汝彥冬

(黑龍江科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，哈爾濱150027)

1 基于ZigBee井下人員定位的意義

我國的煤炭生產(chǎn)量和煤炭使用量位居世界第一，煤炭的安全生產(chǎn)一直是相關(guān)部門工作的重點，采取切實有效的管理和技術(shù)手段來保障井下工作人員的生命安全一直是煤礦生產(chǎn)的重中之重.井下人員定位系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)中優(yōu)先建設(shè)的重要系統(tǒng)之一，是井上人員掌握井下人員具體工作狀態(tài)和工作位置的重要手段之一，同時也能提供精準(zhǔn)的人員定位數(shù)據(jù)，為礦井災(zāi)害事前預(yù)警和災(zāi)后人員救援順利進(jìn)行提供保障.

常見的煤礦井下定位系統(tǒng)主要是基于RFID技術(shù)的，該技術(shù)定位精度不高，大概10 m左右，實現(xiàn)不了井上人員對井下工作人員的精準(zhǔn)定位，漏檢現(xiàn)象時有發(fā)生，定位成功率不高，同時功率消耗較大，難以較長時間持續(xù)工作.GPS、CDMA、GSM等定位技術(shù)則受制于信號覆蓋和經(jīng)濟(jì)成本，很難應(yīng)用在煤礦.而ZigBee作為一種能量消耗低、較底的使用成本、大容量網(wǎng)絡(luò)、節(jié)點自組織性能優(yōu)越、信號抗干擾能力強(qiáng)的無線通信技術(shù)[1]，恰恰決定了它在以人員識別和位置探測為基礎(chǔ)的井下人員定位系統(tǒng)應(yīng)用中有其獨特的優(yōu)勢.本文采用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)井下人員定位，無線覆蓋范圍廣，具有自恢復(fù)功能，實現(xiàn)了井下人員的3 m高精度定位，ZigBee無線通信技術(shù)具有特殊的碰撞避免策略和靈活的隨機(jī)算法可以保證不漏檢，可以作為人員定位系統(tǒng)被采用.

2 井下人員定位的硬件實現(xiàn)

圖1 人員定位系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

井下人員定位系統(tǒng)需要完成的任務(wù)是:利用井下的人員定位網(wǎng)絡(luò)，采集井下工作人員的信號強(qiáng)度，確定人員的位置信息，將人員的位置信息進(jìn)行編碼計算處理后，通過傳輸基站傳輸給地面的控制中心.控制中心將人員的位置信息和預(yù)存的礦井地理信息進(jìn)行綜合，顯示人員所在礦井的具體位置，人員定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由井上和井下兩部分組成，井下部分由傳輸部分，信息采集部分組成、移動節(jié)點在井下移動，以參考節(jié)點作為參考，和參考節(jié)點進(jìn)行通信比較，最后確定和參考節(jié)點的相對位置，進(jìn)而確定自己的位置[2].由參考節(jié)點、移動節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)電三部分共同完成人員定位，傳輸基站負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)信息給井下交換機(jī)，進(jìn)而將信息傳輸?shù)骄峡刂浦行?

2.1 參考節(jié)點的設(shè)計

本定位系統(tǒng)中，參考節(jié)點是被預(yù)先布設(shè)在井下的作為位置參考的固定設(shè)備，它完成的功能是:周期性地對移動節(jié)電和協(xié)調(diào)器發(fā)送通信信號，接收移動節(jié)電的入網(wǎng)或離網(wǎng)要求，并為其入網(wǎng)或離網(wǎng)提供配置服務(wù)，實時檢測移動節(jié)電的無線信號強(qiáng)度，建立無線信號強(qiáng)度參考表作為定位參考，將檢測結(jié)果直接或者通過其它相鄰節(jié)點逐跳發(fā)送給協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器將信息發(fā)送到傳輸基站，最綜傳輸?shù)骄峡刂浦行腫3].

參考節(jié)電采用CC2431作為中心控制器，由于CC2431只要很少的外部元件支持便可以正常工作，這樣就大大簡化了硬件設(shè)計[1].參考節(jié)點的硬件原理圖如圖2所示.CC2431具有Motorola的有許可證的定位檢測硬件核心，能夠?qū)崿F(xiàn)0.25 m的定位分辨率和3 m左右的定位精度，定位時間短于40 μs.但CC2431做成的定位系統(tǒng)，需要至少8個參考節(jié)點才能組成無線定位網(wǎng)絡(luò).參考節(jié)電周期性的自檢，如果發(fā)現(xiàn)硬件故障則報警通知工作人員，平時采用有線電源供電，如果有線電源無法供電，則通知協(xié)調(diào)器電源故障，并自動采用備用電池供電.

