基于ZigBee的井下人員定位系統研究

朱慶豪

摘 要： 為了準確掌握煤礦井下人員的數量和位置、遇險后撤退路線、井下的環境監測等情況，研究設計了井下人員定位系統。系統采用ZigBee技術，實現冗余無線自組網絡傳輸數據。系統由井下檢測站、身份識別卡、集中器和管理主機組成，實現對井下人員位置等信息采集，并通過集中器傳輸給上位機，為預防事故、排查隱患、搶險救援等提供方便。

關鍵詞： ZigBee； 定位系統； 身份識別； 井下人員定位

中圖分類號： TN926?34； TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）06?0147?03

Underground personnel positioning system based on ZigBee technology

ZHU Qinghao

（Shandong University of Science and Technology， Taian 271021， China）

Abstract： To accurately grasp the number and location of the persons in underground coal mine， retreat route after disaster， environment monitoring in underground coal mine， etc， the underground personnel positioning system was designed. The ZigBee technology is used in this system to realize the data transmission of the redundant Ad Hoc wireless network. The system is composed of underground testing station， identification card， concentrator and management host， which can realize the information collection of the underground personnel position， and then transmit the information to the host computer through concentrator. The system can provide the convenience for accident prevention， hidden danger checking and emergency rescue.

Keywords： ZigBee； positioning system； identity recognition；undergground personnel positioning

0 引 言

近年來，國家非常重視煤礦安全生產工作，已頒布多項法規明確煤礦開采的必備條件，明確要求準確掌握井下人員的數量和位置、遇險后撤退路線、井下的環境監測等情況。因此，煤礦迫切需要利用相應的礦井人員跟蹤定位設備，全天候對煤礦入井人員進行實時自動跟蹤和考勤，隨時掌握每個員工在井下的位置及活動軌跡、全礦井下人員的位置分布情況以及井下人員位置。在此背景下，筆者等人和山東某礦業集團公司共同開發了基于ZigBee的井下人員定位系統[1]。

本系統采用ZigBee技術，選用Chipcon公司的無線收發模塊CC2430和CC2431，具有功耗低、體積小、成本低等特點；采用冗余無線自組網絡傳輸數據，適用于復雜多變的環境、不方便鋪設傳輸線纜的礦井[2?3]。

1 系統整體方案設計

本系統主要由井下檢測站、身份識別卡、集中器和管理主機組成，檢測站和身份識別卡可以看作ZigBee網絡的節點[4?5]。整個系統中檢測站是固定的，而身份識別卡則是移動的，身份識別卡在移動過程中與各檢測站進行組網。系統示意圖如圖1所示。

其中集中器負責把通過ZigBee網絡采集到的數據轉化為TCP/IP協議接入以太網，以太網內的管理主機通過TCP/IP協議接收數據或者將上位機發送過來的數據傳送給各檢測站。

檢測站負責對識別卡的信息采集和跟蹤定位，采用無線自組網技術和優化的路由算法，使檢測站采集到的識別卡信息和跟蹤定位數據按優化的路由路徑傳到鄰近的檢測站，然后傳到集中器。

身份識別卡由井下人員攜帶（可安裝在礦燈上），用于存儲人員基本信息，在移動過程中與監測站進行自組網，實現人員定位。

管理主機通過軟件處理收到的定位數據并實時顯示井下人員的位置和其他相關信息；管理軟件既可查看井下人員定位信息及考勤記錄情況，也可實時顯示井下人員的所在位置及活動記錄等。

圖1 系統示意圖

2 系統各單元設計

2.1 集中器設計

集中器的核心模塊選用CC2430，它一方面負責接收由上位機提供的檢測站和身份識別卡的配置數據，并根據不同的方式發送給相應的節點（檢測站或身份識別卡）；另一方面接收各檢測站反饋的有效數據并傳輸給上位機。程序中要處理檢測站和身份識別卡的配置數據[6]，包括操作系統值、各節點網絡地址、有效數據長度、坐標數據長度和坐標數據等，其程序設計流程圖如圖2所示。集中器接收、發送參考程序如下：

