徐懷芹 黃坤 楊義 朱素娜

摘要：為了準(zhǔn)確實(shí)時(shí)監(jiān)控井下的內(nèi)部環(huán)境空氣狀態(tài)變化情況，精確地實(shí)時(shí)定位井下全體工作人員的井下撤退移動(dòng)位置，以及在井下遇到危險(xiǎn)后合理地準(zhǔn)確規(guī)劃井下撤退移動(dòng)路徑，研究人員設(shè)計(jì)了基于ZigBee的井下全體工作人員的全自動(dòng)化撤退定位系統(tǒng)。該傳輸系統(tǒng)主要使用ZigBee無(wú)線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)冗余的無(wú)線化和網(wǎng)絡(luò)化方便地進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)。ZigBee井下定位系統(tǒng)的組成部分主要有井下定位檢測(cè)站、身份信息標(biāo)志顯示卡、集中器和井下監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)等，以便于實(shí)現(xiàn)井下工作人員實(shí)時(shí)所在位置的井下信息實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)井下集中器直接向上層定位機(jī)進(jìn)行傳輸，為及時(shí)預(yù)防井下事故、排除安全隱患、搶險(xiǎn)救災(zāi)等井下工作人員活動(dòng)提供方便。該文主要對(duì)RSSI算法進(jìn)行改進(jìn)，提高了人員定位的速度和精確度。

關(guān)鍵詞：井下;人員定位;改進(jìn)的RSSI算法

中圖分類號(hào)：TP391? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）04-0123-02

1 定位系統(tǒng)總體框架

在基于ZigBee的井下定位工作人員的全自動(dòng)化井下定位檢測(cè)監(jiān)控管理系統(tǒng)中，包括自動(dòng)監(jiān)測(cè)站、移動(dòng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、參考站和網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器、Web服務(wù)器等。井下人員對(duì)基站進(jìn)行定位信息系統(tǒng)的一個(gè)基本原理就是把無(wú)線基站預(yù)先地分配好，并且將基站的位置通過(guò)測(cè)量器存儲(chǔ)到電腦中。而且一般在井下工作的人員都可以隨身攜帶一張身份證卡，身份卡會(huì)不斷發(fā)送射頻信號(hào)，其中包含員工的基本信息和所在位置。通過(guò)線路傳輸?shù)骄嚯x最近的上級(jí)定位點(diǎn)，然后逐級(jí)傳遞，直到傳到地面控制中心處理點(diǎn)結(jié)束。管理工作人員可以通過(guò)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，對(duì)井下人員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。井上的呼叫可以通過(guò)設(shè)備立即送到井下，在緊急情況下，井下操作員可以隨時(shí)呼叫井上的經(jīng)理或值班人員，這是雙向、實(shí)時(shí)的?；窘邮盏降男盘?hào)是強(qiáng)度指示信息，為了能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的井下工作人員自動(dòng)定位，系統(tǒng)可以通過(guò)對(duì)信號(hào)強(qiáng)度確切地計(jì)算得出基站工作人員和井下基站之間的距離，系統(tǒng)不間斷地運(yùn)行，確保了工作人員的地理位置和信息進(jìn)行了實(shí)時(shí)的更新，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下工作人員的自動(dòng)跟蹤和定位。

2.定位系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1參考節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

參考節(jié)點(diǎn)是一種坐標(biāo)學(xué)上已知的固定裝置，并且它們分布在井中的各個(gè)關(guān)鍵位置。它的作用就是在整個(gè)井下網(wǎng)絡(luò)中完成路由的功能，并且可以在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送。參考節(jié)點(diǎn)周期性對(duì)外發(fā)射信號(hào)的同時(shí)，接收移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射的位置信號(hào)。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)分析結(jié)果可以直接影響或者間接通過(guò)學(xué)習(xí)其他相鄰參考節(jié)點(diǎn)逐條發(fā)送給協(xié)調(diào)器。參考位置節(jié)點(diǎn)組成部分如圖2，主要包括：

（1）電池電源：為參考節(jié)點(diǎn)提供電源;

（2）ZIgBee模塊：CC2530;

（3）三個(gè)指示設(shè)備：具有信號(hào)接收、處理和記錄等功能的設(shè)備;

（4）ZigBee無(wú)線功率放大器：增強(qiáng)發(fā)射功率;

（5）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：存儲(chǔ)進(jìn)入該參考節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)用戶ID，同時(shí)記錄定位結(jié)果。

2.2移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)不是固定的，能夠隨意在井下移動(dòng)。為了確定每一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置和坐標(biāo)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)會(huì)將定位到該區(qū)域內(nèi)所有探測(cè)站的 RSSI值，通過(guò)定位算法進(jìn)行測(cè)量并多次平均的計(jì)算方法進(jìn)行測(cè)算其中各個(gè)坐標(biāo)的位置。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)卡是一種由工作人員自己攜帶的身份證卡體積小、質(zhì)量輕、方便攜帶并具備了報(bào)警功能。通過(guò)聲光的形式對(duì)指示燈進(jìn)行報(bào)警，當(dāng)發(fā)生聲光時(shí)Led 指示燈的顏色會(huì)閃爍并且發(fā)出聲音。而且通過(guò)LED燈的顏色不同判斷工作人員所處的狀態(tài)。CPU選用成都天龍公司的 CC2431 芯片，CC2431具有 Motorola 國(guó)際擁有執(zhí)照的定位軟件進(jìn)行檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)核心定位精度為0.25米。與CC2430相比，其結(jié)構(gòu)增加了一個(gè)定位引擎，使用參考節(jié)點(diǎn)和RSSI坐標(biāo)，通過(guò)三次測(cè)量，誤差控制小于5%，確定移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置。然而由 CC2431 制作的定位系統(tǒng)必須要求至少八個(gè)參照節(jié)點(diǎn)構(gòu)建一個(gè)無(wú)線定位網(wǎng)絡(luò)。