圖2 參考節(jié)點的硬件設(shè)計

2.2 移動節(jié)點的設(shè)計

在定位系統(tǒng)中，移動節(jié)點是指井下現(xiàn)場工作人員隨身攜帶的檢測和通信設(shè)備，用來完成井下工作人員的位置定位和人員狀態(tài)監(jiān)測，其任務(wù)是:實時監(jiān)測工作人員的生命特征，遇到緊急情況聲光報警并發(fā)送急救信號到井上，完成井下工作人員的定位功能.移動節(jié)電實時向參考節(jié)點發(fā)出通信定位請求，或接收參考節(jié)點發(fā)出的通信定位請求;接收參考節(jié)點發(fā)出的通信廣播信號，并向參考節(jié)點返回接收到的信號強(qiáng)度作為定位參考，該信號強(qiáng)度作為定位的依據(jù);同時移動節(jié)電也作為通信中繼路由完成信息的中繼傳輸[4].移動節(jié)點的核心只需使用CC2431即可.移動節(jié)電采用電池供電，保證一次性充電至少可以維持24 h.其硬件原理如圖3所示.

圖3 移動節(jié)點的硬件設(shè)計

2.3 協(xié)調(diào)器的設(shè)計

在該定位系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器的主要功能是為移動節(jié)電和參考節(jié)電提供路由服務(wù)，實時接收參考節(jié)電和移動節(jié)電節(jié)點發(fā)送過來的定位信息，根據(jù)定位信息完成定位算法，定位工作完成后，將定位信息通過RS232接口傳輸?shù)絺鬏敾旧蟍5].其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示.協(xié)調(diào)器節(jié)點采用非平衡天線，通過連接非平衡變壓器 使天線接收和發(fā)射性能更好，CPU采用三星公司的S3C44B0實現(xiàn)，主供電源采用有線供電，附帶高性能能備用電池，保證有線線路出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能夠正常工作.同時利用RS232接口將采集到的信息傳輸給傳輸基站，當(dāng)通信中斷時，確定該協(xié)調(diào)器故障，通知井上人員維修或更換協(xié)調(diào)器[6].

圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點的硬件設(shè)計

3 完成定位功能的各部分程序框圖

完成人員定位主要由移動節(jié)電，參考節(jié)電和協(xié)調(diào)器三部分組成，三個節(jié)電協(xié)同工作，組建能實現(xiàn)ZigBee定位的無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對井下工作人員的無線定位，并且完成定位信息的無線傳輸.

3.1 移動節(jié)點的程序框圖

本定位系統(tǒng)中，移動節(jié)點是實現(xiàn)人員定位的重要組成部分之一，是被定位的目標(biāo)，它主要完成如下一些功能:自動實現(xiàn)移動節(jié)電的入網(wǎng)和離網(wǎng)功能，并且保證移動過程中不斷網(wǎng)，實時采集佩帶人員生命特征信息，遇到緊急情況報警并發(fā)信息向井上人員求救，向參考節(jié)點發(fā)送定位請求;周期發(fā)送穩(wěn)定的無線信號供參考節(jié)電接收使用，完成部分路由的功能;可以作為信息中轉(zhuǎn)站將信息轉(zhuǎn)發(fā)，同時預(yù)留功能擴(kuò)展接口，可以根據(jù)現(xiàn)場需要搭載瓦斯傳感器、溫度傳感器等井下常見的測量設(shè)備，實現(xiàn)部分監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境功能.見圖5.

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點

協(xié)調(diào)器節(jié)點是 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點，負(fù)責(zé)整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立和核心定位算法的實現(xiàn)，完成定位信息與傳輸基站的通信，管理和優(yōu)化Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)性能，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證加工;傳達(dá)上位機(jī)的數(shù)據(jù)配置命令，配置參考節(jié)點和移動節(jié)電，作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心路由完成路由功能.程序流程圖如圖6所示

圖6 協(xié)調(diào)節(jié)電程序流程圖

3.3 參考節(jié)電的程序設(shè)計

參考節(jié)電實現(xiàn)與移動節(jié)電的實時通信，參考節(jié)電分為常用節(jié)電和備用節(jié)電.常用節(jié)電用來實現(xiàn)與移動節(jié)電的通信，根據(jù)接收信號的強(qiáng)度，分析參考節(jié)電與移動節(jié)電的距離進(jìn)而實現(xiàn)定位功能[7].常用節(jié)電周期性的與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，確認(rèn)自己正常的工作狀態(tài)，傳輸與移動節(jié)電通信測試的信號結(jié)果，備用節(jié)電周期性的與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，如果常用節(jié)電異常，則協(xié)調(diào)器喚醒備用節(jié)電代替常用節(jié)電，實現(xiàn)對移動節(jié)電的定位功能[1].

