基于ZigBee的井下人員定位系統的研究

李明學，展影清，田由輝，張雅君

（黑龍江科技學院計算機與信息工程學院，黑龍江哈爾濱 150027）

隨著井下開采的快速進行，井下安全生產仍存在很多安全隱患，導致安全事故的發生。急需建立一套完善的井下人員定位系統來確認井下工作人員在井下的動向及保證其生命安全。而ZigBee無線網絡技術的可靠性高、傳輸速率低、距離短、功耗低等特點恰好是用于井下人員定位系統的最優選擇。

1 井下人員定位系統簡介

煤礦井下人員定位系統用于監測井下人員的位置及進行人員管理的系統。《國家煤礦安全監察局關于完善煤礦井下安全避險“六大系統”的通知（安監總煤裝［2010］146號）》中明確要求建設并完善煤礦井下人員定位系統，發揮井下人員定位系統在定員管理和應急救援工作中的作用。

井下人員定位系統應具備的優點有:

1）系統要有報警功能，對下井超時人員及危險地區進行警示。

2）安全、可靠，可以在惡劣環境下24 h正常工作。在搶險工作中，可以為事故搶險提供人員分布數據依據。

3）可以自動檢測并查詢下井人員的人數，對于井下工作人員的分布情況進行實時跟蹤監控。并將井下人員的分布情況及時反饋到地面監控中心，有利于地面管理人員進行合理的調度管理。

4）可以實現考勤管理功能，便于查詢一人或多人在任一時間段的活動軌跡，獲取員工出勤率。

2 ZigBee無線網絡技術

ZigBee技術伴隨工業自動化對無線網絡的需求產生，工作周期短，傳輸速率低，采用休眠機制，省電，通信時延和從休眠狀態激活的時延均非常短，可工作在2.4 GHz（全球）、868 MHz（歐洲）和915 MHz（美國）3個頻段上，分別具有最高250 kbit/s，20 kbit/s和40 kbit/s的傳輸速率，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。

ZigBee網絡節點有以下三種:協調器節點、路由器節點和終端節點。其中，協調器節點負責網絡的中心控制，路由器節點負責轉發數據，而終端節點負責信息采集，節點數量較多。每個ZigBee網絡節點不僅可以作為監控對象，與其他節點或傳感器連接直接進行數據采集和監控，還可以自動中轉別的網絡節點傳過來的數據資料。另外，每個Zig-Bee網路節點在自己的信號覆蓋范圍內，可以和多個不承擔網絡信息中轉任務的孤立子節點進行無線連接。

ZigBee無線網絡具有自動組織、自動愈合和自動節能的能力。

3 ZigBee協議棧

ZigBee技術是一組基于 IEEE（institute of electrical and electronics）的802.15.4標準規范而研制開發的組網、安全和應用軟件方面的技術標準（圖1）。

ZigBee協議棧以IEEE 802.15.4標準定義的物理層（PHY）和介質訪問控制層（MAC）規范為基礎，定義了網絡層（network layer，NWK）和應用層（application layer，APL）。在應用層中還提供了應用支持子層（application support sub-layer，APS）和 ZigBee 設備對象（ZigBee device objects，ZDO）和用戶自定義的應用對象（manufacturer-defined application objects，MDAO）。

圖1 ZigBee協議棧結構

物理層（PHY）定義了物理無線信道和MAC層間的接口，提供物理層數據服務和管理服務。PHY的主要功能是:ZigBee激活、當前信道的能量檢測、接收信道鏈路的服務信息、ZigBee信道接入和信道頻率選擇及數據傳輸和接收。

介質訪問控制層（MAC）主要負責處理所有的物理無線信道訪問、產生網絡信號和同步信號、支持PAN的連接和分離、為兩個對等MAC實體提供可靠鏈路。其功能主要有:ZigBee協調器產生信標、與信標同步、PAN鏈路的建立和斷開、安全性支持、信道介入放肆采用CSMA/CA機制、處理并維護保護時隙（GTS）機制等。

網絡層（NWK）是ZigBee協議棧的核心部分，它主要實現節點的加入或離開網絡、接收或拋棄其他節點及路由查找和傳送數據等功能。NWK層的功能主要有:網絡發現和形成、允許設備連接、路由器初始化、設備同網絡連接、斷開網絡、重新復位設備、接收機同步及信息庫維護等。

應用層（APL）包括應用支持子層（APS）、ZigBee設備對象（ZDO），ZigBee應用框架（application framework，AF），ZigBee設備模板及制造商定義的應用層對象等。

