基于ZigBee的井下定位系統(tǒng)研究與設(shè)計

徐懷芹 黃坤 楊義 朱素娜

摘要：為了準確實時監(jiān)控井下的內(nèi)部環(huán)境空氣狀態(tài)變化情況，精確地實時定位井下全體工作人員的井下撤退移動位置，以及在井下遇到危險后合理地準確規(guī)劃井下撤退移動路徑，研究人員設(shè)計了基于ZigBee的井下全體工作人員的全自動化撤退定位系統(tǒng)。該傳輸系統(tǒng)主要使用ZigBee無線技術(shù)，實現(xiàn)冗余的無線化和網(wǎng)絡(luò)化方便地進行傳輸數(shù)據(jù)。ZigBee井下定位系統(tǒng)的組成部分主要有井下定位檢測站、身份信息標志顯示卡、集中器和井下監(jiān)控系統(tǒng)主機等，以便于實現(xiàn)井下工作人員實時所在位置的井下信息實時采集，并通過井下集中器直接向上層定位機進行傳輸，為及時預防井下事故、排除安全隱患、搶險救災等井下工作人員活動提供方便。該文主要對RSSI算法進行改進，提高了人員定位的速度和精確度。

關(guān)鍵詞：井下;人員定位;改進的RSSI算法

中圖分類號：TP391? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）04-0123-02

1 定位系統(tǒng)總體框架

在基于ZigBee的井下定位工作人員的全自動化井下定位檢測監(jiān)控管理系統(tǒng)中，包括自動監(jiān)測站、移動監(jiān)控節(jié)點、參考站和網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點、協(xié)調(diào)器、Web服務(wù)器等。井下人員對基站進行定位信息系統(tǒng)的一個基本原理就是把無線基站預先地分配好，并且將基站的位置通過測量器存儲到電腦中。而且一般在井下工作的人員都可以隨身攜帶一張身份證卡，身份卡會不斷發(fā)送射頻信號，其中包含員工的基本信息和所在位置。通過線路傳輸?shù)骄嚯x最近的上級定位點，然后逐級傳遞，直到傳到地面控制中心處理點結(jié)束。管理工作人員可以通過系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行實時定位，對井下人員進行實時監(jiān)控。井上的呼叫可以通過設(shè)備立即送到井下，在緊急情況下，井下操作員可以隨時呼叫井上的經(jīng)理或值班人員，這是雙向、實時的。基站接收到的信號是強度指示信息，為了能夠?qū)崿F(xiàn)精準的井下工作人員自動定位，系統(tǒng)可以通過對信號強度確切地計算得出基站工作人員和井下基站之間的距離，系統(tǒng)不間斷地運行，確保了工作人員的地理位置和信息進行了實時的更新，實現(xiàn)對井下工作人員的自動跟蹤和定位。

2.定位系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1參考節(jié)點的硬件設(shè)計

參考節(jié)點是一種坐標學上已知的固定裝置，并且它們分布在井中的各個關(guān)鍵位置。它的作用就是在整個井下網(wǎng)絡(luò)中完成路由的功能，并且可以在每一個節(jié)點之間進行數(shù)據(jù)的傳送。參考節(jié)點周期性對外發(fā)射信號的同時，接收移動節(jié)點發(fā)射的位置信號。移動節(jié)點無線信號強度的實時監(jiān)測，監(jiān)測分析結(jié)果可以直接影響或者間接通過學習其他相鄰參考節(jié)點逐條發(fā)送給協(xié)調(diào)器。參考位置節(jié)點組成部分如圖2，主要包括：

（1）電池電源：為參考節(jié)點提供電源;

（2）ZIgBee模塊：CC2530;

（3）三個指示設(shè)備：具有信號接收、處理和記錄等功能的設(shè)備;

（4）ZigBee無線功率放大器：增強發(fā)射功率;

（5）數(shù)據(jù)存儲模塊：存儲進入該參考節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)用戶ID，同時記錄定位結(jié)果。

2.2移動節(jié)點的硬件設(shè)計

移動的節(jié)點不是固定的，能夠隨意在井下移動。為了確定每一個移動節(jié)點的位置和坐標，移動節(jié)點會將定位到該區(qū)域內(nèi)所有探測站的 RSSI值，通過定位算法進行測量并多次平均的計算方法進行測算其中各個坐標的位置。移動節(jié)點卡是一種由工作人員自己攜帶的身份證卡體積小、質(zhì)量輕、方便攜帶并具備了報警功能。通過聲光的形式對指示燈進行報警，當發(fā)生聲光時Led 指示燈的顏色會閃爍并且發(fā)出聲音。而且通過LED燈的顏色不同判斷工作人員所處的狀態(tài)。CPU選用成都天龍公司的 CC2431 芯片，CC2431具有 Motorola 國際擁有執(zhí)照的定位軟件進行檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計核心定位精度為0.25米。與CC2430相比，其結(jié)構(gòu)增加了一個定位引擎，使用參考節(jié)點和RSSI坐標，通過三次測量，誤差控制小于5%，確定移動節(jié)點的坐標位置。然而由 CC2431 制作的定位系統(tǒng)必須要求至少八個參照節(jié)點構(gòu)建一個無線定位網(wǎng)絡(luò)。

