基于Zigbee的井下人員定位監測系統的設計與研究

王同泉 崔建明

（太原理工大學電氣與動力工程學院，太原 030024）

煤礦的安全生產工作一直受到國家的高度重視。煤礦安全生產“十二五”規劃中明確規定2011年底前所有煤礦全部安裝井下人員定位系統。2013年6月底前全國所有煤礦全部完成“六大系統”的建設完善工作，切實提高煤礦安全保障水平和應急處置能力。

隨著現代科學技術的飛速發展，對煤礦安全生產的要求不斷升高，開發出可靠有效的礦井人員管理系統對于改善煤礦的安全生產具有很大的現實意義和實用價值。現代化的煤礦安全生產系統不僅包括對礦井下環境參數（例如瓦斯濃度、溫濕度、風速等環境指標）的監測，還應包括對下井人員的實時監控和管理，這樣極大的減少了人為因素事故的發生，提高了礦業生產的效率。針對當今RFΙD 技術在使用中存在通信距離短的缺點，同時在多人通過無線基站時存在漏讀卡現象等問題，建立一套以Zigbee 無線通信技術為基礎的人員管理系統己經成為煤礦安全生產和現代化管理的迫切需要。

1 Zigbee 無線網絡定位技術特點

Zigbee 顯著的特點就是低速率、低功耗、低成本、自配置和靈活的網絡拓撲結構[1]。同時Zigbee定義了應用層、網絡層以及安全服務規范，與常見的無線通信標準相比，Zigbee 協議緊湊而簡單，Zigbee 體系結構模型如圖1所示[2]。對其具體實現的要求很低，其最低需求估計：硬件需要8 位處理器，軟件需要32KB 的ROM，最小軟件需要4kB 的ROM，網絡主節點需要更多的RAM 以容納網絡內所有節點的設備信息、數據包抓發表、設備關聯以及安全有關的密鑰存儲等。Zigbee 技術在讀卡器成本低，有效距離、傳輸速率及實用性等方面均優于RFΙD。同時Zigbee 在信道切換機制方面抗多徑干擾能力和抗多址干擾能力都強于現有的藍牙、Wi-Fi等通信協議。

圖1 Zigbee 體系結構模型

在符合Zigbee 協議的CC2431 無線定位中，還具有以下優點：最高精度可達0.5m；定位節點響應時間少于40μs；定位誤差小于3m；硬件定位計算消耗非常少的CPU 資源。

2 系統的構架方案

該系統由地面計算機中心、無線通信接入網關、參考節點、定位節點、網絡分析等組成，定位系統原理框圖如圖2所示[2]。

圖2 定位系統原理框圖

主機是地面計算機。在計算機上有相關的界面化軟件，便于觀察地下工作情況，同時也方便于井下工作管理及調度等，同時井下的作業信息也可以通過網絡傳給相關部門檢測，把相關信息進行存儲。

網關采用CC2430 組建一個Zigbee 網絡，在每個區域中，網關擔任協調器的角色，并且把定位節點坐標及外部環境參數傳給地面計算機中心。

參考節點采CC2430 的設計擔任路由器的角色，在定位系統中它由用戶指定固定坐標，并為定位節點提供坐標和RSSΙ 平均值。

定位節點采用帶有定位引擎的CC2431 設計，能夠根據參考節點的固定坐標和RSSΙ 平均值計算出自身的坐標位置，同時協同定位節點坐標一起發送給網關。

3 定位系統算法改進

3.1 基于RSSI 的定位算法

RSSΙ 算法是通過已知發射節點的發射信號強度和接收節點接收到的信號強度，算出信號在傳播過程中損耗的強度值，利用理論和模型將損耗轉化為距離，最終算出節點坐標[3]。

