頭盔式煤礦井下人員無線定位跟蹤系統設計與實現

摘要：基于對BlueTeeth、Wi-Fi、ZigBee、UWB技術的分析和比較，設計了基于ZigBee無線通信技術的頭盔式煤礦井下人員定位跟蹤系統。重點介紹了井下人員無線定位跟蹤系統的結構、網絡組成及目標節點的定位過程。該系統便于煤礦管理人員及時了解井下人員分布情況與運動軌跡。

關鍵詞：ZigBee技術定位跟蹤移動目標

在煤礦系統中，礦井危險事故時有發生。只有獲得受困工人準確的位置信息，搶救工作才能保證及時而又避免誤傷。因此，設計安裝一套煤礦井下人員的定位跟蹤系統，成為一項十分緊迫的任務。

1方案的比較與選取

表1所示為四種無線通信方式的性能參數比較。

由表1可以看出ZigBee技術的優勢是成本低、功耗小，而針對于煤炭行業資金不足、煤礦井下巷道曲折多變、風門眾多、電源供電控制嚴格的特點非常適合應用Zig-Bee技術。雖然ZigBee技術的數據傳輸率不高，但足以滿足定位系統的傳輸速度要求。

本方案選用2.4GHz頻段的全球通用的ZigBee技術，采用基于ZigBee的無線傳感器網絡設計方案實現井下人員定位。在定位算法方面，采用國際上最先進的RSSI（接收訊號強度指標）算法，實現礦工的精確定位。

2定位跟蹤系統的組成

定位跟蹤系統主要由井上和井下2部分組成。井上部分包括大屏幕、計算機網絡、485或光纖傳輸介質等。井下部分采用以太網技術，按照網絡拓撲結構進行模塊設置，每個網絡模塊由一個無線定位網絡和若干個移動目標節點組成，定位網絡節點簡稱FFD，移動目標節點簡稱RFD。系統組成如圖1所示。

2.1ZigBee無線定位網絡組成ZigBee無線定位網絡的有網關、參考和定位節點三個部分，網關節點完成有線與無線信號的切換，參考節點為移動目標節點提供參考坐標與信號強度信息，網關和參考節點均以cc2430芯片為核心。移動目標節點以cc2431芯片為核心。

針對現場環境要求，沿巷道每隔45～180m，或者工作面高度降低45m時，在巷道合適位置（如巷道兩側頂部）設置參考節點，合理布局定位節點，安置完成的網絡模塊會自動形成一個ZigBee無線定位通信網絡。每個節點模塊的標識地址都是唯一的。為保證ZigBee網絡的可靠通信，網絡模塊布局要保證每個模塊可以保持與兩個以上的模塊實時通信。

2.2移動目標節點將基于ZigBee并具有身份識別功能的無線模塊制作成一個便攜式裝置，并置于井下作業人員的頭盔式安全帽內，完成無線收發功能。為了節省電力，利用IEEE802.15.4無線傳輸技術對模塊的休眠、喚醒過程合理地控制，模塊自身也只是每隔10～30s向鄰近的定位網絡節點發射身份地址碼信號。每個下井的作業人員，都隨身佩戴這樣一個標志唯一身份地址的裝置，其位置參數的獲得來自于利用無線信號的強弱與定位節點的距離對照換算，理論上定位精度很高，可以達到2.5m。

3定位過程

cc2431模塊自帶了一個用于定位的引擎硬件，該引擎是在節點層面根據網絡中的已知定位節點所接收到的無線信號強度值（RSSI）采用分布式算法對移動目標節點的位置完成估算。其計算原理是：由于通過預先實際環境的測量獲得了信號強度與距離的函數關系，因此依據信號的強度，定位引擎可以通過已知的定位節點來確定與正在進行通信的移動目標節點之間的距離。只要利用兩個定位節點來計算所獲得的此目標節點的信號強度值，該移動目標的具體位置就可以確定。

4結語

通過比較B1ueTeeth、Wi-Fi、ZigBee、UWB這四種無線通信技術的具體特點，選取了基于ZigBee技術設計的頭盔式煤礦井下人員無線定位跟蹤系統的設計方案，并對系統的設計進行了重點闡述，詳細說明了無線定位跟蹤的實現流程，該設計方案中無線定位跟蹤系統非常適合于煤礦的井下人員使用。

參考文獻：

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[3]謝曉佳，程麗君，王勇.基于zigbee網絡平臺的井下人員跟蹤定位系統[J].煤炭學報，2007，32（8）.

作者簡介：

左翠紅（1966-），女，山東威海人，教授，主要從事電氣自動化方面的教學與研究工作。