3 定位系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1參考節(jié)點的軟件設(shè)計

參考節(jié)點指的是在位置上已經(jīng)知道且固定的節(jié)點，必須進行正確地配置并且分布在不同區(qū)域地理位置中。協(xié)調(diào)器首先需要通過配置參考節(jié)點的位置坐標，其次需要設(shè)置移動節(jié)點的環(huán)境參數(shù)。將參考節(jié)點作為移動節(jié)點的位置參考節(jié)點，通過多次采集這些信號的 RSSI 值，過濾去除一些分離群節(jié)點，將其平均值和自身的坐標信息存儲在數(shù)據(jù)包中，再發(fā)送到相應(yīng)的參考節(jié)點。其實現(xiàn)的特征包括：自動地發(fā)現(xiàn)和加入網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送 RSSI值的信息包和一個包含自己位置[x]、[y]坐標給移動節(jié)點。轉(zhuǎn)發(fā)定位網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息，具備在斷電后對其進行保留信息的記錄功能。

3.2移動節(jié)點的軟件設(shè)計

移動節(jié)點上電后，系統(tǒng)初始化完成。移動節(jié)點周期性地將位置請求發(fā)送到周圍的參考節(jié)點，等待其他參考節(jié)點做出響應(yīng)。參考節(jié)點如果檢測到有移動節(jié)點進入其覆蓋區(qū)域，就與其建立通訊關(guān)系，向移動節(jié)點發(fā)送返回值。如果移動節(jié)點不能正常接收發(fā)送給它的返回值，就會自動繼續(xù)向周圍的一個節(jié)點進行發(fā)送并對定位后的信息發(fā)出請求。如果一個正在移動的接收節(jié)點的接收器看不到它的返回值，則認為已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)。CC2431利用定位引擎計算出移動網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點之間的位置。在該程序中使用了一個定位導航引擎后，移動四個節(jié)點先從參考四個節(jié)點上讀出坐標[x]和[y]，然后從四個參考節(jié)點讀出坐標后再從目的地讀出標準參數(shù)（a，n，RSSI）。所有的參數(shù)在被寫入到一個定位器引擎中后，通過對計算器輸出的移動節(jié)點的坐標，根據(jù)參考節(jié)點之間的信號強度，3次計算從移動到參考節(jié)點的距離。把一個含有移動節(jié)點ID和定位數(shù)據(jù)的一個數(shù)據(jù)包分別發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中，完成了對距離的測量。圖5描述了CC2431定位引擎的定位過程。

經(jīng)過改良的 RSSI算法大大增強了定位準確性，在保持參考節(jié)點與移動節(jié)點之間的距離基礎(chǔ)上增設(shè)了一個固定的節(jié)點，并針對其中的距離值進行計算，其主要目的是使用一個可以校正得到檢測出來的 RSSI值。則可有關(guān)系式：

P1=10RSSI1/10，p2=10RSSI2/10? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

如果N和B1相隔距離為f1，B1和B2相隔距離為f2，則有關(guān)系式：

P2/P1=（f1/f2）n? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

即? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?f1=（p2/p1）1/n*f2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

把公式（1）代入公式（3）可得：

f1=[10（RSSI2-RSSI1）/10]1/n*f2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

4 結(jié)論

本文對ZigBee井下定位系統(tǒng)進行了研究與設(shè)計，提高煤礦井下開采作業(yè)的質(zhì)量和效率，減輕人員傷亡，提高作業(yè)安全性。使用 ZigBee 定位系統(tǒng)的成本較低，并且可以更精準地將其定位到所有的人員位置，減少了工作時間和費用，提高了實際的工作效率。但現(xiàn)階段ZigBee技術(shù)在煤礦井下定位信息系統(tǒng)中仍然有很大的改進工作空間，相信以后ZigBee技術(shù)在井下定位方面的應(yīng)用一定會得到更好發(fā)展。

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收稿日期：2021-10-15

基金項目：國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目名稱：基于RSSI算法改進的Zigbee井下定位系統(tǒng)研究與設(shè)計 （項目編號：202010959005 ）

作者簡介：徐懷芹（2000—），女，安徽鳳臺人，學生，學士，主要研究方向為無線通信;黃坤（1981——），男，安徽合肥人，小高，大專，主要研究方向為計算機、教育管理;楊義（2000—），男，安徽宿州人，學生，學士，主要研究方向為無線通信;朱素娜（1996—），女，安徽壽縣人，學生，學士，主要研究方向為無線通信。