基于ZigBee的户外作业监控及安全管理系统

王 茜

（电子科技大学成都学院 微电子技术系，四川 成都 611731）

随着国家基础建设工程规模的扩大，户外作业的安全问题愈加凸显。户外施工现场覆盖范围广、施工人员多且流动性强，需要进行更加科学、高效、安全的监管。为了更好地监督户外生产作业状况，尤其是生产进度和生产过程中的安全风险，对施工现场和施工人员的信息有一个全面、及时、准确的掌握，建立一套工程人员安全管理系统十分必要。

基于ZigBee的户外作业监控及安全管理系统结合了3G网络，是集工程施工人员动态记录与出入管理、区域定位、紧急事件告警、辅助管理等功能于一体的施工现场监测系统。通过该系统，可以使工程管理部门及时了解施工进展情况，掌握施工现场人员的基本信息和施工人员实时活动状况，并对施工现场的人员分布进行统计，为相关部门合理安排施工力量、及时对处于危险环境的人员实施救援提供辅助决策信息，提高工作效率。

与基于GPS和GSM无线通信技术的户外作业人员定位考勤和监管系统相比，基于ZigBee技术的定位系统具有低功耗、高精度、低成本、体积小、响应快、工作安全稳定等优势［1-2］。

1 ZigBee系统的整体架构

户外作业监控及安全管理系统由终端设备系统、中转站系统和管理部门的监控系统组成［3］。终端设备与中转站之间通过ZigBee网络连接，中转站是ZigBee的协调器部分，即子网络的主机［4］；中转站与管理部门的监控中心系统则是通过3G网络连接，由此即可实现子网络的无限扩展，使整个系统的人员情况都可以通过网络实时访问和历史访问。在终端设备与中转站之间形成的局域网内，可以实现对持有终端的人员定位和接收报警信息，同时将数据实时传送到监控系统上。监控系统将人员位置显示在电子地图上，从而实现对人员的定位、考勤、安全监控处理。依据人员的历史位置信息及位置变化曲线了解人员活动及整个工程的进展，相关部门可以合理进行工作分配和人员调度。系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

2 系统的硬件设计

户外作业监控及安全管理系统包括终端设备、中转站、监控中心等3个子系统。

2.1 终端设备系统

终端设备是局域网内的盲节点设备，每个盲节点设备都有3项功能：（1）触发报警功能，一旦出现危险状况就可以手动向监控中心发出报警；（2）警示功能，如电池缺电、设备故障等警示，监控中心向节点发出的警告；（3）数据收发和处理的功能。为了能够实现实时定位人员位置，要求每一名工人佩戴一个节点［5］。该设备的硬件主要由锂电池、ZigBee模块构成，如图2所示。

图2 终端设备硬件框图

ZigBee无线收发芯片采用TI公司的CC2530。该款芯片工作频率为2.4GHz，是集微处理器模块和无线收发模块于一体的单芯片SOC，具有低成本、高性能和低功耗的特点，专门用于IEEE 802.15.4对等网络、星型网络或ZigBee PRO网状网应用，是目前众多ZigBee设备产品中表现最为出众的微处理器之一［6］。CC2530有16个信道可供选择，完美支持z-stack 2007Pro协议栈，具有多种模式选择，并且功耗低、体积小、外设接口丰富。

由于CC2530芯片内集成了许多特色功能模块，而终端设备系统为独立的RF系统，因此，其典型的外围电路也就非常简洁，由该芯片所设计的硬件电路简单、轻巧、携带方便，非常符合设计需求。其中，主时钟晶振采用32MHz无源晶振，辅助时钟采用32.768 kHz的时钟晶振；无线RF模块外围电路采用巴伦阻抗匹配网络，天线可以通过0Ω电阻来选择使用板载PCB天线或者50Ω鞭状天线［7］。

由于户外作业监控及安全管理系统的天线都属于单极天线，而CC2530采用的是差分的RF端口，因此，采用巴伦电路（即平衡／非平衡转换器）来实现转换。巴伦电路的参数直接影响着RF系统天线的性能，本系统的巴伦电路参数是在参考官方数据［8］的前提下，根据实际效果进行了调节而获得的。

在无线RF系统中，良好的电源性能有助于RF系统性能的提升，电源的性能不仅关系着系统的稳定性，更重要的是对RF的发射距离及接收灵敏度都有着非常大的影响［9］。特别是本系统中还集成了12位ADC，基准源选择采用内部参考电压，因此电源性能还直接影响着ADC的精度。本系统在电源的输入处采用高阻抗磁珠和大电容对进行耦合滤波，在芯片的所有供电引脚旁都设计有射频段的耦合电容，以降低整个系统的供电阻抗。电源及电池监测电路如图3所示。

图3 电源及电池监测电路

2.2 中转站系统

中转站系统是移动节点和监控中心的中继器及网络转换器，主要由ZigBee模块和3G模块组成。这里的ZigBee模块永远是协调器，每个协调器负责一个子网络，一个子网络由终端设备和协调器组成（最多255个节点），选择树状网络拓扑结构［10］。该系统设备为非便携式设备，其硬件系统由ZigBee模块、3G模块、电源模块构成，硬件框架如图4所示。

