ZigBee技术在煤矿井下人员定位中的研究

高永峰，吴房胜，于进杰

摘 要：近年来，我国煤矿事故频发，煤矿安全让人担忧。矿井中井下人员的管理非常困难，地面工作人员不能随时了解井下人员的分布情况及作业情况，很难进行人员定位，一旦事故发生，对井下人员的抢救非常困难。针对此问题，本文研究了一款基于 ZigBee 的井下人员无线定位系统。该系统以 CC2430/CC2431芯片为核心，利用 RSSI 定位算法，实现井下工作人员的实时定位，使地面人员随时了解井下作业人员的分布状态、作业情况等，使井下人员定位管理的有效性与可靠性大大提高，具有极大的市场经济价值。

关键词：ZigBee；井下；定位；RSSI算法

0 引言

本文以ZigBee 技术为核心技术，对系统开发进行了说明，并阐述了人员定位系统的总体结构图、软硬件系统设计方案以及上位机设计方案。最后组建了一套仿真系统，实现了实时定位的效果。本系统在 ZigBee 架构下，以 CC2430/2431 单芯片为核心，开发出的无线定位网络系统，具有定位准确、造价低廉、便于携带、体积微小、结构简单等特点，能够很好地解决井下作业人员的位置信息问题。

1 定位原理及系统架构

1.1 定位原理

本系统采用RSSI（接收信号强度指示）定位算法，该算法测距是节点最实用的测距方法之一，不需要另加硬件设备，方法实现简单。其工作原理是在已知发射节点信号功率的前提下，获取接收节点的接收到的功率，利用测量接收到的信号功率来计算定位节点距参考节点的长度，并算出传输过程中的功率损耗，通过信号传播衰减模型将传输损耗转换成节点之间的长度，进一步采用三边定位法测出定位节点的位置。

定位原理图如图1所示，CC2431无线定位引擎是以RSSI定位技术为基础，由参考节点与定位节点两部分构成。参考节点是已知位置的静态节点，这个节点知道自己的位置并能够将其位置以数据包形式通知给其他的节点。定位节点获取参考节点发来的数据包信号，以参考节点位置坐标以及相应的RSSI值为参考，将其写进定位引擎，然后由定位引擎计算得到自身的位置。参考节点传输给定位节点的数据一般由参考点的坐标参数竖直位置 Y和水平位置 X构成，而RSSI值由定位节点计算得到。

1.2 系统架构

结合矿井现场环境，采用ZigBee无线传感网络技术和RSSI精确定位算法，本系统的井下人员定位由监控中心、参考节点、网关节点、通信模块以及定位节点等部分构成，井下人员定位结构体系如图2所示。下面将对其各个模块进行简要说明。

（1）监控中心

定位系统中最高层是监控室的监控电脑。一般监控室与矿井的距离比较远，所以监控电脑通常利用以太网与井下每个节点互相联通。利用监控电脑上运行的监控软件，监控人员可与井下每个节点实时通信，准确获取井下各节点的设备参数、环境以及分布状况等信息。一旦获取到的节点数据有异常情况，监控软件便马上报警，监控人员可马上通知井下工作人员，组织井下工作人员迅速撤离。监控软件将获取的井下各节点数据保存在数据库中，对采集的数据进行分析与处理，对事故进行准确的预判。

（2）参考节点

定位装置的参考节点分为主控芯片模块、供电模块、传感器模块和无线通信模块。其中，无线通讯模块、供电模块以及处理器模块与网关节点中与其对应的模块的作用大致一样。传感器模块主要采集监控区域内数据（如瓦斯气体浓度）并将其转化成固定格式的数据，传输给监控中心。

（3）网关节点

定位装置的网关节点分为处理器模块、供电模块、串口模块以及无线通信模块。其中，处理器模块为主控模块，主要控制节点的功耗、同步定位执行以及ZigBee的路由协议等。

（4）通信模块

通信模块处于中间层，传输模式为无线和有线相结合。无线传输是利用ZigBee 无线网络技术实现定位节点、参考节点与网关节点三者之间的通信。定位系统有线传输是通过串口转换成以太网和监控主机互相连通，该模块是将多路串口采集的数据利用以太网转发传输给监控中心，或者将来自监控主机的数据通过串口转发给网关节点。

