基于ZigBee井下自組網的人員定位系統研究

喬 欣 楊漢生 史良馬

（巢湖學院，安徽 巢湖 238000）

基于ZigBee井下自組網的人員定位系統研究

喬 欣 楊漢生 史良馬

（巢湖學院，安徽 巢湖 238000）

文章針對井下工況的復雜環境，提出一種基于ZigBee井下自組網的人員定位方案。采用RSSI測距技術和Min-Max定位以及最小二乘算法實現井下無線傳感器網絡的定位功能；詳細闡述了節點之間的通信過程，利用以CC2530為無線核心模塊構建了定位系統中的關鍵硬件設計和軟件設計，并對井下人員進行定位測試。實驗結果表明，該系統適用性好，定位精度較高，應用價值廣泛。

ZigBee技術；RSSI測距；最小最大法；CC2530

礦難事故不但直接關系到整個礦山的生產，而且嚴重威脅著井下工作人員的人身安全[1]。如何迅速精確的掌握礦工在井下的分布情況以及準確而有效地制定救援方案對救援工作起到至關重要的作用[2]。目前，被廣泛應用的定位技術主要有 RFID[3]、UWB[4]、GPS、ZigBee[5]等，其中一些技術由于定位覆蓋范圍不足、技術不夠成熟、造價昂貴、能耗高、體積較大等諸多因素的影響，不適合應用于井下人員定位系統的需求。

ZigBee技術具有高抗干擾、低功耗、協議簡單、成本低、易擴展等優勢被廣泛應用于定位系統中[6]。基于此，本文提出了一種基于ZigBee井下自組網的人員定位系統，該系統是由RSSI測距技術與Min-Max定位算法相結合，以CC2530為核心擴展了事故報警、事故呼救等功能。不但實現了對井下節點通信環境內的各種傳感器數據的監測，而且通過ZigBee無線傳感器網絡能夠對井下人員進行精確定位，對于預防和指導救援礦井突發性事故都起到至關重要的作用，是一種低成本、低功耗、高精度的無線定位系統。

1 定位原理

基于ZigBee井下自組網的人員定位主要分為兩階段：第一階段是利用RSSI技術測量參考節點到終端節點之間的估計距離；第二階段是利用Min-Max定位算法來確定終端節點的坐標。

1.1 RSSI測距階段

在無線傳感器網絡定位算法中，常用的測距技術有RSSI定位技術[7]。常用的信號傳播模型有自由空間傳播損耗模型與對數—常態分布模型。

自由空間傳播損耗模型：

其中P（d0）是無線電傳播距離d0的路徑損耗，k為路徑損耗因子，通常取2—5之間，f為信號的頻率。

對數—常態分布模型：

式中，P（d）是傳輸距離為d的路徑損耗，P（d0）是傳輸距離為 d0=1m 時的路徑損耗，ξn為均值為0的高斯隨機分布函數。

節點接收信標節點的信號強度為：

式中，RSSI為接收到的功率，Psend為發射功率，Pamplify為天線增益，通過（1）（2）（3）式可求節點間的距離d。

1.2 定位計算階段

在定位計算方法中大多采用最小二乘法來計算未知節點的坐標，由于Min-Max[8]定位算法具有計算量小和區域定位優勢明顯等特點，本文首先利用Min-Max算法快速計算出礦井人員的初始位置，然后利用最小二乘法對初始位置進行迭代優化，進一步精確人員位置信息。

Min-Max 定位算法的思想[9]是：假設（xi，yi）為第 i個參考節點的坐標，其中，i=1，2，…，N，N≥3；（x，y）為待求未知節點的坐標，該未知節點到各參考節點之間的距離為di，i=1，2，…，N。則根據Min-Max思想構建的矩形區域可以表示為：

[x-di，y-di]× [x+di，y+di]

矩形重疊區域為：

[max（x-di），max（y-di）]× [min（x+di），min（y+di）]求取矩形重疊區域的質心即為未知節點的初始坐標。然后利用最小二乘法進一步精確人員位置信息。

2 系統實現

基于ZigBee井下自組網的人員定位系統的設計是由ZigBee協調器網關 （FFD）、參考節點（FFD）、終端節點（RFD）根據簇型網絡拓撲結構組建而成。各節點通過預先設定，分別進行唯一編號，其中，人員身份識別綁定節點編號。ZigBee網關的作用：接收礦井人員的位置信息及其他安防數據并轉發至以太網、為參考節點配置網絡信息及ZigBee協議設置。參考節點在定位過程中起到輔助定位與協作傳輸的作用，終端節點在系統中即為未知節點。系統整體如圖1所示：

圖1 系統整體結構圖

3 系統設計

3.1 終端節點硬件結構

終端節點也稱為待定位節點，不僅需要實時接收井下無線傳感器網絡監測區域的壓力、溫度、瓦斯、煤塵等數據，還需要完成自身定位計算任務。因此，我們選擇TI公司生產的CC2530高性能無線通信模塊作為終端設備的控制中樞。由于井下密集多徑的環境，受反射、折射等信號的干擾，使得傳輸距離受阻，定位性能偏低。文獻[10]通過仿真說明了定位精度與通信半徑的關系，因此，可以通過增加通信半徑的方法提高定位精度與覆蓋面。在終端設計中，采用擴展射頻傳輸距離的方法，外設一個射頻功率放大器模塊，提高發射功率與接收功率，增加了通信覆蓋范圍與定位精度。系統硬件結構如圖2所示：

