基于ZigBee的礦井無線定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曾妍+胡鋼+曾寶國+程遠(yuǎn)東+楊波+占海濤

摘 要：針對(duì)礦井人員和機(jī)車精確定位需求，提出了基于ZigBee的定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，分析了利用RSSI/TOF算法測(cè)距和雙基站協(xié)同定位的實(shí)現(xiàn)原理。經(jīng)工程應(yīng)用測(cè)試，該系統(tǒng)能在較遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度實(shí)時(shí)定位。

關(guān)鍵詞：礦井定位系統(tǒng);RSSI/TOF測(cè)距;協(xié)同定位;高精度實(shí)時(shí)定位

中圖分類號(hào)：TN393.17 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：2095-1302（2015）09-00-03

0 ?引 ?言

建設(shè)可靠的礦井定位系統(tǒng)，提高對(duì)人員和機(jī)車的動(dòng)態(tài)跟蹤管理，增強(qiáng)事故應(yīng)急快速反應(yīng)能力，對(duì)保障煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義，相關(guān)要求已被列入國家《煤礦井下安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”建設(shè)完善基本規(guī)范》。為構(gòu)建適用于煤礦井下的無線定位系統(tǒng)，文獻(xiàn)[1]提出了一種基于鄰近信號(hào)強(qiáng)度（NSSS）指紋匹配和動(dòng)態(tài)三邊測(cè)量（DTN）算法的精確測(cè)距定位方法，并通過仿真表明其在10 m以內(nèi)的范圍具有高精度實(shí)時(shí)定位能力;文獻(xiàn)[2]提出了一種基于ToF的測(cè)距定位算法，并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明其在10～100 m的范圍內(nèi)具有精度高達(dá)±2 m的定位能力。四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院會(huì)同四川維誠信息技術(shù)有限公司、深圳哲揚(yáng)科技有限公司，在充分吸收上述研究成果的基礎(chǔ)上，提出了基于ZigBee和工業(yè)以太網(wǎng)的定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過RSSI/TOF（Received Signal Strength Indicator/Time of Flight）融合測(cè)距和雙基站協(xié)同定位算法實(shí)現(xiàn)了在較遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)的高精度實(shí)時(shí)定位。

1 ?系統(tǒng)組成

綜合考慮煤礦井下作業(yè)環(huán)境和要求，本系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，即能分區(qū)域?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)井下人員和機(jī)車的精確分布情況，并在井下巷道圖上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地顯示行蹤;（2）查找人員及機(jī)車當(dāng)前位置功能，即輸入任意人員或機(jī)車的編號(hào)，可立即以圖形方式顯示其當(dāng)前精確位置。按此功能，將本系統(tǒng)分為井上和井下兩部分，系統(tǒng)組成如圖1所示[3]。其中，井上部分包括網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、定位服務(wù)器、定位展示機(jī);井下部分包括定位分站（基站）、地標(biāo)定位儀、人員標(biāo)識(shí)卡、機(jī)車定位儀。定位分站用于獲取人員和機(jī)車標(biāo)識(shí)位置信號(hào)，并將隨同綜合分站的編號(hào)發(fā)送給井上處理器。地標(biāo)定位儀可以自助接收標(biāo)識(shí)卡信息，它以無線信道與鄰近基站建立固定的通訊鏈路，轉(zhuǎn)發(fā)各種數(shù)據(jù)信息建立雙向通信聯(lián)絡(luò)，承載著位置信息發(fā)布和無線自組網(wǎng)雙重任務(wù)，其中位置信息發(fā)布為精確定位算法模型提供了地理信息標(biāo)桿修正機(jī)制，有效提高了定位的精度指標(biāo)。無線自組網(wǎng)方式為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的部署及優(yōu)化提供最大的便利。人員標(biāo)識(shí)卡和機(jī)車定位儀具有唯一的標(biāo)識(shí)號(hào)碼，用于標(biāo)識(shí)人員和機(jī)車身份。

圖1 ?無線定位系統(tǒng)組成示意圖

系統(tǒng)部署時(shí)，定位分站以每300～500 m一臺(tái)的密度安裝在井下巷道里，以環(huán)形或鏈型方式構(gòu)成骨干傳輸網(wǎng);地標(biāo)定位儀隨骨干傳輸網(wǎng)線路布設(shè)，彼此間隔10～25 m，并在上位機(jī)軟件中預(yù)置每臺(tái)定位分站、每個(gè)地標(biāo)定位儀的分布位置;人員標(biāo)識(shí)卡和機(jī)車定位儀配置在人員和機(jī)車上。定位分站與地標(biāo)定位儀之間采用RS 485串行通訊，綜合通信分站、地標(biāo)定位儀與人員標(biāo)識(shí)卡，機(jī)車定位儀之間采用ZigBee通訊。在ZigBee傳輸網(wǎng)絡(luò)中，定位分站是全功能的協(xié)調(diào)器，人員標(biāo)識(shí)卡和機(jī)車定位儀是簡(jiǎn)易功能的終端，地標(biāo)定位儀既可以做協(xié)調(diào)器，也可以做終端。