（5）定位节点

定位节点是由主控芯片模块、供电模块以及无线通信模块组成。通常是将电子标签嵌入到矿工安全帽中或者制成便携式卡片。

2 硬件设计

井下定位系统包括下位机与上位机两个主要部分。上位机监控软件安装在地表的监控电脑上。下位机的定位系统利用CC2430模块实现。下位机和上位机之间通过以太网进行连接。CC2430是全球第一个满足ZigBee技术标准的2.4GHz射频芯片，该芯片兼容IEEE802.15.4 协议标准，内嵌51系列单片机的核，并将ZigBee RF前端、存储器以及微控制器集于一身。ZigBee 标准规定了其无线网络包括定位节点、参考节点以及网关节点三种设备，其中，网关节点是网络的协调器，是无线定位系统的核心，CC2430网关射频模块电路如图3所示。

3 软件设计

网关是整个ZigBee无线网络的核心主要完成信息的无线接收和发送；无线传感器网络的建立；接收上位机发送来的数据，并转发给各个节点，故本文主要介绍网关的软件设计，网关的工作流程如图4所示。网关利用以太网与地表上的监控主机相连。首先接收由监控主机提供各个节点的配置信息，并将接收到的数据传输给网络中相应的节点实现初始化；另外，接收各节点反馈的有效信息并利用以太网传送到地表上的监控主机。管理人员通过监控主机能够掌握每个工作人员的具体位置以及每个节点的性能状况。

4 系统测试

为了完善的开发和设计完整的井下人员定位系统，本文建立了一个简单的无线定位仿真系统，并进行了定位系统的测试，本系统下位机的开发软件采用 IAR Embedded Workbench 嵌入式集成开发软件。

本系统仿真系统由5 个CC2430模块组成，其中包含网关1个、参考节点4个；1 个CC2431模块作为盲节点。CC2430/ CC2431模块实物图如图5所示。为了正常的运行和调试 IAR 软件所编写的程序，该仿真系统采用的ZigBee 调试器为SmartRF04EB 调试器。

在系统启动之前前，首先要在电脑上安装协议栈ZStack-1.4.2-1.1.0，然后用IAR软件打开已经编好的程序编译，利用USB线缆将主机与SmartRF04EB协议分析器连接，然后利用分析器的JTAG接口用专用线缆连接到CC2430模块上，将程序烧录到模块芯片中，再进行参数的配置，实现系统的搭建其中IAR编程界面如图6所示。

上位机采用美国TI公司的Z-Location Engine监控软件对每个节点测试，打开实验平台的定位软件，使用Chipcon公司提供的定位引擎对下位机进行测试，实验结果如图7所示。

参考文献：

[1]李燕涛. 基于ZigBee的井下人员定位系统的研究[J]. 西安科技大学硕士论文，2012（6）.

摘 要：近年来，我国煤矿事故频发，煤矿安全让人担忧。矿井中井下人员的管理非常困难，地面工作人员不能随时了解井下人员的分布情况及作业情况，很难进行人员定位，一旦事故发生，对井下人员的抢救非常困难。针对此问题，本文研究了一款基于 ZigBee 的井下人员无线定位系统。该系统以 CC2430/CC2431芯片为核心，利用 RSSI 定位算法，实现井下工作人员的实时定位，使地面人员随时了解井下作业人员的分布状态、作业情况等，使井下人员定位管理的有效性与可靠性大大提高，具有极大的市场经济价值。

关键词：ZigBee；井下；定位；RSSI算法

0 引言

本文以ZigBee 技术为核心技术，对系统开发进行了说明，并阐述了人员定位系统的总体结构图、软硬件系统设计方案以及上位机设计方案。最后组建了一套仿真系统，实现了实时定位的效果。本系统在 ZigBee 架构下，以 CC2430/2431 单芯片为核心，开发出的无线定位网络系统，具有定位准确、造价低廉、便于携带、体积微小、结构简单等特点，能够很好地解决井下作业人员的位置信息问题。