…… //接收參考程序

LOCATION_XY_RSSI_RESPONSE， //RSSI信號應答

LOCATION_BLINDNODE_FIND_RESPONSE，

//身份識別卡發現應答

LOCATION_BLINDNODE_CONFIG， //身份識別卡信息配置

LOCATION_REFNODE_CONFIG， //檢測站信息配置

……

…… //發送參考程序

LOCATION_XY_RSSI_REQUEST， //RSSI信號請求

LOCATION_BLINDNODE_FIND_REQUEST，

//發現身份識別卡請求

LOCATION_REFNODE_CONFIG， //檢測站信息配置

LOCATION_BLINDNODE_CONFIG， //身份識別卡信息配置

LOCATION_REFNODE_REQUEST_CONFIG，

//檢測站請求配置

LOCATION_BLINDNODE_REQUEST_CONFIG，

//身份識別卡請求配置

……

圖2 集中器程序設計流程圖

2.2 檢測站設計

檢測站為固定節點，其坐標位置（x，y）是固定的，核心模塊選用CC2431，其中6個檢測站為1組確定一個區域的定位，可正確地配置在定位區域中的位置。它可以提供一個包含自己位置x，y坐標和RSSI值的信息包給身份識別卡。程序設計部分處理的數據包括四個部分內容，分別是：RSSI請求（發送收集的RSSI值平均值給身份識別卡）、檢測站信息配置（根據集中器發送的數據配置檢測站的坐標，配置后數據將寫入FLASH中）、檢測站請求配置（發送檢測站自身配置信息坐標給集中器）、收集RSSI值（多次收集自身和身份識別卡之間的RSSI值）[7]，其程序設計流程圖如圖3所示。

圖3 檢測站程序設計流程圖

2.3 身份識別卡設計

身份識別卡是移動節點，可在井下任意區域移動，通過接收定位區域內所有檢測站的RSSI值后，經過定位算法來計算其坐標位置。其核心模塊由CC2431芯片實現，可以實現0.25 m的定位分辨率，定位時間小于40 μs。身份識別卡可以與離自己最近的檢測站通話，收集這些定位節點的x，y坐標和RSSI值，并根據這些信息和輸入參數一起計算自己的位置信息，然后把這些信息反饋給檢測站。這部分程序設計共包含5個方面的信息：xy_RSSI請求、xy_RSSI應答、身份識別卡發現請求、身份識別卡信息配置、身份識別卡請求配置等，其程序設計流程圖如圖4所示。

圖4 身份識別卡程序設計流程圖

2.4 管理主機界面設計

本系統管理主機界面采用模塊化設計，編程語言為VC++[8]。其主要用于設置檢測站位置信息、接收檢測站發送的身份識別卡信息、模擬井下環境和動態顯示井下人員信息等。系統的主要功能模塊包括實時顯示、數據查詢、身份識別卡管理、活動軌跡管理和系統維護等。系統模塊組成如圖5所示。

圖5 管理主機界面系統模塊組成

每個功能模塊的具體功能是：

（1） 實時顯示模塊進行實時分析處理并顯示當前井下各巷道人員分布等情況，當井下人員進入某個監測站的檢測范圍并被檢測到時，管理主機界面即在礦井地圖上相應的位置將該人員以閃爍紅點的方式在屏幕上顯示出來，同時標注該人員的ID號。

（2） 數據查詢模塊主要完成通過各種條件對原始數據進行檢索并匯總的功能，具體包括：查詢井下人員的動態分布數量和情況，查詢每一位井下人員當前位置或指定時間所處的位置，查詢某一指定位置的人員情況等。

（3） 身份識別卡管理模塊包括身份編碼分配、更新、統計匯總等。

（4） 活動軌跡管理模塊主要是記錄井下人員活動軌跡，實現對井下人員活動范圍及軌跡、停留時間及當前所處位置的管理，同時可生成報表打印等。

（5） 系統維護模塊主要是完成對整個管理系統進行初始化操作和對各種與系統相關的重要數據進行維護的功能，如基本信息維護，操作人員維護，巷道各監測站維護和數據庫維護等。

3 結 語

本系統利用CC2431的定位引擎功能，在準確定位的同時也能及時掌握井下人員的工作狀況，為預防事故、排查隱患、搶險救援等提供了方便，極大地減少了事故發生率和人員傷亡率[9?10]。但由于井下環境較差，系統運行中還存在一些不足之處，如在抗干擾、信號傳輸等方面需進一步完善。

參考文獻

[1] 安葳鵬，沈志廣，潘亞峰.基于ZigBee井下人員定位系統關鍵問題研究[J].煤礦安全，2009（5）：71?73.

[2] 李洪宇.井下人員定位系統[D].青島：山東科技大學，2004.

[3] 致遠電子.ZigBee技術在井下安全中的應用[J].電子技術應用，2011（5）：18?19.

[4] 彭燕.基于ZigBee 的無線傳感器網絡研究[J].現代電子技術，2011，34（5）：49?51.

[5] 李小珉，趙志宏，郭志，等.ZigBee無線傳感器網絡的研究與實現[J].電子測量技術，2007，30（6）：133?137.

[6] 張玉英，龍玥.基于ZigBee技術的煤礦安全檢測系統設計[J].煤礦機械，2013（10）：63?64.

[7] 王志中，董愛華.ZigBee技術及其在井下人員定位系統中的應用[J].煤礦安全，2008（5）：62?64.

[8] 錢能.C++程序設計教程[M].北京：清華大學出版社，1999.

[9] 徐春妹，陳芳芳.井下人員定位系統[J].無線通信技術，2006（3）：52?54.

[10] 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（8）：884?888.