基于ZigBee的井下人員定位系統(tǒng)的研究

李明學，展影清，田由輝，張雅君

（黑龍江科技學院計算機與信息工程學院，黑龍江哈爾濱 150027）

隨著井下開采的快速進行，井下安全生產(chǎn)仍存在很多安全隱患，導致安全事故的發(fā)生。急需建立一套完善的井下人員定位系統(tǒng)來確認井下工作人員在井下的動向及保證其生命安全。而ZigBee無線網(wǎng)絡技術的可靠性高、傳輸速率低、距離短、功耗低等特點恰好是用于井下人員定位系統(tǒng)的最優(yōu)選擇。

1 井下人員定位系統(tǒng)簡介

煤礦井下人員定位系統(tǒng)用于監(jiān)測井下人員的位置及進行人員管理的系統(tǒng)?！秶颐旱V安全監(jiān)察局關于完善煤礦井下安全避險“六大系統(tǒng)”的通知（安監(jiān)總煤裝［2010］146號）》中明確要求建設并完善煤礦井下人員定位系統(tǒng)，發(fā)揮井下人員定位系統(tǒng)在定員管理和應急救援工作中的作用。

井下人員定位系統(tǒng)應具備的優(yōu)點有:

1）系統(tǒng)要有報警功能，對下井超時人員及危險地區(qū)進行警示。

2）安全、可靠，可以在惡劣環(huán)境下24 h正常工作。在搶險工作中，可以為事故搶險提供人員分布數(shù)據(jù)依據(jù)。

3）可以自動檢測并查詢下井人員的人數(shù)，對于井下工作人員的分布情況進行實時跟蹤監(jiān)控。并將井下人員的分布情況及時反饋到地面監(jiān)控中心，有利于地面管理人員進行合理的調度管理。

4）可以實現(xiàn)考勤管理功能，便于查詢一人或多人在任一時間段的活動軌跡，獲取員工出勤率。

2 ZigBee無線網(wǎng)絡技術

ZigBee技術伴隨工業(yè)自動化對無線網(wǎng)絡的需求產(chǎn)生，工作周期短，傳輸速率低，采用休眠機制，省電，通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延均非常短，可工作在2.4 GHz（全球）、868 MHz（歐洲）和915 MHz（美國）3個頻段上，分別具有最高250 kbit/s，20 kbit/s和40 kbit/s的傳輸速率，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備進行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽谩?/p>

ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點有以下三種:協(xié)調器節(jié)點、路由器節(jié)點和終端節(jié)點。其中，協(xié)調器節(jié)點負責網(wǎng)絡的中心控制，路由器節(jié)點負責轉發(fā)數(shù)據(jù)，而終端節(jié)點負責信息采集，節(jié)點數(shù)量較多。每個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點不僅可以作為監(jiān)控對象，與其他節(jié)點或傳感器連接直接進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉別的網(wǎng)絡節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料。另外，每個Zig-Bee網(wǎng)路節(jié)點在自己的信號覆蓋范圍內，可以和多個不承擔網(wǎng)絡信息中轉任務的孤立子節(jié)點進行無線連接。

ZigBee無線網(wǎng)絡具有自動組織、自動愈合和自動節(jié)能的能力。

3 ZigBee協(xié)議棧

ZigBee技術是一組基于 IEEE（institute of electrical and electronics）的802.15.4標準規(guī)范而研制開發(fā)的組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術標準（圖1）。

ZigBee協(xié)議棧以IEEE 802.15.4標準定義的物理層（PHY）和介質訪問控制層（MAC）規(guī)范為基礎，定義了網(wǎng)絡層（network layer，NWK）和應用層（application layer，APL）。在應用層中還提供了應用支持子層（application support sub-layer，APS）和 ZigBee 設備對象（ZigBee device objects，ZDO）和用戶自定義的應用對象（manufacturer-defined application objects，MDAO）。

圖1 ZigBee協(xié)議棧結構

物理層（PHY）定義了物理無線信道和MAC層間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務和管理服務。PHY的主要功能是:ZigBee激活、當前信道的能量檢測、接收信道鏈路的服務信息、ZigBee信道接入和信道頻率選擇及數(shù)據(jù)傳輸和接收。

介質訪問控制層（MAC）主要負責處理所有的物理無線信道訪問、產(chǎn)生網(wǎng)絡信號和同步信號、支持PAN的連接和分離、為兩個對等MAC實體提供可靠鏈路。其功能主要有:ZigBee協(xié)調器產(chǎn)生信標、與信標同步、PAN鏈路的建立和斷開、安全性支持、信道介入放肆采用CSMA/CA機制、處理并維護保護時隙（GTS）機制等。

網(wǎng)絡層（NWK）是ZigBee協(xié)議棧的核心部分，它主要實現(xiàn)節(jié)點的加入或離開網(wǎng)絡、接收或拋棄其他節(jié)點及路由查找和傳送數(shù)據(jù)等功能。NWK層的功能主要有:網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)和形成、允許設備連接、路由器初始化、設備同網(wǎng)絡連接、斷開網(wǎng)絡、重新復位設備、接收機同步及信息庫維護等。

應用層（APL）包括應用支持子層（APS）、ZigBee設備對象（ZDO），ZigBee應用框架（application framework，AF），ZigBee設備模板及制造商定義的應用層對象等。