1 定位原理及系统架构

1.1 定位原理

本系统采用RSSI（接收信号强度指示）定位算法，该算法测距是节点最实用的测距方法之一，不需要另加硬件设备，方法实现简单。其工作原理是在已知发射节点信号功率的前提下，获取接收节点的接收到的功率，利用测量接收到的信号功率来计算定位节点距参考节点的长度，并算出传输过程中的功率损耗，通过信号传播衰减模型将传输损耗转换成节点之间的长度，进一步采用三边定位法测出定位节点的位置。

定位原理图如图1所示，CC2431无线定位引擎是以RSSI定位技术为基础，由参考节点与定位节点两部分构成。参考节点是已知位置的静态节点，这个节点知道自己的位置并能够将其位置以数据包形式通知给其他的节点。定位节点获取参考节点发来的数据包信号，以参考节点位置坐标以及相应的RSSI值为参考，将其写进定位引擎，然后由定位引擎计算得到自身的位置。参考节点传输给定位节点的数据一般由参考点的坐标参数竖直位置 Y和水平位置 X构成，而RSSI值由定位节点计算得到。

1.2 系统架构

结合矿井现场环境，采用ZigBee无线传感网络技术和RSSI精确定位算法，本系统的井下人员定位由监控中心、参考节点、网关节点、通信模块以及定位节点等部分构成，井下人员定位结构体系如图2所示。下面将对其各个模块进行简要说明。

（1）监控中心

定位系统中最高层是监控室的监控电脑。一般监控室与矿井的距离比较远，所以监控电脑通常利用以太网与井下每个节点互相联通。利用监控电脑上运行的监控软件，监控人员可与井下每个节点实时通信，准确获取井下各节点的设备参数、环境以及分布状况等信息。一旦获取到的节点数据有异常情况，监控软件便马上报警，监控人员可马上通知井下工作人员，组织井下工作人员迅速撤离。监控软件将获取的井下各节点数据保存在数据库中，对采集的数据进行分析与处理，对事故进行准确的预判。

（2）参考节点

定位装置的参考节点分为主控芯片模块、供电模块、传感器模块和无线通信模块。其中，无线通讯模块、供电模块以及处理器模块与网关节点中与其对应的模块的作用大致一样。传感器模块主要采集监控区域内数据（如瓦斯气体浓度）并将其转化成固定格式的数据，传输给监控中心。

（3）网关节点

定位装置的网关节点分为处理器模块、供电模块、串口模块以及无线通信模块。其中，处理器模块为主控模块，主要控制节点的功耗、同步定位执行以及ZigBee的路由协议等。

（4）通信模块

通信模块处于中间层，传输模式为无线和有线相结合。无线传输是利用ZigBee 无线网络技术实现定位节点、参考节点与网关节点三者之间的通信。定位系统有线传输是通过串口转换成以太网和监控主机互相连通，该模块是将多路串口采集的数据利用以太网转发传输给监控中心，或者将来自监控主机的数据通过串口转发给网关节点。

（5）定位节点

定位节点是由主控芯片模块、供电模块以及无线通信模块组成。通常是将电子标签嵌入到矿工安全帽中或者制成便携式卡片。

2 硬件设计

井下定位系统包括下位机与上位机两个主要部分。上位机监控软件安装在地表的监控电脑上。下位机的定位系统利用CC2430模块实现。下位机和上位机之间通过以太网进行连接。CC2430是全球第一个满足ZigBee技术标准的2.4GHz射频芯片，该芯片兼容IEEE802.15.4 协议标准，内嵌51系列单片机的核，并将ZigBee RF前端、存储器以及微控制器集于一身。ZigBee 标准规定了其无线网络包括定位节点、参考节点以及网关节点三种设备，其中，网关节点是网络的协调器，是无线定位系统的核心，CC2430网关射频模块电路如图3所示。

3 软件设计

网关是整个ZigBee无线网络的核心主要完成信息的无线接收和发送；无线传感器网络的建立；接收上位机发送来的数据，并转发给各个节点，故本文主要介绍网关的软件设计，网关的工作流程如图4所示。网关利用以太网与地表上的监控主机相连。首先接收由监控主机提供各个节点的配置信息，并将接收到的数据传输给网络中相应的节点实现初始化；另外，接收各节点反馈的有效信息并利用以太网传送到地表上的监控主机。管理人员通过监控主机能够掌握每个工作人员的具体位置以及每个节点的性能状况。

