基于ZigBee井下自組網(wǎng)的人員定位系統(tǒng)研究

喬 欣 楊漢生 史良馬

（巢湖學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

基于ZigBee井下自組網(wǎng)的人員定位系統(tǒng)研究

喬 欣 楊漢生 史良馬

（巢湖學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

文章針對(duì)井下工況的復(fù)雜環(huán)境，提出一種基于ZigBee井下自組網(wǎng)的人員定位方案。采用RSSI測(cè)距技術(shù)和Min-Max定位以及最小二乘算法實(shí)現(xiàn)井下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位功能；詳細(xì)闡述了節(jié)點(diǎn)之間的通信過(guò)程，利用以CC2530為無(wú)線核心模塊構(gòu)建了定位系統(tǒng)中的關(guān)鍵硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并對(duì)井下人員進(jìn)行定位測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)適用性好，定位精度較高，應(yīng)用價(jià)值廣泛。

ZigBee技術(shù)；RSSI測(cè)距；最小最大法；CC2530

礦難事故不但直接關(guān)系到整個(gè)礦山的生產(chǎn)，而且嚴(yán)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(zhǔn)確而有效地制定救援方案對(duì)救援工作起到至關(guān)重要的作用[2]。目前，被廣泛應(yīng)用的定位技術(shù)主要有 RFID[3]、UWB[4]、GPS、ZigBee[5]等，其中一些技術(shù)由于定位覆蓋范圍不足、技術(shù)不夠成熟、造價(jià)昂貴、能耗高、體積較大等諸多因素的影響，不適合應(yīng)用于井下人員定位系統(tǒng)的需求。

ZigBee技術(shù)具有高抗干擾、低功耗、協(xié)議簡(jiǎn)單、成本低、易擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于定位系統(tǒng)中[6]。基于此，本文提出了一種基于ZigBee井下自組網(wǎng)的人員定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由RSSI測(cè)距技術(shù)與Min-Max定位算法相結(jié)合，以CC2530為核心擴(kuò)展了事故報(bào)警、事故呼救等功能。不但實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下節(jié)點(diǎn)通信環(huán)境內(nèi)的各種傳感器數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，而且通過(guò)ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)氯藛T進(jìn)行精確定位，對(duì)于預(yù)防和指導(dǎo)救援礦井突發(fā)性事故都起到至關(guān)重要的作用，是一種低成本、低功耗、高精度的無(wú)線定位系統(tǒng)。

1 定位原理

基于ZigBee井下自組網(wǎng)的人員定位主要分為兩階段：第一階段是利用RSSI技術(shù)測(cè)量參考節(jié)點(diǎn)到終端節(jié)點(diǎn)之間的估計(jì)距離；第二階段是利用Min-Max定位算法來(lái)確定終端節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

1.1 RSSI測(cè)距階段

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法中，常用的測(cè)距技術(shù)有RSSI定位技術(shù)[7]。常用的信號(hào)傳播模型有自由空間傳播損耗模型與對(duì)數(shù)—常態(tài)分布模型。

自由空間傳播損耗模型：

其中P（d0）是無(wú)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(hào)的頻率。

對(duì)數(shù)—常態(tài)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(shí)的路徑損耗，ξn為均值為0的高斯隨機(jī)分布函數(shù)。

節(jié)點(diǎn)接收信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度為：

式中，RSSI為接收到的功率，Psend為發(fā)射功率，Pamplify為天線增益，通過(guò)（1）（2）（3）式可求節(jié)點(diǎn)間的距離d。

1.2 定位計(jì)算階段

在定位計(jì)算方法中大多采用最小二乘法來(lái)計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，由于Min-Max[8]定位算法具有計(jì)算量小和區(qū)域定位優(yōu)勢(shì)明顯等特點(diǎn)，本文首先利用Min-Max算法快速計(jì)算出礦井人員的初始位置，然后利用最小二乘法對(duì)初始位置進(jìn)行迭代優(yōu)化，進(jìn)一步精確人員位置信息。

Min-Max 定位算法的思想[9]是：假設(shè)（xi，yi）為第 i個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，其中，i=1，2，…，N，N≥3；（x，y）為待求未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，該未知節(jié)點(diǎn)到各參考節(jié)點(diǎn)之間的距離為di，i=1，2，…，N。則根據(jù)Min-Max思想構(gòu)建的矩形區(qū)域可以表示為：

[x-di，y-di]× [x+di，y+di]

矩形重疊區(qū)域?yàn)椋?/p>

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

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于ZigBee井下自組網(wǎng)的人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是由ZigBee協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān) （FFD）、參考節(jié)點(diǎn)（FFD）、終端節(jié)點(diǎn)（RFD）根據(jù)簇型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組建而成。各節(jié)點(diǎn)通過(guò)預(yù)先設(shè)定，分別進(jìn)行唯一編號(hào)，其中，人員身份識(shí)別綁定節(jié)點(diǎn)編號(hào)。ZigBee網(wǎng)關(guān)的作用：接收礦井人員的位置信息及其他安防數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)至以太網(wǎng)、為參考節(jié)點(diǎn)配置網(wǎng)絡(luò)信息及ZigBee協(xié)議設(shè)置。參考節(jié)點(diǎn)在定位過(guò)程中起到輔助定位與協(xié)作傳輸?shù)淖饔茫K端節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中即為未知節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)整體如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

