基于ZigBee的礦井人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

高偉霞,張永峰,韓新鳳

（安徽科技學(xué)院 理學(xué)院，安徽 鳳陽 233100）

基于ZigBee的礦井人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

高偉霞,張永峰,韓新鳳

（安徽科技學(xué)院 理學(xué)院，安徽 鳳陽 233100）

針對目前礦井安全存在的問題，以CC2530芯片為系統(tǒng)核心模塊，完成了礦井下人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì).該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)礦井人員定位、考勤和報(bào)警等功能，用于實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警，資源調(diào)配和高效救援.

ZigBee；礦井；節(jié)點(diǎn)；人員定位

瓦斯爆炸，井下突水等安全隱患造成的煤礦傷亡事故不斷，造成大量井下作業(yè)人員的傷亡，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)[1,2].基于RFID的井下人員定位系統(tǒng)被現(xiàn)階段我國大部分煤礦采用，該系統(tǒng)主要完成人員考勤功能，存在漏檢現(xiàn)象，井下人員的動態(tài)分布，特別是事故發(fā)生后精確的人員定位難以實(shí)現(xiàn).因此，基于ZigBee和CAN總線的井下人員定位系統(tǒng)的開發(fā)，成為井下人員定位監(jiān)測系統(tǒng)的迫切需求.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

通過系統(tǒng)的管理，掌握礦井人員的實(shí)時(shí)位置和運(yùn)動軌跡，跟蹤、查找和調(diào)用井下人員，增強(qiáng)煤礦安全工作的規(guī)范，提升應(yīng)付突發(fā)事件的處置能力.由于ZigBee是一種新的短距離，低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有以下特點(diǎn)：低功耗，低成本，低速率，短延時(shí)，網(wǎng)絡(luò)容量大，高可靠性，高安全性等[3,4]，因此，選擇ZigBee技術(shù)的設(shè)計(jì)礦井人員定位管理系統(tǒng)，包括一個(gè)短距離、多跳、自組織無線管理系統(tǒng).

系統(tǒng)主要完成對井下人員定位的監(jiān)測.在井下安裝CAN節(jié)點(diǎn)，在巷道安裝若干個(gè)無線基站，此基站具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和路由功能；入井人員佩帶的安全帽或腰帶，采用CC2530模塊內(nèi)置定位引擎，并具有唯一ID地址用來識別身份和位置信息.當(dāng)入井人員在巷道或工作面等區(qū)域活動時(shí)，安全帽或腰帶中身份卡定時(shí)發(fā)送射頻信號，此信號進(jìn)入無線基站覆蓋的范圍，基站提取該信號的時(shí)間、身份卡ID、位置等信息；然后該基站按Zigbee協(xié)議自組無線網(wǎng)絡(luò)，將信息轉(zhuǎn)發(fā)至下一個(gè)或若干無線基站，最終接入CAN節(jié)點(diǎn).該節(jié)點(diǎn)通過CAN總線將信息傳輸?shù)椒?wù)器.服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定并記錄入井人員的位置、時(shí)間等信息.

通過系統(tǒng)不間斷、定時(shí)的獲取礦井人員的位置信息，用電子地圖描繪其活動軌跡，定時(shí)監(jiān)測特定區(qū)域人數(shù)，實(shí)現(xiàn)礦井人員跟蹤功能；一旦出現(xiàn)突發(fā)事件，立即啟動應(yīng)急預(yù)案，實(shí)現(xiàn)緊急處置的功能.

無線定位網(wǎng)絡(luò)主要由定位節(jié)點(diǎn)、定位讀寫器，ZigBee通信基站、服務(wù)器和遠(yuǎn)程客戶組成，如圖1所示.其中，通信基站安裝在巷道壁上，與CAN總線相連，通信基站分CAN節(jié)點(diǎn)、微控制器、ZigBee節(jié)點(diǎn)3個(gè)部分，ZigBee節(jié)點(diǎn)為全功能設(shè)備（FFD），定位節(jié)點(diǎn)為精簡功能設(shè)備（RFD），RFD只能充當(dāng)終端設(shè)備，且內(nèi)置

定位引擎；FFD可以與RFD或其他FFD通信，但RFD卻只能與FFD通信，由這三類節(jié)點(diǎn)組成以數(shù)據(jù)為中心的無線定位網(wǎng)絡(luò).定位節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)通信距離可達(dá)60m，參考節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通信距離可達(dá)200m，可以實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)；所有定位信息通過網(wǎng)關(guān)傳輸至以IP地址為中心的有線以太網(wǎng)絡(luò)，完成了兩種網(wǎng)絡(luò)模式的信息融合，體現(xiàn)了有線以太網(wǎng)絡(luò)的“無線延伸”.