4 ZigBee定位技術

ZigBee定位技術通過CC2431定位跟蹤引擎來實現(xiàn)，CC2431是Chipcon公司推出的用來實現(xiàn)嵌入式ZigBee應用的片上系統(tǒng)SoC，是世界上首個真正的ZigBee單芯片解決方案，具有芯片可編程閃存，支持全球通用頻段2.4 GHz的 IEEE 802.15.4/ZigBee 協(xié)議，滿足高性能、高可靠性、低成本、低功耗的要求。

ZigBee無線定位網(wǎng)絡由ZigBee協(xié)調器、ZigBee路由器及ZigBee終端設備組成。無線定位網(wǎng)絡如圖2所示。CC2431定位引擎基于接收信號強度指示（received signal strength indicator，RSSI）技術，根據(jù)已知ZigBee路由器位置和RSSI準確計算出ZigBee移動終端，然后將位置信息發(fā)送給ZigBee協(xié)調器。在日常應用中，CC2431定位精度為35 m，分辨率為0.25 m。

圖2 無線定位網(wǎng)絡示意圖

RSSI指節(jié)點接收到的無線信號的強度大小。用RSSI測距法來測量距離不需要額外的硬件設備，實現(xiàn)簡單，且具有低功率和廉價的特點。但是，用RSSI估算節(jié)點距離時，RSSI的值會隨著距離的增加而減小，而且受環(huán)境的影響較大，但是，RSSI值與距離之間不存在嚴格的函數(shù)對應關系，因此，在使用RSSI進行定位時，ZigBee路由器已知信號發(fā)射強度，ZigBee終端設備根據(jù)接收到的信號強度可以計算出信號的傳播損耗，然后，使用信號傳播模型計算出實際距離，最后通過定位算法確定ZigBee移動終端的位置。

式中:d—ZigBee移動終端與ZigBee路由器之間的距離;

d0—參考距離，一般取1 m;

n—路徑損耗指數(shù)，這個指數(shù)的變化依賴于建筑物和周圍環(huán)境的類型，表示路徑損耗隨距離增加而增大的快慢程度。巷道中一般取24;

Xσ—高斯隨機噪聲變量，單位是dB，其均值為，方差為σ;

PL（d0）—距離ZigBee移動終端距離為d0處節(jié)點接收到的接收信號強度值，可以通過實驗或硬件規(guī)范協(xié)議中得出;

PL（d）—距離ZigBee移動終端距離為d處節(jié)點接收到的接收信號強度值。

信號接收端ZigBee路由器的信號強度為:

式中:Pr（d）—ZigBee路由器接收功率，也可以表示為接收信號強度RSSI（d），單位dBm;

Pt—ZigBee移動終端的信號發(fā)射功率，單位dBm;

這樣，已知發(fā)射功率和接收功率，即可得出PL（d）。

或者，運用以下方法也可得出PL（d）。

已知PL（d0）后，可計算出標準強度值，設為A，則得出:

則式（1）可轉換為:

由此可得，所測距離為:

接收信號強度（RSSI）的理論值是發(fā)射功率和發(fā)送接收之間距離的函數(shù)，并隨距離的增加而減小。如式（10）:

使用RSSI定位易受環(huán)境影響，相同的距離在巷道內多徑傳播、反射、人員流動等情況下會產(chǎn)生不同的傳播損耗;而傳播損耗相同時，距離也會有很大差別，因此，測距時，要對系統(tǒng)進行調試，避免RSSI值的不穩(wěn)定性，確保RSSI能更精確地體現(xiàn)出無線網(wǎng)絡的信號傳播距離。

5 井下人員定位系統(tǒng)設計

系統(tǒng)中主要包括:ZigBee協(xié)調器、ZigBee路由器及井下人員攜帶的ZigBee終端設備等。在芯片選擇中，ZigBee協(xié)調器選用的是CC2430，ZigBee路由器和ZigBee終端移動節(jié)點選用的是ZigBee片上系統(tǒng)芯片CC2431。

CC2430/CC2431芯片和ZigBee協(xié)議棧Z-Stack共同提供了最具市場競爭力的ZigBee解決方案。CC2430/CC2431芯片的主要區(qū)別在于CC2431有定位引擎，可以實現(xiàn)定位功能，而CC2430無。CC2430的接收信號強度高達-92 dBm，最大發(fā)射功率為+0.6 dBm，而最大傳送速率為250 bit/s。它可以在極短時間內從休眠模式轉到活動模式。

系統(tǒng)設計方案是:在礦井下安裝ZigBee協(xié)調器和Zig-Bee路由器，由井下人員攜帶ZigBee終端設備進入巷道建立完整的ZigBee無線網(wǎng)絡。ZigBee路由器向ZigBee終端設備發(fā)射自身的信號強度，ZigBee終端設備接收后經(jīng)過分析整理獲取ZigBee路由器的位置信息，并將位置信息傳輸給ZigBee協(xié)調器，由ZigBee協(xié)調器通過光纖以太網(wǎng)將井下人員的位置信息傳輸?shù)降孛婵刂浦行摹igBee協(xié)調器之間通過CAN總線相連，可以快速的將采集到的信息匯總，從而更好的實現(xiàn)井下人員的實時定位。同樣，地面監(jiān)控中心也可以將數(shù)據(jù)或報警信息傳輸給井下工作人員。系統(tǒng)設計方案如圖3所示。

6 語結

針對井下工作人員的復雜工作環(huán)境及國家對安全生產(chǎn)的嚴格要求，提出以CC2431定位跟蹤引擎來進行定位的ZigBee井下人員定位系統(tǒng)，加強井下人員的管理及其生命安全的保障。

圖3 井下人員定位系統(tǒng)示意圖

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