基于Zigbee網絡礦井下人員定位的硬件系統設計

張艷紅

摘 要：該文研究了Zigbee網絡礦井人員定位硬件系統組網思路與設計。井下硬件擬用參考節點CC2430芯片，定位節點CC2431芯片，礦井人員定位通過無線強度信號衰減（RSSI）方式實現。井上硬件采用服務器，結合使用以太網Ethernet有線網絡和ZigBee無線網絡進行相關數據處理。

關鍵詞：Zigbee技術 CC2430/CC2431 RSSI

中圖分類號：TD76 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（c）-0018-01

近年來，礦井重大、特大事故時有發生，事發后制定救援方案，對井下遇險人員的準確定位是十分重要的。針對礦井下復雜的工作環境，基于Zigbee網絡技術的井下人員無線定位系統具有十分重要的意義。Zigbee網絡整個系統是由地面有線網絡和井下全覆蓋的無線傳感器網絡共同組成。井下巷道內布置有若干個無線信標，無線定位傳感器被植入到礦井人員的礦帽內，無線信標通過對無線傳感器實時信號的搜集和發射，且對礦井人員實時準確的定位，再由無線傳感器網絡將數據的信息實時的傳送至地面的計算機，地面計算機可直接收數據，并對數據進行存儲、計算和分析，這樣就可對井下人員進行實時的監測。該文就Zigbee網絡對礦井人員定位的硬件系統進行研究，該系統主要由井下無線傳感器網絡和地面監控計算機兩大部分構成。

1 井下硬件結構

井下硬件結構采用的是Zigbee網絡定位系統，它分別由移動定位終端、基準定位器、定位分站和礦用光纖等四部分組成。

移動定位終端由zigBee網絡中數量龐大的RFD構成。移動定位終端定時發送數據包給無線網絡，并將查詢的數據發送給監控中心。

基準定位器使用普通或功率增強型Zigbee模塊，定位基準器相當于Zigbee網絡中路由器，為全功能設備（FFD），和井下人員攜帶的移動定位終端進行聯絡，且根據提供信息的數據，再由RSSI計算出移動定位終端數據，并將數據傳送給定位分站。

定位分站作為一個Zigbee網絡的協調器，其總節點是由網絡數據傳輸構成，也是有線網絡和無線網絡的接口，且負責Zigbee網絡的創建、維護及管理。

光纖傳輸子系統采用光纖以太網。光纖傳輸具有頻率特性好、頻帶寬、衰減小、抗電磁干擾能力強等特點，無需中繼補償，信號傳輸的可靠性和質量都得到了提高。

2 井下硬件設計

2.1 Zigbee的選擇

該定位跟蹤系統是基于網絡平臺構建起來的，移動節點定位通過CC2431內部集成的硬件定位引擎而實現，該芯片具有低功耗、抗干擾能力強等特點，適應于井下短距離的無線網絡。為了能降低成本，其中網關及參考節點的主控芯片選用CC2430，移動節點選用CC2431，兩款芯片的主要的差別就是CC2431有跟蹤定位引擎，而CC2430沒有跟蹤定位引擎。

2.2 CC2430/CC2431定位引擎設計

定位引擎基于RSSI技術，且它由定位節點、路由節點和接入節點等組成。如圖1所示，分別對B1、B2和B3的定位節點路由路徑加以說明；其中路由節點、接入節點和定位節點分別由A、甲、乙、B代表。從圖中不難看出B1處于A2和A3兩個節點的檢測的范圍內，因為B1被障礙物阻擋，只能與A2聯絡，而不能與A3聯絡，從圖1中可看出其路由路徑為：

B1--A2--A1--甲--以太網

B3同時處于A3和A4兩個節點的檢測范圍之內，因為B3被障礙物阻擋，只能與A4正常聯絡，而不能與A3聯絡，因此可看出其路由路徑為：

B3--A4--A5--乙--以太網

B2同時處于A3和A4兩個節點的檢測范圍之內，由于B2沒有被任何障礙物所阻擋，因此它能同時和A3、A4同時聯絡，路由路徑為：

B2--A4--A5--乙--以太網

B2--A3--A2--A1--甲--以太網

由此可得，CC2431硬件定位引擎不需占用處理器的時間，只需寫入參考節點坐標和測量參數，就能快速度、高精度處理數據，并計算出移動節點坐標參數，實現定位追蹤。

3 井上硬件結構與設計

井口建立井端服務器，匯接井下采集的現場數據，地面監控計算機負責數據的分析、處理、匯總和統計，并接入Internet網，結合使用以Ethernet（IEEE802.3）有線網絡和Zigbee無線網絡，通過以太網關將無線信息傳送轉變為有線信息的傳送。

4 結語

該文提出了一種基于Zigbee技術的井下人員無線定位系統硬件系統的設計，為礦井事故搶救人員安全和財產安全爭取寶貴有限的時間，很大程度上提高了礦井下救援的效率。

參考文獻

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