圖1 礦井人員定位系統(tǒng)示意圖

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

礦井人員定位跟蹤系統(tǒng)設(shè)置功能：工作人員在井口通道上安裝定位讀寫器（參考節(jié)點(diǎn)）.當(dāng)工作人員通過時(shí)，系統(tǒng)立刻記錄下通過人員相關(guān)信息，對井下人員進(jìn)行定位，實(shí)時(shí)地監(jiān)控井下人員的具體位置(誤差范圍內(nèi));能夠進(jìn)行人員下井考勤與相應(yīng)時(shí)間、地點(diǎn)的統(tǒng)計(jì).其它附設(shè)功能：在定位節(jié)點(diǎn)上設(shè)置緊急呼叫按鈕，以便相關(guān)人員遭遇突發(fā)事件時(shí)，可以緊急呼叫，以獲得監(jiān)控中心支援.

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分為數(shù)據(jù)采集層，數(shù)據(jù)存儲層，分析層和信息表示層四個(gè)結(jié)構(gòu)體系.

系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)采集層：入井人員位置和狀態(tài)信息的采集通過ZigBee無線定位網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，然后以數(shù)據(jù)為中心組建無線網(wǎng)絡(luò)，并通過路由節(jié)點(diǎn)將信息傳到監(jiān)控主機(jī)加以處理.

數(shù)據(jù)存儲層完成對來自數(shù)據(jù)采集層的所有數(shù)據(jù)的存儲和更新，為后面的分析層提供數(shù)據(jù)支撐.

分析層綜合處理數(shù)據(jù)存儲層各種信息，分析人員的活動情況，判斷活動是否正常，對各種突發(fā)事件進(jìn)行報(bào)警.

信息表示層將分析決策層的處理結(jié)果通過服務(wù)器實(shí)時(shí)發(fā)布到網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控.

2 系統(tǒng)硬件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

工作人員定位跟蹤系統(tǒng)由三類節(jié)點(diǎn)組成：一是定位節(jié)點(diǎn)，即為移動節(jié)點(diǎn)或稱終端節(jié)點(diǎn)，其位置隨時(shí)變化的，可做成礦帽式或腰帶式標(biāo)簽，具體位置由CC2530內(nèi)置的定位引擎，通過接收參考節(jié)點(diǎn)的接收信號強(qiáng)度顯示（RSSI）值，經(jīng)過定位算法計(jì)算而得到，一般而言，參考節(jié)點(diǎn)越多，定位精度越高.二是參考節(jié)點(diǎn)，即為已知位置的節(jié)點(diǎn)，其物理位置是固定的.采用CC2530設(shè)計(jì)，或稱路由節(jié)點(diǎn)；它為定位節(jié)點(diǎn)提供其坐標(biāo)和RSSI平均值.三是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，采用CC2530與網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展器進(jìn)行設(shè)計(jì)，或稱協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)；它作為數(shù)據(jù)收發(fā)基站能組建一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，將定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及外部環(huán)境參數(shù)傳給地面計(jì)算機(jī).

2.1 定位節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.2.1 定位節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

礦帽式或腰帶式等標(biāo)簽（RFD設(shè)備）是有源電子標(biāo)簽，由入井人員佩戴，用于定位.由帶有USB控制器的CC2531芯片制成，工作頻段為2.4GHzISM，實(shí)現(xiàn)多跳自組無線網(wǎng)絡(luò).設(shè)置求助按鈕，可隨時(shí)向監(jiān)控中心報(bào)告突發(fā)事件.設(shè)計(jì)聲光報(bào)警功能和電池低壓告警功能，在發(fā)生告警后，系統(tǒng)可向指定標(biāo)簽發(fā)送信息.