3 定位系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1參考節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

參考節(jié)點(diǎn)指的是在位置上已經(jīng)知道且固定的節(jié)點(diǎn)，必須進(jìn)行正確地配置并且分布在不同區(qū)域地理位置中。協(xié)調(diào)器首先需要通過(guò)配置參考節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，其次需要設(shè)置移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)。將參考節(jié)點(diǎn)作為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置參考節(jié)點(diǎn)，通過(guò)多次采集這些信號(hào)的 RSSI 值，過(guò)濾去除一些分離群節(jié)點(diǎn)，將其平均值和自身的坐標(biāo)信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)包中，再發(fā)送到相應(yīng)的參考節(jié)點(diǎn)。其實(shí)現(xiàn)的特征包括：自動(dòng)地發(fā)現(xiàn)和加入網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送 RSSI值的信息包和一個(gè)包含自己位置[x]、[y]坐標(biāo)給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。轉(zhuǎn)發(fā)定位網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息，具備在斷電后對(duì)其進(jìn)行保留信息的記錄功能。

3.2移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)上電后，系統(tǒng)初始化完成。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)周期性地將位置請(qǐng)求發(fā)送到周?chē)膮⒖脊?jié)點(diǎn)，等待其他參考節(jié)點(diǎn)做出響應(yīng)。參考節(jié)點(diǎn)如果檢測(cè)到有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入其覆蓋區(qū)域，就與其建立通訊關(guān)系，向移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送返回值。如果移動(dòng)節(jié)點(diǎn)不能正常接收發(fā)送給它的返回值，就會(huì)自動(dòng)繼續(xù)向周?chē)囊粋€(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行發(fā)送并對(duì)定位后的信息發(fā)出請(qǐng)求。如果一個(gè)正在移動(dòng)的接收節(jié)點(diǎn)的接收器看不到它的返回值，則認(rèn)為已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)。CC2431利用定位引擎計(jì)算出移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的位置。在該程序中使用了一個(gè)定位導(dǎo)航引擎后，移動(dòng)四個(gè)節(jié)點(diǎn)先從參考四個(gè)節(jié)點(diǎn)上讀出坐標(biāo)[x]和[y]，然后從四個(gè)參考節(jié)點(diǎn)讀出坐標(biāo)后再?gòu)哪康牡刈x出標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)（a，n，RSSI）。所有的參數(shù)在被寫(xiě)入到一個(gè)定位器引擎中后，通過(guò)對(duì)計(jì)算器輸出的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)參考節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)強(qiáng)度，3次計(jì)算從移動(dòng)到參考節(jié)點(diǎn)的距離。把一個(gè)含有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)ID和定位數(shù)據(jù)的一個(gè)數(shù)據(jù)包分別發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中，完成了對(duì)距離的測(cè)量。圖5描述了CC2431定位引擎的定位過(guò)程。

經(jīng)過(guò)改良的 RSSI算法大大增強(qiáng)了定位準(zhǔn)確性，在保持參考節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的距離基礎(chǔ)上增設(shè)了一個(gè)固定的節(jié)點(diǎn)，并針對(duì)其中的距離值進(jìn)行計(jì)算，其主要目的是使用一個(gè)可以校正得到檢測(cè)出來(lái)的 RSSI值。則可有關(guān)系式：

P1=10RSSI1/10，p2=10RSSI2/10? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

如果N和B1相隔距離為f1，B1和B2相隔距離為f2，則有關(guān)系式：

P2/P1=（f1/f2）n? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

即? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?f1=（p2/p1）1/n*f2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

把公式（1）代入公式（3）可得：

f1=[10（RSSI2-RSSI1）/10]1/n*f2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

4 結(jié)論

本文對(duì)ZigBee井下定位系統(tǒng)進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，提高煤礦井下開(kāi)采作業(yè)的質(zhì)量和效率，減輕人員傷亡，提高作業(yè)安全性。使用 ZigBee 定位系統(tǒng)的成本較低，并且可以更精準(zhǔn)地將其定位到所有的人員位置，減少了工作時(shí)間和費(fèi)用，提高了實(shí)際的工作效率。但現(xiàn)階段ZigBee技術(shù)在煤礦井下定位信息系統(tǒng)中仍然有很大的改進(jìn)工作空間，相信以后ZigBee技術(shù)在井下定位方面的應(yīng)用一定會(huì)得到更好發(fā)展。

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收稿日期：2021-10-15

基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目名稱：基于RSSI算法改進(jìn)的Zigbee井下定位系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì) （項(xiàng)目編號(hào)：202010959005 ）

作者簡(jiǎn)介：徐懷芹（2000—），女，安徽鳳臺(tái)人，學(xué)生，學(xué)士，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信;黃坤（1981——），男，安徽合肥人，小高，大專，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)、教育管理;楊義（2000—），男，安徽宿州人，學(xué)生，學(xué)士，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信;朱素娜（1996—），女，安徽壽縣人，學(xué)生，學(xué)士，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信。