圖2 終端硬件原理框圖

配備終端的井下工作人員，能夠與周圍的ZigBee技術的傳感網絡自動組網，獲取無線傳感器網絡的各種數據，并通過液晶顯示。

3.2 網關節點硬件結構

網關節點（FFD）與參考節點（FFD）相比多了CAN控制收/發器模塊與有線供電，其他的基本相同，故文中只給出ZigBee協調器網關的原理框圖。ZigBee網關原理圖如圖3：

圖3 網關節點原理框圖

網關節點收到路由節點（參考節點）的數據后通過CAN控制收/發器模塊將數據經以千兆工業以太網傳輸至上位機，通過圖文、表格、動畫等方式顯示當前工作人員位置信息、井下人員分布情況、終端電量以及其周圍傳感器的數據等。

3.3 終端節點的軟件實現

終端節點就是井下工作人員配備的的Zig-Bee無線模塊，通過自組網方式與周圍網絡進行通信，實現接收周圍傳感器數據與完成自身定位等功能。當需要井下工作人員的位置信息時，終端通過自身的定位程序計算出自身的位置坐標經路由節點傳輸到上位機。定位機理是將接收到的RSSI值轉換為距離信息，根據Min-Max定位算法估算出工作人員的具體位置。定位軟件流程圖如圖4：

圖4 終端節點工作流程圖

3.4 網關節點的軟件實現

網關節點在整個定位系統方案中起到配置網絡ZigBee協議、匯聚路由節點數據以及將數據通過CAN控制收/發器轉發到以太網的作用。此外，井上可以通過網關節點給井下人員發送信息。其工作流程圖如圖5所示：

圖5 網關節點工作流程圖

3.5 系統管理軟件結構

井下自組網的人員定位系統結合了部署在監測區域的無線傳感網絡與ZigBee自組網，通過該系統能夠將井下人員的分布情況、監測區域的溫度、壓力、瓦斯等數據、井下人員的具體位置等信息直觀的通過上位機顯示出來。該系統是基于數據庫技術的軟件系統，通過對井下各種數據的采集與分析，具有實時在線監測與歷史數據查詢等功能，同時通過井下人員信息查詢，能夠對井下人員考勤、調度等服務。系統管理軟件結構框圖如圖6所示：

圖6 系統管理軟件結構框圖

4 系統測試

本文在井下覆蓋ZigBee無線自組織網絡設立了80m×4m的測試區域。在該區域內設置了6個路由器節點（FFD），其坐標分別為（0，0）（16，4）（32，0）（48，4）（64，0）（80，4），另外讓一名工作人員攜帶終端節點（RFD）在監測區域隨意走動。實際測試兩個節點傳輸1000包，丟包8個包，丟包率為0.8%。根據參考節點與文中提出的定位算法對該名工作人員進行跟蹤定位，將定位結果通過上位機顯示出來。另外，本文還對Min-Max定位算法計算出來的初始坐標以及最小二乘法優化得到的最終坐標與井下工作人員的實際坐標進行了對比分析，ti為觀測時間，實驗結果如表1所示。從表中可以看出，本文提出的定位系統方案定位精度基本可以控制在3m以內，滿足了井下人員定位需求，定位精度較高。

表1 實際坐標與估計坐標對比

5 結論

基于ZigBee井下自組網的人員定位系統是由RSSI測距技術與Min-Max定位算法設計的。該系統首先利用RSSI測距技術來獲得終端節點與參考節點之間的距離，然后利用Min-Max算法快速計算出礦井人員的初始位置，然后利用最小二乘法對初始位置進行迭代優化，進一步精確人員位置信息。通過對井下工作人員的測試結果表明，該系統定位精度較高，功耗以及成本較低，易于實現，是一種可行的井下人員定位系統解決方案。

參考文獻：

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THE RESEARCH ON THE PERSONNEL POSITIONING SYSTEM BASED ON ZIGBEE UNDERGROUND AD HOC NETWORKS

QIAO Xin YANG Han-sheng SHI Liang-ma
（Chaohu College， Chaohu Anhui 238000）

Due to the complex environment of underground working conditions,this paper puts forward a personnel positioning system based on ZigBee underground ad hoc networks.The system uses RSSI ranging technology,Min-Max positioning and LSM algorithm to achieve the positioning function for the underground wireless sensor network and utilizes CC2530 as the wireless core module to build the critical hardware and software design of positioning system.It also elaborates on the communication process between the nodes.By the positioning test for underground personnel,it shows that the system has high applicability and positioning accuracy with wide application value.

ZigBee technology； RSSI ranging； Min-Max； CC2530

TP393.17

A

：1672-2868（2017）03-0093-06

責任編輯：陳小舉

2017-03-29

安徽省高校省級自然科學基金重點項目（項目編號：KJ2017A449）；校級項目（項目編號：XLY-201603）

喬欣（1988-），女，安徽宿州人。巢湖學院機械與電子工程學院，助教。研究方向：無線傳感器網絡定位技術、ZigBee技術等。