基于ZigBee的井下人員定位系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)①

朱守金， 孫權(quán)海， 杜 艷， 豐 遠(yuǎn)， 邊 健

(1.安徽三聯(lián)學(xué)院基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，安徽 合肥 230601；2.合肥學(xué)院數(shù)理系，安徽 合肥 230601)

0 引 言

近年來以井下為平臺，利用無線通信、自動控制等技術(shù)來綜合管理、實(shí)時準(zhǔn)確控制的井下人員定位系統(tǒng)受到煤礦公司的廣泛關(guān)注[1]?；跓o線技術(shù)的井下人員定位系統(tǒng)具有較高的實(shí)時性、安全性、準(zhǔn)確性，在井下人員定位系統(tǒng)中具有較高的實(shí)用價(jià)值并占有重要的地位。ZigBee是一種高安全、低成本、低功耗、易組網(wǎng)、短時延的無線通信技術(shù)，特別適合在地理環(huán)境復(fù)雜的井下使用[2]?；赯igBee的井下人員定位系統(tǒng)已有研究、設(shè)計(jì)，但由于系統(tǒng)價(jià)格昂貴、準(zhǔn)確性、實(shí)時性、穩(wěn)定性、擴(kuò)展性較差等原因，實(shí)際應(yīng)用較少[3，4]。擬從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x型來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；采用模塊化的設(shè)計(jì)來提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性；采用新的定位算法來提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性；采用新的傳感器來提高系統(tǒng)的實(shí)時性；從硬件的選擇來降低成本和功耗來解決上述問題。希望基于ZigBee的井下人員定位系統(tǒng)能夠在煤炭行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x型

ZigBee有樹形、星型、網(wǎng)狀三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)井下障礙物較多，人員活動范圍大的特點(diǎn)來選擇合適、可靠的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。星型網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、簡潔的特點(diǎn)，但節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)路由只有唯一的一個路徑，故可靠性不高。樹形結(jié)構(gòu)維護(hù)方便，但任何一個鏈路故障都會使整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓，故穩(wěn)定性不高。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有性能可靠，傳輸距離長，易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，特別適合結(jié)構(gòu)復(fù)雜、廣泛分布、網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積大的礦井。所以系統(tǒng)選擇網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)作為Zigbee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.2 定位算法的選擇

鑒于ZigBee模塊能夠直接提供接收信號的RSSI值，系統(tǒng)采用的是基于RSSI的定位算法。這種算法不需要額外的硬件，能夠根據(jù)接收信號的RSSI值算出定位節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間的距離。RSSI算法也有其自身的缺陷，它容易受到外界環(huán)境的影響，如多徑傳輸、信號的反射、井下人員的走動等，都會影響等距離時接收信號的RSSI值。為了更好的定位，系統(tǒng)通過RSSI的值獲得定位節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)(即工人身上的標(biāo)示卡和讀卡器的距離)之間的距離后，再使用三邊測距法就可以得到定位節(jié)點(diǎn)(識別卡或工人)的坐標(biāo)。

1.3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用無線網(wǎng)絡(luò)ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對崗位攜卡人員的實(shí)時定位、無線跟蹤、巡檢、考勤等定位和管理功能。系統(tǒng)主要由三部分組成，井下數(shù)據(jù)采集定位子系統(tǒng)、CAN Bus數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)(主要用于井上、井下系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的傳輸)、井上監(jiān)控系統(tǒng)。方案研究的重點(diǎn)是井下數(shù)據(jù)采集定位系統(tǒng)，它由標(biāo)簽、讀卡器、分站構(gòu)成。其中標(biāo)簽就是ZigBee終端設(shè)備，由工人戴在身上，也就是定位節(jié)點(diǎn)；讀卡器即ZigBee路由器，也就是參考節(jié)點(diǎn)；分站即是ZigBee協(xié)調(diào)器，也就是網(wǎng)關(guān)。井上監(jiān)控系統(tǒng)主要有工作站計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)等組成。定位系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)之間通過CAN總線進(jìn)行通信。整個系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 分站控制主板

分站控制主板選用的是TI公司的MSP430F449單片機(jī)，它具有MSP430系列產(chǎn)品的共同特點(diǎn)，另外它還具有自身的獨(dú)特的優(yōu)勢，如工作電壓低(1.8-3.6V)、超低的功耗(活動模式：280μA@1MHz，2.2V、待機(jī)模式：1.1μA、掉電模式：0.1μA)、從待機(jī)到喚醒的響應(yīng)時間不超過6μS等，比較適合井下復(fù)雜環(huán)境的要求。

