基于ZigBee井下人員定位系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)錯(cuò)位布置方法

束仁義，陳 帥，劉立坤

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

1 引言

井下安全作業(yè)事關(guān)人民群眾的生命和國(guó)家財(cái)產(chǎn)安全[1]。當(dāng)發(fā)生礦井事故時(shí)，首要的事是救出井下工作人員，此時(shí)要知道井下人員的具體位置以便及時(shí)有效地?fù)尵龋员仨氃O(shè)計(jì)出一套切實(shí)可行的井下人員定位系統(tǒng)。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一項(xiàng)新技術(shù)，由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通訊的方式形成多條自組織網(wǎng)絡(luò)[2]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用于災(zāi)難預(yù)警和救助、環(huán)境監(jiān)測(cè)和生物多樣化勘測(cè)、智能樓宇、藥品管理和衛(wèi)生保健，信息通信業(yè)務(wù)等領(lǐng)域[3]。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)性好、高可靠性以及是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，因此非常適合井下人員定位。

由于礦井下巷道錯(cuò)綜復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，如果合理布置有效參考節(jié)點(diǎn)，可以節(jié)約大量成本。

2 人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

煤礦定位系統(tǒng)主要由井上和井下兩部分組成[4]。井上主要是監(jiān)控中心，井下結(jié)合以太網(wǎng)并采用對(duì)等結(jié)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要設(shè)備由1個(gè)無(wú)線定位骨干網(wǎng)以及大量移動(dòng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，系統(tǒng)總體架構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于ZigBee井下人員定位無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)[5]由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)3部分組成。為了保證井下ZigBee網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性，井下的長(zhǎng)巷道將被多個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)所覆蓋，分別在巷道的兩側(cè)每隔50m就放置1個(gè)節(jié)點(diǎn)（稱為參考節(jié)點(diǎn)），這樣每個(gè)區(qū)域就會(huì)自動(dòng)組成1個(gè)ZigBee通信子網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)由4個(gè)參考節(jié)點(diǎn)、1個(gè)定位節(jié)點(diǎn)以及1個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，定位節(jié)點(diǎn)由井下工作人員隨身攜帶，因此也稱為移動(dòng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。這樣，每個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊實(shí)現(xiàn)了至少可與兩個(gè)以上的模塊之間相互通信，從而保證了ZigBee網(wǎng)絡(luò)無(wú)線通信的可靠性。此外，每個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊應(yīng)當(dāng)有1個(gè)唯一標(biāo)識(shí)的地址。

3 節(jié)點(diǎn)錯(cuò)位布置設(shè)計(jì)

由于井下都是長(zhǎng)長(zhǎng)的巷道，因此通常將參考節(jié)點(diǎn)安放在通道兩側(cè)合適的位置點(diǎn)上。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的資源有限，另外還受到隨即部署和通信容易受到環(huán)境干擾的限制，所以本系統(tǒng)參考節(jié)點(diǎn)設(shè)置會(huì)選擇以下兩種方案，如圖2和3所示。第一種情況是參考節(jié)點(diǎn)并排布置，當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在通道內(nèi)距離變化時(shí)，無(wú)論移動(dòng)到哪個(gè)地方均可以轉(zhuǎn)化到一個(gè)矩形區(qū)域內(nèi)計(jì)算其位置。由于一個(gè)矩形區(qū)域內(nèi)有4個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，當(dāng)知道定位節(jié)點(diǎn)到每個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的距離時(shí)，可用三邊測(cè)量法（Trilateration）或極大似然估計(jì)法（Multilateration）計(jì)算移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置。第二種情況是參考節(jié)點(diǎn)錯(cuò)位布置，這種布置的好處是節(jié)省參考節(jié)點(diǎn)，需要布置的參考節(jié)點(diǎn)數(shù)幾乎是圖2節(jié)點(diǎn)的一半。

圖2 參考節(jié)點(diǎn)并排布置

圖3 參考節(jié)點(diǎn)錯(cuò)位布置

估計(jì)定位節(jié)點(diǎn)的位置時(shí)，首先需要測(cè)出它到各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的位置。由于本文定位系統(tǒng)基于接收信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）的定位方案，因此根據(jù)CC2430／CC2431無(wú)線寄存器內(nèi)的RSSI值，再由已知的數(shù)學(xué)模型就可得到其距離值。設(shè)（x1，y1）是參考節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，所求節(jié)點(diǎn)P的坐標(biāo)為（x，y），則由兩點(diǎn)間距離公式可得：

根據(jù)最小平方差[6]由下式可計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)P的坐標(biāo)：

在具體計(jì)算移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置時(shí)考慮以下3種方法：

（1）依據(jù)圖2，在一個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)子域中僅有4個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，故取M＝4，利用（2）式即可求出定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)；

（2）從4個(gè)參考節(jié)點(diǎn)中任取3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，利用3邊測(cè)量法分別求出4個(gè)估計(jì)坐標(biāo)，再取它們的平均值作為定位節(jié)點(diǎn)的估計(jì)坐標(biāo)；

（3）根據(jù)圖3錯(cuò)位布置節(jié)點(diǎn)，僅取3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，再用方法二的計(jì)算方法即可求出定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

4 Matlab仿真及分析

圖4 節(jié)點(diǎn)分布及其定位結(jié)果

實(shí)驗(yàn)?zāi)M井下區(qū)域環(huán)境，在一個(gè)[0，3]×[0，50]的矩形區(qū)域中隨機(jī)分布人員可能出現(xiàn)的20個(gè)位置，其中錨節(jié)點(diǎn)為矩形的4個(gè)頂點(diǎn)。利用上述3種方法分別對(duì)人員位置估計(jì)，進(jìn)行MATLAB仿真，仿真結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5。

圖5 節(jié)點(diǎn)定位誤差比較

由仿真結(jié)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(jié)果略差。由圖5可知在基于理想環(huán)境下的RSSI測(cè)距誤差最大也只有在3.5m左右，因此對(duì)于井下人員的定位還是比較適宜的。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在基于ZigBee技術(shù)井下人員定位系統(tǒng)下，提出了一種節(jié)點(diǎn)錯(cuò)位布置方法，利用該方法進(jìn)行參考節(jié)點(diǎn)的布置，不僅降低了了定位系統(tǒng)的成本，而且在一定環(huán)境下能夠滿足對(duì)井下人員的定位要求，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤，進(jìn)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(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)煤礦井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].礦業(yè)安全與保護(hù)，2008，36（5）：31～33.

[2]李 輝，張曉光，高 頂.基于ZigBee的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在礦井安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008（4）：33～35.

[3]Holger Karl，Andreas Willig.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與體系結(jié)構(gòu)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

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

[5]李文仲，段朝玉.ZigBee2006無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線定位實(shí)戰(zhàn)[M].北京：北京航天航空大學(xué)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.