定位分站、地標(biāo)定位儀、人員標(biāo)識(shí)卡、機(jī)車定位儀之間的通信過程如圖2所示[3]。其中，人員標(biāo)識(shí)卡和機(jī)車定位儀分工作和睡眠兩個(gè)工作周期并交替轉(zhuǎn)換，睡眠狀態(tài)下既不接收也不發(fā)送信息，工作期間不間斷或周期性廣播自身信息并偵聽和接收定位分站信息。定位分站一般處于接收狀態(tài)，收到人員標(biāo)識(shí)卡和機(jī)車定位儀的信息后應(yīng)答，并通過光纖將信息發(fā)送到上位機(jī);如果人員標(biāo)識(shí)卡和機(jī)車定位儀上傳有報(bào)警信息，分站會(huì)將報(bào)警信息加入到應(yīng)答信息中。地標(biāo)定位儀和定位分站一般處于接收狀態(tài)，在收到人員標(biāo)識(shí)卡和機(jī)車定位儀信息后應(yīng)答;與定位分站不同的是，在接收到信息后，通過無線方式轉(zhuǎn)發(fā)給定位分站。

圖2 ?通訊過程示意圖

2 ?部件設(shè)計(jì)

2.1 ?定位分站設(shè)計(jì)

定位分站是系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，用于組建井下工業(yè)以太網(wǎng)傳輸平臺(tái)及定位，采用純本質(zhì)安全型設(shè)計(jì)，兼具井下通信、讀卡、傳輸?shù)裙δ?。圖3所示為定位分站的結(jié)構(gòu)框圖，集成有電源模塊、無線通信模塊、ZigBee定位模塊和天線合路器及天線、光電轉(zhuǎn)換器及光纖接口等[4]。

圖3 ?定位分站的結(jié)構(gòu)框圖

2.2 ?地標(biāo)定位儀設(shè)計(jì)

地標(biāo)定位儀的電路組成如圖4所示。它以Atmega1280低功耗MCU為主控芯片，提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理、傳輸功能。精確定位射頻主控芯片采用nanotron公司的NA5TR1，該芯片內(nèi)置射頻發(fā)送模塊和基于飛行時(shí)間的TOF測(cè)距算法。射頻放大電路采用高增益2.4 G射頻放大芯片uPG2250T5N。擴(kuò)展接口部分外接RS 485轉(zhuǎn)接板，把TTL數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的RS 485數(shù)據(jù)，并檢測(cè)本安電源AC是否斷電;RS 485部分使用LTM2881IY實(shí)現(xiàn)，本安電源AC檢測(cè)功能通過主控芯片IO口檢測(cè)由本安電源輸出的AC狀態(tài)腳來實(shí)現(xiàn)。

2.3 ?機(jī)車定位儀和人員標(biāo)識(shí)卡設(shè)計(jì)

機(jī)車定位儀和人員標(biāo)識(shí)卡設(shè)計(jì)的硬件組成如圖5所示，包括電源模塊、ZigBee射頻電路、天線模塊、聲光指示模塊。其中，機(jī)車定位儀由12～24 V電源供電，人員標(biāo)識(shí)卡由鋰電池供電;聲光指示模塊用于告警和顯示報(bào)文數(shù)據(jù)[4]。

圖5 ?機(jī)車定位儀和人員標(biāo)識(shí)卡組成框圖

3 ?定位算法

ZigBee定位算法分距離無關(guān)定位算法和基于距離的定位算法。其中，前者主要有APIT算法、質(zhì)心算法、DV-HOP（Distance Vector-Hop）算法等，定位對(duì)硬件要求較低，但精度較差;后者包括TDOA（基于到達(dá)時(shí)間差）算法、AOA（基于到達(dá)角度）算法、TOF（基于信號(hào)飛行時(shí)間時(shí)間）算法、RSSI（基于信號(hào)接收強(qiáng)度）算法等，它們定位精度高，但對(duì)硬件要求較高[5]。本文在ZigBee感知及傳輸層采用RSSI/TOF算法，利用未知節(jié)點(diǎn)和定位分站的幾何關(guān)系，根據(jù)最大似然估計(jì)法求得節(jié)點(diǎn)距離，并根據(jù)雙基站協(xié)同判別節(jié)點(diǎn)方位;在上層軟件中，通過對(duì)定位數(shù)據(jù)的預(yù)處理，運(yùn)用標(biāo)量化拓?fù)錅y(cè)距判別模型與巷道空間坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的真實(shí)位置進(jìn)行計(jì)算和顯示。