4 系统测试

为了完善的开发和设计完整的井下人员定位系统，本文建立了一个简单的无线定位仿真系统，并进行了定位系统的测试，本系统下位机的开发软件采用 IAR Embedded Workbench 嵌入式集成开发软件。

本系统仿真系统由5 个CC2430模块组成，其中包含网关1个、参考节点4个；1 个CC2431模块作为盲节点。CC2430/ CC2431模块实物图如图5所示。为了正常的运行和调试 IAR 软件所编写的程序，该仿真系统采用的ZigBee 调试器为SmartRF04EB 调试器。

在系统启动之前前，首先要在电脑上安装协议栈ZStack-1.4.2-1.1.0，然后用IAR软件打开已经编好的程序编译，利用USB线缆将主机与SmartRF04EB协议分析器连接，然后利用分析器的JTAG接口用专用线缆连接到CC2430模块上，将程序烧录到模块芯片中，再进行参数的配置，实现系统的搭建其中IAR编程界面如图6所示。

上位机采用美国TI公司的Z-Location Engine监控软件对每个节点测试，打开实验平台的定位软件，使用Chipcon公司提供的定位引擎对下位机进行测试，实验结果如图7所示。

参考文献：

[1]李燕涛. 基于ZigBee的井下人员定位系统的研究[J]. 西安科技大学硕士论文，2012（6）.

摘 要：近年来，我国煤矿事故频发，煤矿安全让人担忧。矿井中井下人员的管理非常困难，地面工作人员不能随时了解井下人员的分布情况及作业情况，很难进行人员定位，一旦事故发生，对井下人员的抢救非常困难。针对此问题，本文研究了一款基于 ZigBee 的井下人员无线定位系统。该系统以 CC2430/CC2431芯片为核心，利用 RSSI 定位算法，实现井下工作人员的实时定位，使地面人员随时了解井下作业人员的分布状态、作业情况等，使井下人员定位管理的有效性与可靠性大大提高，具有极大的市场经济价值。

关键词：ZigBee；井下；定位；RSSI算法

0 引言

本文以ZigBee 技术为核心技术，对系统开发进行了说明，并阐述了人员定位系统的总体结构图、软硬件系统设计方案以及上位机设计方案。最后组建了一套仿真系统，实现了实时定位的效果。本系统在 ZigBee 架构下，以 CC2430/2431 单芯片为核心，开发出的无线定位网络系统，具有定位准确、造价低廉、便于携带、体积微小、结构简单等特点，能够很好地解决井下作业人员的位置信息问题。

1 定位原理及系统架构

1.1 定位原理

本系统采用RSSI（接收信号强度指示）定位算法，该算法测距是节点最实用的测距方法之一，不需要另加硬件设备，方法实现简单。其工作原理是在已知发射节点信号功率的前提下，获取接收节点的接收到的功率，利用测量接收到的信号功率来计算定位节点距参考节点的长度，并算出传输过程中的功率损耗，通过信号传播衰减模型将传输损耗转换成节点之间的长度，进一步采用三边定位法测出定位节点的位置。

定位原理图如图1所示，CC2431无线定位引擎是以RSSI定位技术为基础，由参考节点与定位节点两部分构成。参考节点是已知位置的静态节点，这个节点知道自己的位置并能够将其位置以数据包形式通知给其他的节点。定位节点获取参考节点发来的数据包信号，以参考节点位置坐标以及相应的RSSI值为参考，将其写进定位引擎，然后由定位引擎计算得到自身的位置。参考节点传输给定位节点的数据一般由参考点的坐标参数竖直位置 Y和水平位置 X构成，而RSSI值由定位节点计算得到。

1.2 系统架构

结合矿井现场环境，采用ZigBee无线传感网络技术和RSSI精确定位算法，本系统的井下人员定位由监控中心、参考节点、网关节点、通信模块以及定位节点等部分构成，井下人员定位结构体系如图2所示。下面将对其各个模块进行简要说明。