2.3 监控中心系统

图4 中转站硬件框图

监控中心系统是整个系统的管理和监控中心，由PC平台及相关软件构成，主要实现从网络获取现场人员的位置及其他数据，并利用平台软件处理成每个点在电子地图上的分布形式，实时记录每个点的运动轨迹和显示状态。

3 无线传感网络系统

3.1 网络系统的构成

在户外作业监控及安全管理系统中，由互联网与无线传感网络系统构成物联网系统。在无线传感网络系统里，由参考节点（即已知位置的静态节点）和盲节点（即待定位置的移动节点）组成，每个网络内有10个参考节点（一个协调器和9个路由器节点）、多个盲节点、某个固定路由器节点和协调器形成树形网络结构。为了防止数据通信闭塞、增大网络容量、扩大网络覆盖范围，系统选择树形网络的最大网络深度为2，并在不同的子网络间采用分信道工作机制［11］。由于采用树形网络，在网络中的节点设备都是FFD设备，这样可以增强网络的灵活性和可靠性。

3.2 参考节点和盲节点

参考节点融合该节点采集的数据和下级节点数据，并负责将数据转发给中转站系统中的协调器，再由中转站通过3G模块向监控中心转发全部子网络数据。

本系统中的安全帽节点即为盲节点。它们负责自己的信号强弱及其他数据采集并向上级传输数据。盲节点至少能接收到3个参考节点的广播信息，根据接收到的固定节点的能量强弱，选择能量最强的节点并从属之。

3.3 人员定位的实现

在目前成熟的定位算法中，根据是否需要测量节点间的距离可分为自我定位和基于网络的定位。自我定位是指被定位节点通过测量自己相对于某个已知位置发送器的距离和方向来确定自己的位置；而基于网络的定位则需要事先已知网络中参考节点的位置，然后再利用一系列的测量方法和算法来计算自己在网络中的位置。其中，基于接收信号强度指示（received signal strength indicator，RSSI）的测距算法提供了一种廉价的定位方法。

RSSI是指节点接收到的无线信号强度大小。在基于RSSI的定位中，已知发射节点的发射信号强度，接收节点根据接收到信号的强度计算出信号的传播损耗，利用理论和经验模型将传输损耗转化为距离，再利用已有的算法计算出节点的位置。该技术对硬件要求较低、算法相对简单，在实验室环境中能表现出良好特性，但由于环境因素变化的原因，在实际应用中往往还需要改进。

接收信号强度RSSI是发射功率以及发射器与接收器间距离的函数［12］，它的理论值可表示为

其中，n代表信号传播常量（也称为传播指数）；d代表距发射器间的距离；A代表距离1m时的接收信号强度。

信号的衰减与距离成对数衰减的关系。节点到信号源的距离越近，由RSSI值的偏差产生的绝对距离误差越小；而当距离大于某一值时，由RSSI波动造成的绝对距离误差将会很大。一个未知节点可能收到n个参考节点的信号，所以应当采用RSSI值大的前几个参考节点进行定位计算，这样可以避免产生较大定位误差。最后根据三边定位算法［13］，计算出现场人员的二维信息。

4 安全管理

监控中心利用收集到的每个盲节点的数据，处理成该节点在电子地图上的位置和安全状态，而电子地图就是标有参考节点位置的施工现场平面图。根据监控到的每个盲节点位置变化的信息和状态，就可以对每个现场人员进行考勤、出入管理和安全监控，一旦出现危险状况就可以快速地进行有针对性的施救。当工人出现在不合理的地方时，监控中心也可以向该节点发出警告。根据所有节点位置移动的曲线还可以了解整个工程的施工进度，并分析各部分的人员结构的合理性，进而有助于更合理地安排工程计划。

5 结束语

无线传感是当前信息领域研究的热点之一。本户外作业监控及安全管理系统采用3G模块结合先进的无线传感网络，能够实现高精度、低功耗、快响应、低成本、简洁方便的实时户外作业的监控与管理，满足许多户外作业安全监测与管理需求，提高作业部门的管理和调度效率，并增强安全管理水平。

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［1］翟雷，刘盛德，胡咸斌.ZigBee技术及应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2007.

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［3］Hirakata Y，Nakamura A，Ohno K，et al.Navigation system using ZigBee wireless sensor network for parking：ITS Telecommunications （ITST）［C］／／2012 12th International ConferenceTaipei：IEEE，2012.

［4］刘市生，张贤华.ZigBee网络层的设计与实现［J］.无线电工程，2008，38（11）：7-9.

［5］李文仲，段朝玉.ZigBee2006无线网络与无线定位实战［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008.

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［7］Warren L S，Gary A T.天线理论与设计［M］.朱守正，安同一，译.北京：人民邮电出版社，2006.

［8］Texas Instruments.CC2530Development Kit User’s Guide：Texas，SWRU209B［M／OL］.［2014-05-18］.http：／／wenku.baidu.com／view／71beb9c458f5f61fb7366652.html.

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［12］章坚武，张璐，应瑛，等.基于ZigBee的RSSI测距研究［J］.传感技术学报，2009，22（2）：285-288.

［13］任维政，徐连明，邓中亮，等.基于RSSI的测距差分修正定位算法［J］.传感技术学报，2008，21（7）：1247-1250.