3.1 ?RSSI/TOF測(cè)距及雙基站協(xié)同定位原理

實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車和人員的定位主要有兩層要求，一是要測(cè)量出機(jī)車和人員與地標(biāo)定位儀之間的距離，二是要定位其準(zhǔn)確的坐標(biāo)。由于煤礦井下巷道呈狹長(zhǎng)分布，只要能測(cè)量出機(jī)車和人員與指定地標(biāo)定位儀的距離并判斷出左右方位，即可實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的定位。

3.1.1 ?RSSI測(cè)距原理

RSSI測(cè)距是接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度和發(fā)射節(jié)點(diǎn)信號(hào)發(fā)射強(qiáng)度，利用信道傳輸損耗模型將傳輸損耗轉(zhuǎn)化為距離的一種測(cè)距方法。在IEEE802.15.4協(xié)議下，簡(jiǎn)化的信道模型可用式（1）描述[6]：

（1）

式中，Pt為信號(hào)發(fā)射強(qiáng)度（dBm），d為傳輸距離（m）。實(shí)際應(yīng)用中，傳輸模型可簡(jiǎn)化為式（2）：

RSSI=-（10nlgd+PL0） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中，n為傳播指數(shù)，PL0為d=1 m時(shí)接收信號(hào)的強(qiáng)度。

由式（2）可知，信號(hào)的衰減與傳輸距離d成對(duì)數(shù)關(guān)系。d越小，RSSI偏差所產(chǎn)生的距離絕對(duì)誤差越小;當(dāng)d大于某一閾值時(shí)，RSSI值的波動(dòng)造成距離的絕對(duì)誤差明顯增大。在煤礦井下環(huán)境實(shí)際測(cè)試時(shí)，該閾值在8～10 m。由于地標(biāo)定位儀的布設(shè)間距為10～25 m，使用RSSI法測(cè)距可能引起明顯誤差。要減小誤差，一是在成本允許的條件下盡量增大地標(biāo)定位儀的布設(shè)密度，二是利用TOF等算法輔助測(cè)距。

3.1.2 ?TOF測(cè)距原理

TOF測(cè)距是通過測(cè)量無線信號(hào)在節(jié)點(diǎn)間的傳送時(shí)間來換算距離，其測(cè)距過程如圖6所示。節(jié)點(diǎn)A（定位分站）測(cè)量從發(fā)出數(shù)據(jù)包到節(jié)點(diǎn)B（標(biāo)識(shí)卡）確認(rèn)時(shí)間記為TRound，A，B節(jié)點(diǎn)測(cè)量從收到A節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包到B節(jié)點(diǎn)回應(yīng)確認(rèn)消息的時(shí)間記為TReplay，B，數(shù)據(jù)包在飛行中經(jīng)歷的往返時(shí)間記為TRound，AB，則數(shù)據(jù)包在空中飛行時(shí)間Tprop可按式（3）計(jì)算[2]：

（3）

計(jì)算出Tprop后，根據(jù)d=Tprop×c可以計(jì)算出標(biāo)識(shí)卡到定位分站之間的距離（c代表光速，取值為3.0×108 m/s ）。

圖6 ?TOF測(cè)距過程示意圖

3.1.3 ?RSSI/TOF融合測(cè)距實(shí)現(xiàn)方法

經(jīng)實(shí)地測(cè)試，RSSI在標(biāo)識(shí)卡距定位分站距離較近時(shí)測(cè)距誤差較小，而TOF在距離較遠(yuǎn)時(shí)測(cè)距誤差較小。因此，RSSI/TOF融合測(cè)距的方法是通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定一個(gè)RSSI的合理閾值，當(dāng)RSSI值大于設(shè)定閾值并呈逐漸增大趨勢(shì)時(shí)，說明標(biāo)識(shí)卡在靠近定位分站，應(yīng)采用RSSI測(cè)距;反之，當(dāng)RSSI值小于設(shè)定閾值并呈逐漸減小趨勢(shì)時(shí)，說明標(biāo)識(shí)卡在遠(yuǎn)離定位分站，應(yīng)采用TOF測(cè)距[6]。

