基于ZigBee的施工現場人員定位系統的設計

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（中冶（北京）交通科技發(fā)展有限公司，北京100176）

隨著國家經濟的迅速發(fā)展，高速公路、鐵路以及城市道路的建設越發(fā)的加快。由于城市地鐵、鐵路施工單位和高速公路施工單位改善了路線技術指標，縮短了路程和行車時間，提高了運營效益，因此國家不斷加大施工單位的建設力度；然而施工單位建設的造價高、運營管理相對復雜，所以各地對施工單位的建設都十分重視。盡管如此，施工事故還是頻繁發(fā)生。

本文針對以上情況提出了一種基于ZigBee技術[1-2]的施工現場人員定位系統解決方案，為施工單位的安全建設提供了嶄新的安全管理理念和強有力的保證。

1 ZigBee網絡結構

基于ZigBee技術的定位系統一般采用自適應組網的網狀拓撲結構[3]，一個網絡最多可容納255個設備，傳輸方式可以是單跳也可以是多跳，并且使用的地址范圍寬泛。網絡中的節(jié)點由協調器、路由器和終端設備組成。根據其在節(jié)點中不同的功能分為全功能設備（ZigBee FFD節(jié)點）和精簡功能設備（ZigBee RFD節(jié)點）。協調器主要負責整個網絡的組網、設備連接和網絡斷開，一個網絡中只能有一個協調器。路由器主要負責網絡信息轉發(fā)和網絡地址分配。終端設備負責發(fā)送數據給FFD設備。協調器和路由器是FFD設備，終端設備可以是FFD設備也可以是RFD設備。ZigBee網絡結構如圖1所示。

基于ZigBee的無線網絡定位系統與基于傳統移動網絡和固定網絡的定位系統相比具有以下優(yōu)點：

（1）在施工現場可以設置多個 ZigBee子網，其中每個子網中所有的RFD節(jié)點都可隨時加入或者離開任意ZigBee子網；

（2）RFD節(jié)點開機后會自動迅速地組成一個獨立的網絡；

（3）RFD節(jié)點在使用過程中可根據需要隨意移動以及開關機，ZigBee網絡會動態(tài)構建拓撲結構；

（4）無線路由提供多跳的通信方式，FFD節(jié)點會選擇合適的最優(yōu)路徑。

2 人員定位的關鍵技術及算法

不同的ZigBee網絡之間由網絡ID和頻段來區(qū)分。每個ZigBee節(jié)點都具有64 bit的永久地址，可以將其作為唯一標識。協調器作為一個ZigBee的組織者，可以通過無線網橋與以太網連接[4]。攜帶RFD設備的工作人員可以從一個ZigBee網絡進入另一個ZigBee網絡，可以在FFD設備接收到的RFD設備的通信協議包中設置無線信號參數，并根據其參數值大小、強弱確定人員的位置。

在系統工作時，現場人員需要佩戴RFD設備，該設備定時發(fā)出通信協議包，并由放置于距施工現場最近的FFD設備接收，根據通信協議包中所設置的無線信號參數判斷位置信息。FFD模塊依據一定算法選擇合適的通信路徑，通過其他FFD模塊以多跳通信或直接的方式將數據包傳送到協調器，再傳入以太網，最終形成數據通過基于ZigBee技術的無線自組織網絡實時地傳輸至監(jiān)控中心，使監(jiān)控人員能夠集中管理，實時掌握人員位置。

根據施工現場的環(huán)境以及結構布置各個ZigBee網絡設備，協調器與中央控制臺以線纜連接。在現場各處每隔幾十米放置一個FFD設備，作為定位參考節(jié)點。RFD節(jié)點、FFD節(jié)點、網絡協調器開機后自動建立網絡。人員佩戴的終端節(jié)點周期性地與附近的定位參考節(jié)點進行通信，通過測量信號強度確定終端節(jié)點的具體位置。FFD模塊通過算法選擇最優(yōu)的通信路徑，通過其他的FFD模塊以多跳通信的方式把數據傳到協調器，再傳入以太網，最終發(fā)送到監(jiān)控中心。