2.2.2 參考節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

參考節(jié)點(diǎn)（FFD設(shè)備）固定安裝在需要無線信號覆蓋的區(qū)域，采集定位節(jié)點(diǎn)的信號，集中上傳給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn).采用鑄鋁外殼起到防雨、防靜電作用，芯片為CC2530模塊，.通過多個(gè)參考節(jié)點(diǎn)之間的多跳級聯(lián)成無線自組網(wǎng)，與網(wǎng)并節(jié)點(diǎn)通信距離可達(dá)1000m.根據(jù)監(jiān)測區(qū)實(shí)際現(xiàn)場情況，劃定和調(diào)節(jié)信號覆蓋區(qū)域，自動定時(shí)回報(bào)狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)傳送區(qū)域內(nèi)人員定位信息.采用外接12V電源與內(nèi)置3Ah鋰電池相結(jié)合的供電方式，無外接電源可工作12h以上，同時(shí)設(shè)置防拆卸報(bào)警功能.一個(gè)定位區(qū)域通常由8個(gè)參考節(jié)點(diǎn)組成，系統(tǒng)至少有3-4個(gè)參考節(jié)點(diǎn)才能進(jìn)行定位.

2.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在井下監(jiān)控范圍內(nèi)，組建無線定位網(wǎng)絡(luò)的基站，即安裝網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（FFD設(shè)備），發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測任務(wù)，由CC2530芯片為核心的模塊完成數(shù)據(jù)處理，CAN控制器與收發(fā)器負(fù)責(zé)與主機(jī)通信.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee定位一般采用是RSSI(Recevied Signal Strength Index)定位算法，該方法是根據(jù)電磁波信號強(qiáng)度與傳輸距離存在指數(shù)衰減的關(guān)系，并由此來確定未知節(jié)點(diǎn)距基站距離.

RSSI值會隨著距離的增加按如式遞減：

式中n為信號傳播常數(shù)，受信號的傳輸環(huán)境影響；d為接收節(jié)點(diǎn)與發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間的距離；A為距離發(fā)送節(jié)點(diǎn)1米時(shí)的信號強(qiáng)度.

在實(shí)際定位區(qū)域進(jìn)行測量計(jì)算，預(yù)先設(shè)定參數(shù)A和n的取值.由于發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)天線的各向性，A的值并不一定相同，因此需要多次測量取平均值.n的值是不斷變化的，與信號傳播環(huán)境有關(guān)，需要先在定位區(qū)域通過測量得到一組n值，然后在參考節(jié)點(diǎn)布置好以后，嘗試使用不同的值來尋找一個(gè)最適合該區(qū)域環(huán)境的值.

RSSI值由于受到視距和多徑等外界環(huán)境因素影響，會具有比較大的波動性，因此首先進(jìn)行濾波處理，得到一個(gè)比較準(zhǔn)確的值再進(jìn)行計(jì)算.本方案采用高斯濾波模型進(jìn)行RSSI濾波.

高概率發(fā)生區(qū)，選擇概率大于0.6的范圍（一般工程中的經(jīng)驗(yàn)值為0.6）.經(jīng)過高斯濾波后，RSSI的取值范圍為[0.15σ+μ，3.09σ+μ]，其中：

然后再把該范圍內(nèi)的RSSI值取出，求幾何平均值，得到最終的RSSI值，最后參考節(jié)點(diǎn)把這個(gè)RSSI值以及本節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址ID一起發(fā)送到移動目標(biāo)節(jié)點(diǎn).

本系統(tǒng)通過線性回歸分析對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過高斯濾波對RSSI值進(jìn)行修正，提高測距精度.其優(yōu)點(diǎn)；容易提取，與距離成單調(diào)性關(guān)系.

4 結(jié)束語

采用基于RSSI定位算法的ZigBee定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人員定位檢測、運(yùn)動軌跡顯示等功能，有效地提高了監(jiān)控水平，可以實(shí)現(xiàn)礦井人員定位、考勤和報(bào)警等功能，用于實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警，資源調(diào)配和高效救援，有一定實(shí)用價(jià)值.但是，因井下無線信號的多徑傳播的衰減和時(shí)延特性[5]，某種程度上阻礙了無線定位技術(shù)的應(yīng)用，需要對系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行一定的改進(jìn).

〔1〕周邦軍.煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展歷程和趨勢[J].煤礦安全與環(huán)保,2007,37(z1):75-77.

〔2〕李繼林.煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].煤炭技術(shù),2008,27(11):3-5.

〔3〕茍怡,郭海軍.精確定位技術(shù)在煤礦井下的應(yīng)用研究[J].中國煤炭,2010(8):73-75．

〔4〕周怡寤,凌志浩,吳勤勤.ZigBee無線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討[J].自動化儀表,2005,26(6):7-11.

〔5〕張會清,劉林,王普,任明榮，等.隧道中無線電波多徑傳播特性及仿真[J].電子測量與儀器學(xué)報(bào),2008(S2):278-283.

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1673-260X（2014）02-0014-02