終端節(jié)點(diǎn)也稱(chēng)為待定位節(jié)點(diǎn)，不僅需要實(shí)時(shí)接收井下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)區(qū)域的壓力、溫度、瓦斯、煤塵等數(shù)據(jù)，還需要完成自身定位計(jì)算任務(wù)。因此，我們選擇TI公司生產(chǎn)的CC2530高性能無(wú)線通信模塊作為終端設(shè)備的控制中樞。由于井下密集多徑的環(huán)境，受反射、折射等信號(hào)的干擾，使得傳輸距離受阻，定位性能偏低。文獻(xiàn)[10]通過(guò)仿真說(shuō)明了定位精度與通信半徑的關(guān)系，因此，可以通過(guò)增加通信半徑的方法提高定位精度與覆蓋面。在終端設(shè)計(jì)中，采用擴(kuò)展射頻傳輸距離的方法，外設(shè)一個(gè)射頻功率放大器模塊，提高發(fā)射功率與接收功率，增加了通信覆蓋范圍與定位精度。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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?chē)腪igBee技術(shù)的傳感網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)組網(wǎng)，獲取無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種數(shù)據(jù)，并通過(guò)液晶顯示。

3.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（FFD）與參考節(jié)點(diǎn)（FFD）相比多了CAN控制收/發(fā)器模塊與有線供電，其他的基本相同，故文中只給出ZigBee協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)的原理框圖。ZigBee網(wǎng)關(guān)原理圖如圖3：

圖3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)原理框圖

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)收到路由節(jié)點(diǎn)（參考節(jié)點(diǎn)）的數(shù)據(jù)后通過(guò)CAN控制收/發(fā)器模塊將數(shù)據(jù)經(jīng)以千兆工業(yè)以太網(wǎng)傳輸至上位機(jī)，通過(guò)圖文、表格、動(dòng)畫(huà)等方式顯示當(dāng)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?chē)鷤鞲衅鞯臄?shù)據(jù)等。

3.3 終端節(jié)點(diǎn)的軟件實(shí)現(xiàn)

終端節(jié)點(diǎn)就是井下工作人員配備的的Zig-Bee無(wú)線模塊，通過(guò)自組網(wǎng)方式與周?chē)W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)接收周?chē)鷤鞲衅鲾?shù)據(jù)與完成自身定位等功能。當(dāng)需要井下工作人員的位置信息時(shí)，終端通過(guò)自身的定位程序計(jì)算出自身的位置坐標(biāo)經(jīng)路由節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。定位機(jī)理是將接收到的RSSI值轉(zhuǎn)換為距離信息，根據(jù)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(jié)點(diǎn)工作流程圖

3.4 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的軟件實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在整個(gè)定位系統(tǒng)方案中起到配置網(wǎng)絡(luò)ZigBee協(xié)議、匯聚路由節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)以及將數(shù)據(jù)通過(guò)CAN控制收/發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)到以太網(wǎng)的作用。此外，井上可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)給井下人員發(fā)送信息。其工作流程圖如圖5所示：

圖5 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)工作流程圖

3.5 系統(tǒng)管理軟件結(jié)構(gòu)

井下自組網(wǎng)的人員定位系統(tǒng)結(jié)合了部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與ZigBee自組網(wǎng)，通過(guò)該系統(tǒng)能夠?qū)⒕氯藛T的分布情況、監(jiān)測(cè)區(qū)域的溫度、壓力、瓦斯等數(shù)據(jù)、井下人員的具體位置等信息直觀的通過(guò)上位機(jī)顯示出來(lái)。該系統(tǒng)是基于數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的軟件系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)井下各種數(shù)據(jù)的采集與分析，具有實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)與歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)等功能，同時(shí)通過(guò)井下人員信息查詢(xún)，能夠?qū)氯藛T考勤、調(diào)度等服務(wù)。系統(tǒng)管理軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示：

圖6 系統(tǒng)管理軟件結(jié)構(gòu)框圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

本文在井下覆蓋ZigBee無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)設(shè)立了80m×4m的測(cè)試區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi)設(shè)置了6個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)（FFD），其坐標(biāo)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(jié)點(diǎn)（RFD）在監(jiān)測(cè)區(qū)域隨意走動(dòng)。實(shí)際測(cè)試兩個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸1000包，丟包8個(gè)包，丟包率為0.8%。根據(jù)參考節(jié)點(diǎn)與文中提出的定位算法對(duì)該名工作人員進(jìn)行跟蹤定位，將定位結(jié)果通過(guò)上位機(jī)顯示出來(lái)。另外，本文還對(duì)Min-Max定位算法計(jì)算出來(lái)的初始坐標(biāo)以及最小二乘法優(yōu)化得到的最終坐標(biāo)與井下工作人員的實(shí)際坐標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比分析，ti為觀測(cè)時(shí)間，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，本文提出的定位系統(tǒng)方案定位精度基本可以控制在3m以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足了井下人員定位需求，定位精度較高。

表1 實(shí)際坐標(biāo)與估計(jì)坐標(biāo)對(duì)比

5 結(jié)論

基于ZigBee井下自組網(wǎng)的人員定位系統(tǒng)是由RSSI測(cè)距技術(shù)與Min-Max定位算法設(shè)計(jì)的。該系統(tǒng)首先利用RSSI測(cè)距技術(shù)來(lái)獲得終端節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間的距離，然后利用Min-Max算法快速計(jì)算出礦井人員的初始位置，然后利用最小二乘法對(duì)初始位置進(jìn)行迭代優(yōu)化，進(jìn)一步精確人員位置信息。通過(guò)對(duì)井下工作人員的測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)定位精度較高，功耗以及成本較低，易于實(shí)現(xiàn)，是一種可行的井下人員定位系統(tǒng)解決方案。

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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(zé)任編輯：陳小舉

2017-03-29

安徽省高校省級(jí)自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：KJ2017A449）；校級(jí)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：XLY-201603）

喬欣（1988-），女，安徽宿州人。巢湖學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院，助教。研究方向：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)、ZigBee技術(shù)等。