（1）监控中心

定位系统中最高层是监控室的监控电脑。一般监控室与矿井的距离比较远，所以监控电脑通常利用以太网与井下每个节点互相联通。利用监控电脑上运行的监控软件，监控人员可与井下每个节点实时通信，准确获取井下各节点的设备参数、环境以及分布状况等信息。一旦获取到的节点数据有异常情况，监控软件便马上报警，监控人员可马上通知井下工作人员，组织井下工作人员迅速撤离。监控软件将获取的井下各节点数据保存在数据库中，对采集的数据进行分析与处理，对事故进行准确的预判。

（2）参考节点

定位装置的参考节点分为主控芯片模块、供电模块、传感器模块和无线通信模块。其中，无线通讯模块、供电模块以及处理器模块与网关节点中与其对应的模块的作用大致一样。传感器模块主要采集监控区域内数据（如瓦斯气体浓度）并将其转化成固定格式的数据，传输给监控中心。

（3）网关节点

定位装置的网关节点分为处理器模块、供电模块、串口模块以及无线通信模块。其中，处理器模块为主控模块，主要控制节点的功耗、同步定位执行以及ZigBee的路由协议等。

（4）通信模块

通信模块处于中间层，传输模式为无线和有线相结合。无线传输是利用ZigBee 无线网络技术实现定位节点、参考节点与网关节点三者之间的通信。定位系统有线传输是通过串口转换成以太网和监控主机互相连通，该模块是将多路串口采集的数据利用以太网转发传输给监控中心，或者将来自监控主机的数据通过串口转发给网关节点。

（5）定位节点

定位节点是由主控芯片模块、供电模块以及无线通信模块组成。通常是将电子标签嵌入到矿工安全帽中或者制成便携式卡片。

2 硬件设计

井下定位系统包括下位机与上位机两个主要部分。上位机监控软件安装在地表的监控电脑上。下位机的定位系统利用CC2430模块实现。下位机和上位机之间通过以太网进行连接。CC2430是全球第一个满足ZigBee技术标准的2.4GHz射频芯片，该芯片兼容IEEE802.15.4 协议标准，内嵌51系列单片机的核，并将ZigBee RF前端、存储器以及微控制器集于一身。ZigBee 标准规定了其无线网络包括定位节点、参考节点以及网关节点三种设备，其中，网关节点是网络的协调器，是无线定位系统的核心，CC2430网关射频模块电路如图3所示。

3 软件设计

网关是整个ZigBee无线网络的核心主要完成信息的无线接收和发送；无线传感器网络的建立；接收上位机发送来的数据，并转发给各个节点，故本文主要介绍网关的软件设计，网关的工作流程如图4所示。网关利用以太网与地表上的监控主机相连。首先接收由监控主机提供各个节点的配置信息，并将接收到的数据传输给网络中相应的节点实现初始化；另外，接收各节点反馈的有效信息并利用以太网传送到地表上的监控主机。管理人员通过监控主机能够掌握每个工作人员的具体位置以及每个节点的性能状况。

4 系统测试

为了完善的开发和设计完整的井下人员定位系统，本文建立了一个简单的无线定位仿真系统，并进行了定位系统的测试，本系统下位机的开发软件采用 IAR Embedded Workbench 嵌入式集成开发软件。

本系统仿真系统由5 个CC2430模块组成，其中包含网关1个、参考节点4个；1 个CC2431模块作为盲节点。CC2430/ CC2431模块实物图如图5所示。为了正常的运行和调试 IAR 软件所编写的程序，该仿真系统采用的ZigBee 调试器为SmartRF04EB 调试器。

在系统启动之前前，首先要在电脑上安装协议栈ZStack-1.4.2-1.1.0，然后用IAR软件打开已经编好的程序编译，利用USB线缆将主机与SmartRF04EB协议分析器连接，然后利用分析器的JTAG接口用专用线缆连接到CC2430模块上，将程序烧录到模块芯片中，再进行参数的配置，实现系统的搭建其中IAR编程界面如图6所示。

上位机采用美国TI公司的Z-Location Engine监控软件对每个节点测试，打开实验平台的定位软件，使用Chipcon公司提供的定位引擎对下位机进行测试，实验结果如图7所示。

参考文献：

[1]李燕涛. 基于ZigBee的井下人员定位系统的研究[J]. 西安科技大学硕士论文，2012（6）.