基于Zigbee网络矿井下人员定位的硬件系统设计

2015-03-23张艳红

科技资讯 2014年33期

张艳红

摘要：该文研究了Zigbee网络矿井人员定位硬件系统组网思路与设计。井下硬件拟用参考节点CC2430芯片，定位节点CC2431芯片，矿井人员定位通过无线强度信号衰减（RSSI）方式实现。井上硬件采用服务器，结合使用以太网Ethernet有线网络和ZigBee无线网络进行相关数据处理。

关键词：Zigbee技术 CC2430/CC2431 RSSI

中图分类号：TD76 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）11（c）-0018-01

近年来，矿井重大、特大事故时有发生，事发后制定救援方案，对井下遇险人员的准确定位是十分重要的。针对矿井下复杂的工作环境，基于Zigbee网络技术的井下人员无线定位系统具有十分重要的意义。Zigbee网络整个系统是由地面有线网络和井下全覆盖的无线传感器网络共同组成。井下巷道内布置有若干个无线信标，无线定位传感器被植入到矿井人员的矿帽内，无线信标通过对无线传感器实时信号的搜集和发射，且对矿井人员实时准确的定位，再由无线传感器网络将数据的信息实时的传送至地面的计算机，地面计算机可直接收数据，并对数据进行存储、计算和分析，这样就可对井下人员进行实时的监测。该文就Zigbee网络对矿井人员定位的硬件系统进行研究，该系统主要由井下无线传感器网络和地面监控计算机两大部分构成。

1 井下硬件结构

井下硬件结构采用的是Zigbee网络定位系统，它分别由移动定位终端、基准定位器、定位分站和矿用光纤等四部分组成。

移动定位终端由zigBee网络中数量庞大的RFD构成。移动定位终端定时发送数据包给无线网络，并将查询的数据发送给监控中心。

基准定位器使用普通或功率增强型Zigbee模块，定位基准器相当于Zigbee网络中路由器，为全功能设备（FFD），和井下人员携带的移动定位终端进行联络，且根据提供信息的数据，再由RSSI计算出移动定位终端数据，并将数据传送给定位分站。

定位分站作为一个Zigbee网络的协调器，其总节点是由网络数据传输构成，也是有线网络和无线网络的接口，且负责Zigbee网络的创建、维护及管理。

光纤传输子系统采用光纤以太网。光纤传输具有频率特性好、频带宽、衰减小、抗电磁干扰能力强等特点，无需中继补偿，信号传输的可靠性和质量都得到了提高。

2 井下硬件设计

2.1 Zigbee的选择

该定位跟踪系统是基于网络平台构建起来的，移动节点定位通过CC2431内部集成的硬件定位引擎而实现，该芯片具有低功耗、抗干扰能力强等特点，适应于井下短距离的无线网络。为了能降低成本，其中网关及参考节点的主控芯片选用CC2430，移动节点选用CC2431，两款芯片的主要的差别就是CC2431有跟踪定位引擎，而CC2430没有跟踪定位引擎。

2.2 CC2430/CC2431定位引擎设计

定位引擎基于RSSI技术，且它由定位节点、路由节点和接入节点等组成。如图1所示，分别对B1、B2和B3的定位节点路由路径加以说明；其中路由节点、接入节点和定位节点分别由A、甲、乙、B代表。从图中不难看出B1处于A2和A3两个节点的检测的范围内，因为B1被障碍物阻挡，只能与A2联络，而不能与A3联络，从图1中可看出其路由路径为：

B1--A2--A1--甲--以太网

B3同时处于A3和A4两个节点的检测范围之内，因为B3被障碍物阻挡，只能与A4正常联络，而不能与A3联络，因此可看出其路由路径为：

B3--A4--A5--乙--以太网

B2同时处于A3和A4两个节点的检测范围之内，由于B2没有被任何障碍物所阻挡，因此它能同时和A3、A4同时联络，路由路径为：

B2--A4--A5--乙--以太网

B2--A3--A2--A1--甲--以太网

由此可得，CC2431硬件定位引擎不需占用处理器的时间，只需写入参考节点坐标和测量参数，就能快速度、高精度处理数据，并计算出移动节点坐标参数，实现定位追踪。

3 井上硬件结构与设计

井口建立井端服务器，汇接井下采集的现场数据，地面监控计算机负责数据的分析、处理、汇总和统计，并接入Internet网，结合使用以Ethernet（IEEE802.3）有线网络和Zigbee无线网络，通过以太网关将无线信息传送转变为有线信息的传送。

4 结语

该文提出了一种基于Zigbee技术的井下人员无线定位系统硬件系统的设计，为矿井事故抢救人员安全和财产安全争取宝贵有限的时间，很大程度上提高了矿井下救援的效率。

参考文献