2.2 讀卡器(CC2430)

采用TI公司的CC2430芯片作為讀卡器ZigBee無線通信模塊，它可在多種模式下低功耗地運(yùn)行并且集成了基于ZigBee協(xié)議的射頻收發(fā)器和微處理器，，是一個真正的片上系統(tǒng)SOC解決方案。利用它可以實(shí)現(xiàn)識別卡節(jié)點(diǎn)之間，識別卡節(jié)點(diǎn)和讀卡器節(jié)點(diǎn)的之間的組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)通信。CC2430具有短時延、低成本等特點(diǎn)，既保證了通信的實(shí)時性，也便于推廣，比較適合井下使用[5]。

2.3 識別卡(CC2431)

識別卡CC2431是TI公司推出的內(nèi)部自帶基于RSSI技術(shù)的定位引擎，也可實(shí)現(xiàn)較精確的定位。識別卡通過系統(tǒng)把自身位置信息傳遞給分站，分站再傳給上位機(jī)，上位機(jī)通過運(yùn)行測試軟件Z-Location Engine進(jìn)行識別卡分析及測試。

2.4 傳感器

溫濕度傳感器、瓦斯傳感器、水浸傳感器等組成了傳感器模塊。井下溫濕度的控制主要由溫濕度傳感器來完成的。系統(tǒng)選用的是MY-WS100型智能溫濕度傳感器，具有測量準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定，方便接報(bào)警器、制冷、加熱、加濕、去濕等經(jīng)濟(jì)實(shí)用特點(diǎn)。系統(tǒng)選用的是NAP-50A瓦斯傳感器來檢測井下瓦斯的濃度，它具有體積小、穩(wěn)定性好、節(jié)能、靈敏度高等特點(diǎn)，非常適合在環(huán)境復(fù)雜的井下使用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

井下人員定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括分站、讀卡器、識別卡軟件設(shè)計(jì)。分站在ZigBee中充當(dāng)?shù)氖蔷W(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的角色，它主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的管理，收集、處理各節(jié)點(diǎn)的信息，并傳給監(jiān)控中心的上位機(jī)的軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；讀卡器充當(dāng)?shù)氖锹酚善鞯慕巧?，它和識別卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，對傳輸進(jìn)行路由選擇，找到最優(yōu)路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；識別卡是整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備，它以約定格式存儲工人或井下定位目標(biāo)的個人信息，不斷向外發(fā)射包含相關(guān)信息的數(shù)據(jù)包，與讀卡器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，處理相應(yīng)分站的查詢請求等。

3.1 分站的軟件設(shè)計(jì)

分站作為定位系統(tǒng)的核心部件有著非常重要的作用，既要接收監(jiān)控中心上位機(jī)傳達(dá)下來的控制指令到指定節(jié)點(diǎn)，又要接收讀卡器發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)由CAN總線傳給上位機(jī)。同時在定位系統(tǒng)中有擔(dān)任著組織網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)。主流程圖如圖2所示。

當(dāng)分站第一次被激活后，它先廣播查找網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，如果收到回應(yīng)說明網(wǎng)絡(luò)中已有協(xié)調(diào)器，那么它將發(fā)出入網(wǎng)請求，被應(yīng)答后獲得網(wǎng)絡(luò)地址，成為此網(wǎng)絡(luò)中的路由器；如果沒有回應(yīng)，則此分站將自己設(shè)為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，接收其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的入網(wǎng)請求，組建自己的網(wǎng)絡(luò)，確定網(wǎng)絡(luò)標(biāo)示符，為加入的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址。因?yàn)樽R別卡在工人身上隨工人移動，所以每個網(wǎng)絡(luò)會不停的有新的節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)或離開網(wǎng)絡(luò)，為此協(xié)調(diào)器將不停地監(jiān)聽各節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)或退出網(wǎng)絡(luò)的請求，并傳送數(shù)據(jù)，因而網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器沒有休眠狀態(tài)，一直處于正常工作狀態(tài)。分站組建網(wǎng)絡(luò)流程圖如圖3所示。網(wǎng)絡(luò)建好以后，分站將進(jìn)行數(shù)據(jù)偵聽，對應(yīng)用事件進(jìn)行處理。

圖2 分站主程序流程圖

圖3 分站組網(wǎng)流程圖

3.2 讀卡器的軟件設(shè)計(jì)