4 定位算法和參考節(jié)電部署

4.1 定位算法

本設(shè)計的定位算法采用熱點簇中心定位算法，利用固定陣列分布的參考節(jié)點監(jiān)測移動節(jié)點發(fā)出信號的接收的信號強(qiáng)度指示值，將測量值返回到參考節(jié)點.建立參考節(jié)點數(shù)值查詢庫，用于儲存其信號覆蓋范圍內(nèi)所有與移動節(jié)電通信的信號接收的信號強(qiáng)度指示值，當(dāng)建立完成參考節(jié)點查詢庫后，利用這個該查詢庫產(chǎn)生參考節(jié)電通信信號的接收的信號強(qiáng)度指示值分布圖.當(dāng)移動節(jié)點需要定位時，由定位區(qū)域中的多個參考節(jié)電之間互相通信，就可以生成定位區(qū)域中有信號的移動節(jié)電的接收的信號強(qiáng)度指示值分布圖，并由此利用本算法進(jìn)行定位計算[8]，算法如圖7所示.

圖7 定位算法

4.2 節(jié)電部署原則

由于系統(tǒng)是采用參考節(jié)電進(jìn)行定位，定位算法要求至少有8個參考節(jié)點參與定位，參考節(jié)點覆蓋井下區(qū)域時必須保證區(qū)域內(nèi)所有移動節(jié)電至少被8個以上的參考節(jié)電信號覆蓋;由于本系統(tǒng)的參考節(jié)點都是固定在某些位置的，一旦某一重要位置的節(jié)點失效或損壞，不可能通過改變網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)的方式去彌補(bǔ).所以為了保障定位的順利進(jìn)行，除了定位系統(tǒng)中所必須的參考節(jié)點外，還必須引入一定數(shù)量的參考冗余節(jié)點.它們的分布依據(jù)節(jié)點能量損耗的的特點，按照距 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的距離由近到遠(yuǎn)，由密到疏布署;在 熱點簇中心定位算法中，定位的依據(jù)為參考節(jié)電的位置，但是礦井下的環(huán)境多變，尤其是一旦出現(xiàn)事故，很可能造成地形的完全改變，給救助救援提供障礙，這樣原有的參考節(jié)點數(shù)據(jù)就不能作為定位依據(jù)了.為防止這種情況出現(xiàn)，應(yīng)在定位部署完成后留下一部分的固定參考節(jié)點，在平時一直保持睡眠狀態(tài)，只在出現(xiàn)緊急情況時被喚醒，不僅可以用來重新建立參考節(jié)點數(shù)據(jù)庫，還可以幫助分擔(dān)緊急事態(tài)時的通信壓力.

5 結(jié)語

本文通過對煤礦井下人員定位系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計出能滿足井下人員定位需求的人員定位系統(tǒng)，給出了定位系統(tǒng)重要三個部分的整體框圖，并且闡述了每部分的程序流程圖，最后對本項目采用的定位算法進(jìn)行研究，并給出了算法的運算過程，同時針對本系統(tǒng)的工作流程，說明了井下定位系統(tǒng)的部署原則，可以作為煤礦井下定位的參考.

[1]汝彥冬.基于ZigBee技術(shù)的無線瓦斯傳感器的設(shè)計[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2013(6):43－45.

[2]汝彥冬.新型井下監(jiān)控分站的設(shè)計[J].自動化儀表，2010(8):33－34.

[3]王軍號，孟祥瑞.物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)在煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2012(5):23－24.

[4]羅 俊，閻連龍.基于ZigBee的煤礦監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計[J].國外電子元器件，2008(8):19－21.

[5]吳靜然，李秀鳳，吳 倩.基于WiFi的煤礦井下智能終端設(shè)計[J].工礦自動化，2013，39(4):45－47.

[6]汝彥冬.一種煤礦監(jiān)控分站[P].中國:201120232342.8，2012.

[7]汝彥冬.基于GPRS和ZigBee技術(shù)的公交車智能監(jiān)測系統(tǒng)[P].中國:201220572602.0，2013.

[8]孫延飛.礦井安全智能監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究[M].武漢:武漢理工大學(xué)，2013.