4 ZigBee定位技術

ZigBee定位技術通過CC2431定位跟蹤引擎來實現，CC2431是Chipcon公司推出的用來實現嵌入式ZigBee應用的片上系統SoC，是世界上首個真正的ZigBee單芯片解決方案，具有芯片可編程閃存，支持全球通用頻段2.4 GHz的 IEEE 802.15.4/ZigBee 協議，滿足高性能、高可靠性、低成本、低功耗的要求。

ZigBee無線定位網絡由ZigBee協調器、ZigBee路由器及ZigBee終端設備組成。無線定位網絡如圖2所示。CC2431定位引擎基于接收信號強度指示（received signal strength indicator，RSSI）技術，根據已知ZigBee路由器位置和RSSI準確計算出ZigBee移動終端，然后將位置信息發送給ZigBee協調器。在日常應用中，CC2431定位精度為35 m，分辨率為0.25 m。

圖2 無線定位網絡示意圖

RSSI指節點接收到的無線信號的強度大小。用RSSI測距法來測量距離不需要額外的硬件設備，實現簡單，且具有低功率和廉價的特點。但是，用RSSI估算節點距離時，RSSI的值會隨著距離的增加而減小，而且受環境的影響較大，但是，RSSI值與距離之間不存在嚴格的函數對應關系，因此，在使用RSSI進行定位時，ZigBee路由器已知信號發射強度，ZigBee終端設備根據接收到的信號強度可以計算出信號的傳播損耗，然后，使用信號傳播模型計算出實際距離，最后通過定位算法確定ZigBee移動終端的位置。

式中:d—ZigBee移動終端與ZigBee路由器之間的距離;

d0—參考距離，一般取1 m;

n—路徑損耗指數，這個指數的變化依賴于建筑物和周圍環境的類型，表示路徑損耗隨距離增加而增大的快慢程度。巷道中一般取24;

Xσ—高斯隨機噪聲變量，單位是dB，其均值為，方差為σ;

PL（d0）—距離ZigBee移動終端距離為d0處節點接收到的接收信號強度值，可以通過實驗或硬件規范協議中得出;

PL（d）—距離ZigBee移動終端距離為d處節點接收到的接收信號強度值。

信號接收端ZigBee路由器的信號強度為:

式中:Pr（d）—ZigBee路由器接收功率，也可以表示為接收信號強度RSSI（d），單位dBm;

Pt—ZigBee移動終端的信號發射功率，單位dBm;

這樣，已知發射功率和接收功率，即可得出PL（d）。

或者，運用以下方法也可得出PL（d）。

已知PL（d0）后，可計算出標準強度值，設為A，則得出:

則式（1）可轉換為:

由此可得，所測距離為:

接收信號強度（RSSI）的理論值是發射功率和發送接收之間距離的函數，并隨距離的增加而減小。如式（10）:

使用RSSI定位易受環境影響，相同的距離在巷道內多徑傳播、反射、人員流動等情況下會產生不同的傳播損耗;而傳播損耗相同時，距離也會有很大差別，因此，測距時，要對系統進行調試，避免RSSI值的不穩定性，確保RSSI能更精確地體現出無線網絡的信號傳播距離。

5 井下人員定位系統設計

系統中主要包括:ZigBee協調器、ZigBee路由器及井下人員攜帶的ZigBee終端設備等。在芯片選擇中，ZigBee協調器選用的是CC2430，ZigBee路由器和ZigBee終端移動節點選用的是ZigBee片上系統芯片CC2431。

CC2430/CC2431芯片和ZigBee協議棧Z-Stack共同提供了最具市場競爭力的ZigBee解決方案。CC2430/CC2431芯片的主要區別在于CC2431有定位引擎，可以實現定位功能，而CC2430無。CC2430的接收信號強度高達-92 dBm，最大發射功率為+0.6 dBm，而最大傳送速率為250 bit/s。它可以在極短時間內從休眠模式轉到活動模式。

系統設計方案是:在礦井下安裝ZigBee協調器和Zig-Bee路由器，由井下人員攜帶ZigBee終端設備進入巷道建立完整的ZigBee無線網絡。ZigBee路由器向ZigBee終端設備發射自身的信號強度，ZigBee終端設備接收后經過分析整理獲取ZigBee路由器的位置信息，并將位置信息傳輸給ZigBee協調器，由ZigBee協調器通過光纖以太網將井下人員的位置信息傳輸到地面控制中心。ZigBee協調器之間通過CAN總線相連，可以快速的將采集到的信息匯總，從而更好的實現井下人員的實時定位。同樣，地面監控中心也可以將數據或報警信息傳輸給井下工作人員。系統設計方案如圖3所示。

6 語結

針對井下工作人員的復雜工作環境及國家對安全生產的嚴格要求，提出以CC2431定位跟蹤引擎來進行定位的ZigBee井下人員定位系統，加強井下人員的管理及其生命安全的保障。

圖3 井下人員定位系統示意圖

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