讀卡器是定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的參考節(jié)點(diǎn)，參考節(jié)點(diǎn)的位置是已知、不變的。其作用是提供自身的坐標(biāo)X、Y和RSSI值，并傳給識別卡。系統(tǒng)通電后先進(jìn)行ZigBee模塊各接口、寄存器等的初始化，選好工作頻率和模式等，然后尋找網(wǎng)絡(luò)加入，最后進(jìn)入相關(guān)事件循環(huán)。沒有工作任務(wù)時，讀卡器處于休眠狀態(tài)。其流程圖如圖4所示。

3.3 識別卡的軟件設(shè)計(jì)

識別卡是工人帶在身上隨工人運(yùn)動而不斷變化位置，即移動節(jié)點(diǎn)。識別卡采用的是具有定位引擎的CC2431芯片，它能夠獲取各個參考節(jié)點(diǎn)的一些數(shù)據(jù)，比如在指定區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的RSSI值，CC2431就可以根據(jù)這些信息利用定位算法得到節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。如果移動節(jié)點(diǎn)隨工人運(yùn)動超出網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，讀卡器會自動刪除識別卡的信息。識別卡工作流程如圖5所示。

圖4 讀卡器工作流程圖

圖5 識別卡工作流程圖

圖6 定位節(jié)點(diǎn)設(shè)置

4 定位測試及結(jié)果分析

最后用Z-Location Engine軟件對ZigBee網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)進(jìn)行了上位機(jī)實(shí)時定位測試。測試設(shè)備各模塊連接好后，對分站先進(jìn)行上電，并將協(xié)調(diào)器的掃描形式設(shè)置為主動掃描模式，等待掃描完成以后，協(xié)調(diào)器就可以根據(jù)所掃描的結(jié)果選擇相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，加入該網(wǎng)絡(luò)，開始偵測監(jiān)聽，并且準(zhǔn)備接收參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行定位測試前需要先進(jìn)行設(shè)置。

待定位的標(biāo)識卡都加入到本網(wǎng)絡(luò)之后，將軟件的菜單選項(xiàng)定位到Reference Node Setup，然后設(shè)置讀卡器，在此菜單下，選擇“NEW+地址”，設(shè)置參考節(jié)點(diǎn)，并且在Updata Node設(shè)置欄中填寫相應(yīng)參考節(jié)點(diǎn)的橫坐標(biāo)X以及縱坐標(biāo)Y，等所有參數(shù)設(shè)置好后，單擊Updata Node按鈕，地圖欄將出現(xiàn)黃色小圓點(diǎn)，并且左下方將顯示出其坐標(biāo)，重復(fù)步驟，分別設(shè)置其他參考節(jié)點(diǎn)。

參考節(jié)點(diǎn)設(shè)置好后，把定位軟件菜單切換到Blind Node Setup，實(shí)現(xiàn)對識別卡(即定位節(jié)點(diǎn))進(jìn)行加載定位。在此菜單下，系統(tǒng)會自動定位識別卡。同樣，在Blind Node Setup菜單，選擇“NEW+地址”將出現(xiàn)標(biāo)示卡的參數(shù)，如圖6所示，系統(tǒng)設(shè)置完后，隨著識別卡的移動，可以看到其在地圖中位置的變化情況，點(diǎn)擊不同的參考節(jié)點(diǎn)或定位節(jié)點(diǎn)可以查看他們各自的參數(shù)信息。

最后的測試結(jié)果顯示定位的結(jié)果與識別卡真正的坐標(biāo)有2m左右的誤差，分析原因可能是由于RSSI受環(huán)境影響，使定位結(jié)果存在誤差。定位結(jié)果能夠?yàn)榫仍峁┟鞔_目標(biāo)，所以在模擬井下巷道的環(huán)境中實(shí)驗(yàn)時定位效果基本滿足精度要求，所以系統(tǒng)基本滿足井下人員的定位要求。

5 結(jié) 論

提出并設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的井下人員定位系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)的總體框架、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)，最后對系統(tǒng)進(jìn)行了測試。從測試結(jié)果可以看出將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于井下人員定位中，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時、低成本、低功耗的無線通信。通過通信模塊和新型傳感器系統(tǒng)，形成了新型的井下人員定位系統(tǒng)。用戶通過系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對崗位攜卡人員的實(shí)時定位、無線跟蹤、巡檢、考勤等管理功能，可以為搶救工作人員提供準(zhǔn)確、可靠地信息，提高了安全救護(hù)的效率，具有一定的先進(jìn)性和工程使用價(jià)值。