定位系統(tǒng)測(cè)試，走廊面積為2m×10m。在走廊兩邊設(shè)置10個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，利用PC為參考節(jié)點(diǎn)設(shè)置坐標(biāo)位置，將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)放置在參考節(jié)點(diǎn)區(qū)域，通過(guò)服務(wù)器接口檢查移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置信息，結(jié)果表明，當(dāng)人流量較少的時(shí)候，能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的定位。這是由于人員的吵鬧、走動(dòng)等，會(huì)影響RSSI。經(jīng)分析測(cè)試結(jié)果表明，所有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)均可達(dá)到0.5m范圍內(nèi)的定位誤差，系統(tǒng)定位精確性較為

理想。

6 結(jié)論

煤礦是當(dāng)前社會(huì)中的重要資源，煤礦開采的效率對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著直接的影響。而在煤礦開采中，由于礦井下工作環(huán)境復(fù)雜，因而對(duì)于安全保護(hù)措施具有極高的要求。井下人員定位系統(tǒng)，對(duì)于保護(hù)礦井生產(chǎn)安全有著重要意義，基于ZigBee的井下人員定位系統(tǒng)，在系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，運(yùn)用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，能夠更加精確的實(shí)現(xiàn)井下人員定位，從而保證煤礦生產(chǎn)安全。

參考文獻(xiàn)

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