3.1.4 ?目標(biāo)標(biāo)識(shí)卡方位判別方法

由于測(cè)距只能獲得標(biāo)識(shí)卡與定位分站之間的距離，不能確定標(biāo)識(shí)卡在定位分站左右的位置，因此宜采用雙定位分站協(xié)同定位。以圖7所示三種情況為例，設(shè)定位分站1與定位分站2的布設(shè)距離為250 m，并設(shè)定位分站1測(cè)得它與標(biāo)識(shí)卡的距離為d1、定位分站2測(cè)得它與標(biāo)識(shí)卡的距離為d2。標(biāo)識(shí)卡位置分布判斷方法如下：當(dāng)d1>250 m>d2，說明標(biāo)識(shí)卡在定位分站2的右側(cè)，如（a）所示;當(dāng)d1<250 m<d2，說明標(biāo)識(shí)卡在定位分站1的左側(cè)，如（b）所示;當(dāng)d1<250 m、d2<250 m，說明標(biāo)識(shí)卡在定位分站1、2之間，如（c）所示。

布設(shè)定位分站時(shí)，兩個(gè)定位分站天線的間距應(yīng)大于精確定位的測(cè)量精度，且在兩個(gè)定位分站之間存在盲區(qū)的情況下，應(yīng)增加定位分站密度來消除盲區(qū)。對(duì)于井下巷道的精確定位，兩兩配對(duì)的定位分站用作基本拓?fù)鋯卧瓿蓽y(cè)距和方位判別。一個(gè)完整的井下巷道精確定位系統(tǒng)一般需要幾十甚至上百個(gè)定位分站方可完成信號(hào)覆蓋，實(shí)現(xiàn)全局或重點(diǎn)區(qū)域局部連續(xù)的精確定位。

圖7 ?標(biāo)識(shí)卡位置判斷方法

3.2 ?上層應(yīng)用軟件對(duì)定位數(shù)據(jù)的處理與展現(xiàn)

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理：對(duì)井下的環(huán)境，TOF定位算法可能產(chǎn)生折射、繞射等情況，所以對(duì)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除失真、錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)利用歷史數(shù)據(jù)，考慮人員、機(jī)車行走速度等限制，引入濾波、限幅的處理方法，使定位數(shù)據(jù)接近真實(shí)值，確保定位精度達(dá)到要求。

（2）拓?fù)潢P(guān)系：定義每個(gè)地標(biāo)定位儀是定位網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涔?jié)點(diǎn)，采用節(jié)點(diǎn)間連通性屬性描述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌⒔⒐?jié)點(diǎn)相鄰關(guān)系表信息。根據(jù)節(jié)點(diǎn)相鄰關(guān)系表，能夠獲取到定位分站的配對(duì)關(guān)系和數(shù)量，完成對(duì)目標(biāo)標(biāo)識(shí)卡距離和方位的判別。

（3）位置展示：位置展示一般采用標(biāo)量化拓?fù)錅y(cè)距判別模型，它需要做的就是將標(biāo)識(shí)卡對(duì)應(yīng)的距離和方位信息傳遞給矢量化幾何地理匹配計(jì)算模型，進(jìn)行與巷道空間坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的真實(shí)位置計(jì)算和顯示。標(biāo)量化拓?fù)錅y(cè)距判別模型中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涿枋鲂畔⒖梢杂卸喾N原始輸入方式。工程上最簡(jiǎn)單的做法，可以從基站之間的間隔距離定義關(guān)系中自動(dòng)轉(zhuǎn)換獲得，從而使應(yīng)用系統(tǒng)具有智能學(xué)習(xí)的能力，降低工程部署的技術(shù)條件和要求。

4 ?結(jié) ?語

針對(duì)礦井人員和機(jī)車精確定位需求，利用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、定位服務(wù)器、定位展示機(jī)、定位分站（基站）、地標(biāo)定位儀、人員標(biāo)識(shí)卡、機(jī)車定位儀等構(gòu)建了一套基于ZigBee和工業(yè)以太網(wǎng)的定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，利用RSSI/TOF算法實(shí)現(xiàn)測(cè)距，利用雙定位分站協(xié)同完成目標(biāo)標(biāo)識(shí)卡方位判斷，從而實(shí)現(xiàn)在較遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)對(duì)人員和機(jī)車的高精度實(shí)時(shí)定位。目前，該方案已在深圳哲揚(yáng)、四川維誠、四川信息等企業(yè)和高校協(xié)同開發(fā)的礦井定位系統(tǒng)中形成產(chǎn)品，并已獲得了大量應(yīng)用。

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