頭盔式煤礦井下人員無(wú)線定位跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：基于對(duì)BlueTeeth、Wi-Fi、ZigBee、UWB技術(shù)的分析和比較，設(shè)計(jì)了基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)的頭盔式煤礦井下人員定位跟蹤系統(tǒng)。重點(diǎn)介紹了井下人員無(wú)線定位跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)組成及目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位過(guò)程。該系統(tǒng)便于煤礦管理人員及時(shí)了解井下人員分布情況與運(yùn)動(dòng)軌跡。

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)定位跟蹤移動(dòng)目標(biāo)

在煤礦系統(tǒng)中，礦井危險(xiǎn)事故時(shí)有發(fā)生。只有獲得受困工人準(zhǔn)確的位置信息，搶救工作才能保證及時(shí)而又避免誤傷。因此，設(shè)計(jì)安裝一套煤礦井下人員的定位跟蹤系統(tǒng)，成為一項(xiàng)十分緊迫的任務(wù)。

1方案的比較與選取

表1所示為四種無(wú)線通信方式的性能參數(shù)比較。

由表1可以看出ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是成本低、功耗小，而針對(duì)于煤炭行業(yè)資金不足、煤礦井下巷道曲折多變、風(fēng)門(mén)眾多、電源供電控制嚴(yán)格的特點(diǎn)非常適合應(yīng)用Zig-Bee技術(shù)。雖然ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸率不高，但足以滿足定位系統(tǒng)的傳輸速度要求。

本方案選用2.4GHz頻段的全球通用的ZigBee技術(shù)，采用基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)井下人員定位。在定位算法方面，采用國(guó)際上最先進(jìn)的RSSI（接收訊號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)）算法，實(shí)現(xiàn)礦工的精確定位。

2定位跟蹤系統(tǒng)的組成

定位跟蹤系統(tǒng)主要由井上和井下2部分組成。井上部分包括大屏幕、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、485或光纖傳輸介質(zhì)等。井下部分采用以太網(wǎng)技術(shù)，按照網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊設(shè)置，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)模塊由一個(gè)無(wú)線定位網(wǎng)絡(luò)和若干個(gè)移動(dòng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成，定位網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)稱(chēng)FFD，移動(dòng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)稱(chēng)RFD。系統(tǒng)組成如圖1所示。

2.1ZigBee無(wú)線定位網(wǎng)絡(luò)組成ZigBee無(wú)線定位網(wǎng)絡(luò)的有網(wǎng)關(guān)、參考和定位節(jié)點(diǎn)三個(gè)部分，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)完成有線與無(wú)線信號(hào)的切換，參考節(jié)點(diǎn)為移動(dòng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)提供參考坐標(biāo)與信號(hào)強(qiáng)度信息，網(wǎng)關(guān)和參考節(jié)點(diǎn)均以cc2430芯片為核心。移動(dòng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)以cc2431芯片為核心。

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求，沿巷道每隔45～180m，或者工作面高度降低45m時(shí)，在巷道合適位置（如巷道兩側(cè)頂部）設(shè)置參考節(jié)點(diǎn)，合理布局定位節(jié)點(diǎn)，安置完成的網(wǎng)絡(luò)模塊會(huì)自動(dòng)形成一個(gè)ZigBee無(wú)線定位通信網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊的標(biāo)識(shí)地址都是唯一的。為保證ZigBee網(wǎng)絡(luò)的可靠通信，網(wǎng)絡(luò)模塊布局要保證每個(gè)模塊可以保持與兩個(gè)以上的模塊實(shí)時(shí)通信。

2.2移動(dòng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)將基于ZigBee并具有身份識(shí)別功能的無(wú)線模塊制作成一個(gè)便攜式裝置，并置于井下作業(yè)人員的頭盔式安全帽內(nèi)，完成無(wú)線收發(fā)功能。為了節(jié)省電力，利用IEEE802.15.4無(wú)線傳輸技術(shù)對(duì)模塊的休眠、喚醒過(guò)程合理地控制，模塊自身也只是每隔10～30s向鄰近的定位網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)射身份地址碼信號(hào)。每個(gè)下井的作業(yè)人員，都隨身佩戴這樣一個(gè)標(biāo)志唯一身份地址的裝置，其位置參數(shù)的獲得來(lái)自于利用無(wú)線信號(hào)的強(qiáng)弱與定位節(jié)點(diǎn)的距離對(duì)照換算，理論上定位精度很高，可以達(dá)到2.5m。

3定位過(guò)程

cc2431模塊自帶了一個(gè)用于定位的引擎硬件，該引擎是在節(jié)點(diǎn)層面根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的已知定位節(jié)點(diǎn)所接收到的無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度值（RSSI）采用分布式算法對(duì)移動(dòng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置完成估算。其計(jì)算原理是：由于通過(guò)預(yù)先實(shí)際環(huán)境的測(cè)量獲得了信號(hào)強(qiáng)度與距離的函數(shù)關(guān)系，因此依據(jù)信號(hào)的強(qiáng)度，定位引擎可以通過(guò)已知的定位節(jié)點(diǎn)來(lái)確定與正在進(jìn)行通信的移動(dòng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離。只要利用兩個(gè)定位節(jié)點(diǎn)來(lái)計(jì)算所獲得的此目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度值，該移動(dòng)目標(biāo)的具體位置就可以確定。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)比較B1ueTeeth、Wi-Fi、ZigBee、UWB這四種無(wú)線通信技術(shù)的具體特點(diǎn)，選取了基于ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)的頭盔式煤礦井下人員無(wú)線定位跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了重點(diǎn)闡述，詳細(xì)說(shuō)明了無(wú)線定位跟蹤的實(shí)現(xiàn)流程，該設(shè)計(jì)方案中無(wú)線定位跟蹤系統(tǒng)非常適合于煤礦的井下人員使用。

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作者簡(jiǎn)介：

左翠紅（1966-），女，山東威海人，教授，主要從事電氣自動(dòng)化方面的教學(xué)與研究工作。