接收節點信號強度的理論值為

式中，n為信號傳播常數；d為與發射節點的距離；A為距發射節點1m 處的接收信號強度。

移動節點（x,y）相對于固定節點（x1,y1），（x2,y2），（x3,y3）…（xn,yn）的距離為d1，d2，d3…dn，可得

根據線性方程變換AX B= ，其中：

采用最小二乘法可得出移動節點的坐標為

3.2 算法的改進

為了減少RSSΙ 算法的誤差影響，提高RSSΙ 定位算法精度，以三邊定位算法為基礎，分別對個體差異差分系數、距離差分系數和距離差分定位方程進行了定義，把離目標節點最近的固定節點作為參考節點，對基于RSSΙ 的測距進行差分修正[4]。差分實現過程如圖3所示，固定節點R0(x0,y0)，R1(x1,y1)，…，Rn(x n,yn)，其中R0是離移動節點M(x,y)最近的固定節點，令R0為差分參考節點，1R，2R，…，nR到0R的距離為D1，D2，…，Dn，R1，R2，…，Rn到M的距離為d1，d2，…，dn。

圖3 差分修正方法圖

固定節點RSSΙ 個體差異修正系數的定義：

式中，D′i為參考節點與第i個固定節點之間的測量距離，Di為實際距離，n為參與定位的固定節點的個數。

對目標節點到第i個信標節點的距離差分系數的定義

式中，λ為比例調整因子，di'為移動節點與第i個參考節點的實測距離，n值同上。

對移動節點到第i個參考節點的距離差分定位方程的定義

式中，di為移動節點與第i個固定節點的修正距離，固定節點測量誤差ei=d i′-di。n值同上。

將式（8）代入式（6）、（7）中，即可求得移動節點的差分修正坐標。

如果有n個固定節點參與定位，就可得到Cn3組移動節點坐標值，并最終求得移動節點的坐標

4 定位系統的整體流程

定位系統網關的設計。網關是節點信息匯集的地方，也是所有節點的控制中心。圖4是網關節點的設計原理圖[5]，收集到的信息可以通過液晶顯示或者總線方式傳給計算機。

圖4 網關節點設計原理圖

人員定位軟件系統由操作界面和數據庫系統組成。當檢測到有信號傳輸時，立即執行相應的程序，數據庫中相應的信息則自動讀取并發送到通信平臺，如有控制信息也寫到指定區域，程序檢測到后發出控制命令，把相應的信息顯示到電腦或顯示屏上，實現對應的功能。

定位軟件程序流程如圖5所示。首先，發送定位請求。監測節點在接收到定位請求后，將發送定位響應，包括自身的位置信息和地址。通過GetRSSΙVal（）函數獲得RSSΙ 值。來自同一個信標節點的RSSΙ 均值，通過RSSΙ 計算方法將信號強度轉化為距離。與距離較近的幾個固定節點構成集合，運用三邊定位算法，求得該節點的坐標位置。對所得的位置坐標集合，求得平均值，再運用差分修正法進行修正，最終確定節點位置。

圖5 定位軟件流程圖

5 實驗結果與分析

實驗采用8 個固定節點，兩個盲節點進行測試。通過運行上位機Z-Location 軟件，配置固定節點（X，Y），并配置盲節點（A，N）等參數，然后捕獲其坐標值。配置固定節點坐標分別為（2，2）、（2，20）、（10，2）、（10，20）、（18，2）、（18，20）、（26，2）、（26，20），當盲節點實際位置為（12，12）、（16，16）時，實驗結果如圖6所示，盲節點在區內移動，可得到其坐標，誤差坐標小于3m。

圖6 上位機定位顯示

實驗還對A、N值進行了調節，A值為30～50，N值為0～30。通過試驗得出，A值的最佳范圍為45～49，N值的最佳范圍為15～25。實驗結果較為理想。

6 結論

基于當今最流行的Zigbee 技術為基礎，構建了整個井下人員定位監測系統，同時將RSSΙ 算法進行了改進，提高了定位精度，擴大了定位區域，減小了定位誤差。通過上位機測試表明，能夠用于類似礦井巷道環境中，基本符合了定位的要求，適合于井下人員定位系統。

[1] 瞿雷,劉勝德,胡咸斌.Zigbee 技術及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007.

[2] 李文仲,段朝玉.Zigbee2006 無線網絡與無線定位實戰[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.

[3] 馬曉峰,汪玉鳳.基于Zigbee 技術的煤礦井下人員定位跟蹤系統的研究[D].遼寧:遼寧工程技術大學,2009.

[4] 李偉,崔建明.基于Zigbee 和GΙS 的井下人員定位系統的設計[D],山西:太原理工大學,2010.

[5] 劉洋,楊潔明.基于CC2431 的井下人員定位方法研究[J].煤礦機械,2010(6).