基于ZigBee井下人員定位系統的節點錯位布置方法

束仁義，陳 帥，劉立坤

（1.安徽大學 電子信息工程學院，安徽 合肥 230039；2.淮南師范學院 電氣信息工程學院，安徽 淮南 232038）

1 引言

井下安全作業事關人民群眾的生命和國家財產安全[1]。當發生礦井事故時，首要的事是救出井下工作人員，此時要知道井下人員的具體位置以便及時有效地搶救，所以必須設計出一套切實可行的井下人員定位系統。

無線傳感器網絡是一項新技術，由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通訊的方式形成多條自組織網絡[2]。無線傳感器網絡可以應用于災難預警和救助、環境監測和生物多樣化勘測、智能樓宇、藥品管理和衛生保健，信息通信業務等領域[3]。由于無線傳感器網絡容錯性好、高可靠性以及是以數據為中心的網絡，因此非常適合井下人員定位。

由于礦井下巷道錯綜復雜，節點數量眾多，如果合理布置有效參考節點，可以節約大量成本。

2 人員定位系統的設計

煤礦定位系統主要由井上和井下兩部分組成[4]。井上主要是監控中心，井下結合以太網并采用對等結網絡拓撲結構，主要設備由1個無線定位骨干網以及大量移動目標節點和參考節點構成，系統總體架構圖見圖1。

圖1 系統總體架構

基于ZigBee井下人員定位無線傳感網絡[5]由網關節點、參考節點和定位節點3部分組成。為了保證井下ZigBee網絡的可靠性和穩定性，井下的長巷道將被多個ZigBee網絡所覆蓋，分別在巷道的兩側每隔50m就放置1個節點（稱為參考節點），這樣每個區域就會自動組成1個ZigBee通信子網，每個子網由4個參考節點、1個定位節點以及1個網關節點構成，定位節點由井下工作人員隨身攜帶，因此也稱為移動目標節點。這樣，每個節點模塊實現了至少可與兩個以上的模塊之間相互通信，從而保證了ZigBee網絡無線通信的可靠性。此外，每個節點模塊應當有1個唯一標識的地址。

3 節點錯位布置設計

由于井下都是長長的巷道，因此通常將參考節點安放在通道兩側合適的位置點上。無線傳感網絡中各節點的資源有限，另外還受到隨即部署和通信容易受到環境干擾的限制，所以本系統參考節點設置會選擇以下兩種方案，如圖2和3所示。第一種情況是參考節點并排布置，當移動節點在通道內距離變化時，無論移動到哪個地方均可以轉化到一個矩形區域內計算其位置。由于一個矩形區域內有4個參考節點，當知道定位節點到每個參考節點的距離時，可用三邊測量法（Trilateration）或極大似然估計法（Multilateration）計算移動節點的位置。第二種情況是參考節點錯位布置，這種布置的好處是節省參考節點，需要布置的參考節點數幾乎是圖2節點的一半。

圖2 參考節點并排布置

圖3 參考節點錯位布置

估計定位節點的位置時，首先需要測出它到各個參考節點的位置。由于本文定位系統基于接收信號強度（RSSI）的定位方案，因此根據CC2430／CC2431無線寄存器內的RSSI值，再由已知的數學模型就可得到其距離值。設（x1，y1）是參考節點坐標，所求節點P的坐標為（x，y），則由兩點間距離公式可得：

根據最小平方差[6]由下式可計算未知節點P的坐標：

在具體計算移動節點位置時考慮以下3種方法：

（1）依據圖2，在一個無線傳感網絡子域中僅有4個參考節點，故取M＝4，利用（2）式即可求出定位節點的坐標；

（2）從4個參考節點中任取3個參考節點，利用3邊測量法分別求出4個估計坐標，再取它們的平均值作為定位節點的估計坐標；

（3）根據圖3錯位布置節點，僅取3個參考節點，再用方法二的計算方法即可求出定位節點的坐標。

4 Matlab仿真及分析

圖4 節點分布及其定位結果

實驗模擬井下區域環境，在一個[0，3]×[0，50]的矩形區域中隨機分布人員可能出現的20個位置，其中錨節點為矩形的4個頂點。利用上述3種方法分別對人員位置估計，進行MATLAB仿真，仿真結果見圖4和圖5。

圖5 節點定位誤差比較

由仿真結果可知，3種方法的定位精度相差不大，方法三的定位誤差比方法二和方法三的定位結果略差。由圖5可知在基于理想環境下的RSSI測距誤差最大也只有在3.5m左右，因此對于井下人員的定位還是比較適宜的。

5 結語

本文在基于ZigBee技術井下人員定位系統下，提出了一種節點錯位布置方法，利用該方法進行參考節點的布置，不僅降低了了定位系統的成本，而且在一定環境下能夠滿足對井下人員的定位要求，從而實現對目標的實時跟蹤，進一步為井下工作人員提供了安全保障。

[1]李 蒙，李廣宏，刁文廣.無線傳感網絡煤礦井下人員定位系統設計[J].礦業安全與保護，2008，36（5）：31～33.

[2]李 輝，張曉光，高 頂.基于ZigBee的無線傳感網絡在礦井安全監測中的應用[J].儀表技術與傳感器，2008（4）：33～35.

[3]Holger Karl，Andreas Willig.無線傳感器網絡協議與體系結構[M].北京：電子工業出版社，2007.

[4]郭秀才，滕以金，竇美玲.井下人員定位跟蹤檢測系統[J].兵工自動化，2009，28（4）：58～60.

[5]李文仲，段朝玉.ZigBee2006無線傳感網絡與無線定位實戰[M].北京：北京航天航空大學出版社，2008.

[6]Hongyang Chen，Kaoru Sezaki，Ping Deng，et al.An Improve DV－Hop Localization Algorithm for Wireless Sensor Networks.Industrial Electronics and Application[M].IEEE Conference，2008.