人員定位管理算法主要依據定位卡與基站通信的信號強度和信號質量來進行計算，具體算法如下：

設人員定位卡的信號強度為RSSI，信號質量為LQI，卡號為ID。如圖2所示，由于信號強度與距離成正比，可求得：

K=S1/S2=RSSI1(w)/RSSI2(w)，實際采集輸出信號單位為dB。

因此，兩點定位公式推導為：

其中 y1=0，y2=0，x1、x2為已知基站里程。

利用基站1和基站2求得：

通過基站1、基站2求得定位卡 ID的 x12，同樣可利用基站 2和基站 3求得 x23，x34，…，共n個 x方向的坐標值。按照各基站與定位卡的信號質量LGI進行加權處理，可進一步提高式（2）的計算精度。要進一步求得y值還需測試定位卡隨基站距離變化強度的衰減梯度G=ΔRSSI/ΔS。

3 系統功能設計

（1）隧道人員定位：在隧道的進出口、交叉道口、工作面、地面主要出入口等位置安裝基站。當攜帶有識別卡的人員進入基站檢測范圍時，基站可以將相關人員的身份等信息讀出并傳送回管理中心。定位信息經過管理軟件處理后生成人員分布圖和人員分布表，從而在洞外就可以直觀地看到隧道內人員的分布情況。

（2）路徑跟蹤：該系統可以跟蹤人員在洞內的運動軌跡，記錄他們經過的監(jiān)測點和在各監(jiān)測點的停留時間。

（3）實時通信：洞外管理中心可以通過管理軟件發(fā)送短消息呼叫洞內人員，洞內人員可以通過帶液晶屏的識別卡發(fā)送短消息到洞外管理中心。

（4）考勤統計：該系統具有強大的考勤功能，人員無需排隊靠近基站，100人同時快速進洞也能正確考勤。系統自動記錄人員的進洞、出洞時間，并自動統計生成每日考勤、每月考勤等報表，為隧道施工提供考勤管理基礎信息。

（5）區(qū)域統計：系統可自動統計出各區(qū)域的人數，根據不同的情況采用兩種區(qū)域統計方法。對于有狹長入口的區(qū)域，可以采用入口統計法，與洞口考勤統計方法相同；對于沒有狹長入口的區(qū)域，可以采用基站和統計法，即將區(qū)域中各基站檢測到的人數相加得到區(qū)域總人數。

（6）環(huán)境設備監(jiān)測：對施工現場的某些重要儀器設備進行監(jiān)控以及對重要區(qū)域進行環(huán)境監(jiān)控。無需專職人員看管，并將信息及時反饋給管理中心。

（7）數據存儲：系統具有長期保存數據的能力，將考勤定位信息存入數據庫，并隨時可以方便地查詢到考勤定位歷史信息。

（8）網絡共享：系統具有網絡共享功能，可以通過局域網訪問考勤定位信息，為隧道各部門及上級各層領導及時提供實時監(jiān)測信息與歷史信息，為監(jiān)督指揮決策提供重要依據。

軟件設計采用模塊化設計方法，在增強可讀性的同時便于日后改進和升級。系統軟件流程圖如圖3所示。

本文根據施工現場安全和信息化建設的需要提出的基于ZigBee技術的施工現場人員定位系統能夠有效提高管理效率，減少安全隱患，控制施工成本。該系統能耗低，通信范圍廣，對于施工現場無線通信的設計具有一定的參考意義。

[1]劉杰，李長錄.基于ZigBee技術的礦井人員定位應用研究[J].煤礦安全，2008(12)：71-73.

[2]呂治安.ZigBee網絡原理與應用開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[3]王秀梅，劉乃安.利用 2.4 GHz射頻芯片 CC2420實現ZigBee 無線通信設計[J].國外電子元器件，2005，12（3）：59-62.

[4]原羿，蘇鴻根.基于 Zigbee技術的無線網絡應用研究[J].計算機應用與軟件，2004，21(6)：89-91.