基于ZigBee技术的煤矿井下人员定位系统

汝彦冬

(黑龙江科技大学电子与信息工程学院，哈尔滨150027)

1 基于ZigBee井下人员定位的意义

我国的煤炭生产量和煤炭使用量位居世界第一，煤炭的安全生产一直是相关部门工作的重点，采取切实有效的管理和技术手段来保障井下工作人员的生命安全一直是煤矿生产的重中之重.井下人员定位系统是煤矿安全生产中优先建设的重要系统之一，是井上人员掌握井下人员具体工作状态和工作位置的重要手段之一，同时也能提供精准的人员定位数据，为矿井灾害事前预警和灾后人员救援顺利进行提供保障.

常见的煤矿井下定位系统主要是基于RFID技术的，该技术定位精度不高，大概10 m左右，实现不了井上人员对井下工作人员的精准定位，漏检现象时有发生，定位成功率不高，同时功率消耗较大，难以较长时间持续工作.GPS、CDMA、GSM等定位技术则受制于信号覆盖和经济成本，很难应用在煤矿.而ZigBee作为一种能量消耗低、较底的使用成本、大容量网络、节点自组织性能优越、信号抗干扰能力强的无线通信技术[1]，恰恰决定了它在以人员识别和位置探测为基础的井下人员定位系统应用中有其独特的优势.本文采用ZigBee技术实现井下人员定位，无线覆盖范围广，具有自恢复功能，实现了井下人员的3 m高精度定位，ZigBee无线通信技术具有特殊的碰撞避免策略和灵活的随机算法可以保证不漏检，可以作为人员定位系统被采用.

2 井下人员定位的硬件实现

图1 人员定位系统整体结构框图

井下人员定位系统需要完成的任务是:利用井下的人员定位网络，采集井下工作人员的信号强度，确定人员的位置信息，将人员的位置信息进行编码计算处理后，通过传输基站传输给地面的控制中心.控制中心将人员的位置信息和预存的矿井地理信息进行综合，显示人员所在矿井的具体位置，人员定位系统的结构如图1所示，系统由井上和井下两部分组成，井下部分由传输部分，信息采集部分组成、移动节点在井下移动，以参考节点作为参考，和参考节点进行通信比较，最后确定和参考节点的相对位置，进而确定自己的位置[2].由参考节点、移动节点和协调器节电三部分共同完成人员定位，传输基站负责转发信息给井下交换机，进而将信息传输到井上控制中心.

2.1 参考节点的设计

本定位系统中，参考节点是被预先布设在井下的作为位置参考的固定设备，它完成的功能是:周期性地对移动节电和协调器发送通信信号，接收移动节电的入网或离网要求，并为其入网或离网提供配置服务，实时检测移动节电的无线信号强度，建立无线信号强度参考表作为定位参考，将检测结果直接或者通过其它相邻节点逐跳发送给协调器，再由协调器将信息发送到传输基站，最综传输到井上控制中心[3].

参考节电采用CC2431作为中心控制器，由于CC2431只要很少的外部元件支持便可以正常工作，这样就大大简化了硬件设计[1].参考节点的硬件原理图如图2所示.CC2431具有Motorola的有许可证的定位检测硬件核心，能够实现0.25 m的定位分辨率和3 m左右的定位精度，定位时间短于40 μs.但CC2431做成的定位系统，需要至少8个参考节点才能组成无线定位网络.参考节电周期性的自检，如果发现硬件故障则报警通知工作人员，平时采用有线电源供电，如果有线电源无法供电，则通知协调器电源故障，并自动采用备用电池供电.

图2 参考节点的硬件设计

2.2 移动节点的设计

在定位系统中，移动节点是指井下现场工作人员随身携带的检测和通信设备，用来完成井下工作人员的位置定位和人员状态监测，其任务是:实时监测工作人员的生命特征，遇到紧急情况声光报警并发送急救信号到井上，完成井下工作人员的定位功能.移动节电实时向参考节点发出通信定位请求，或接收参考节点发出的通信定位请求;接收参考节点发出的通信广播信号，并向参考节点返回接收到的信号强度作为定位参考，该信号强度作为定位的依据;同时移动节电也作为通信中继路由完成信息的中继传输[4].移动节点的核心只需使用CC2431即可.移动节电采用电池供电，保证一次性充电至少可以维持24 h.其硬件原理如图3所示.

图3 移动节点的硬件设计

2.3 协调器的设计

在该定位系统中，协调器的主要功能是为移动节电和参考节电提供路由服务，实时接收参考节电和移动节电节点发送过来的定位信息，根据定位信息完成定位算法，定位工作完成后，将定位信息通过RS232接口传输到传输基站上[5].其结构框图如图4所示.协调器节点采用非平衡天线，通过连接非平衡变压器 使天线接收和发射性能更好，CPU采用三星公司的S3C44B0实现，主供电源采用有线供电，附带高性能能备用电池，保证有线线路出现故障时，系统能够正常工作.同时利用RS232接口将采集到的信息传输给传输基站，当通信中断时，确定该协调器故障，通知井上人员维修或更换协调器[6].

图4 协调器节点的硬件设计

3 完成定位功能的各部分程序框图

完成人员定位主要由移动节电，参考节电和协调器三部分组成，三个节电协同工作，组建能实现ZigBee定位的无线网络，实现对井下工作人员的无线定位，并且完成定位信息的无线传输.

3.1 移动节点的程序框图

本定位系统中，移动节点是实现人员定位的重要组成部分之一，是被定位的目标，它主要完成如下一些功能:自动实现移动节电的入网和离网功能，并且保证移动过程中不断网，实时采集佩带人员生命特征信息，遇到紧急情况报警并发信息向井上人员求救，向参考节点发送定位请求;周期发送稳定的无线信号供参考节电接收使用，完成部分路由的功能;可以作为信息中转站将信息转发，同时预留功能扩展接口，可以根据现场需要搭载瓦斯传感器、温度传感器等井下常见的测量设备，实现部分监测现场环境功能.见图5.

3.2 协调器节点

协调器节点是 ZigBee网络的核心节点，负责整个ZigBee网络的建立和核心定位算法的实现，完成定位信息与传输基站的通信，管理和优化Zig-Bee网络性能，对采集到的数据进行验证加工;传达上位机的数据配置命令，配置参考节点和移动节电，作为ZigBee网络的核心路由完成路由功能.程序流程图如图6所示

图6 协调节电程序流程图

3.3 参考节电的程序设计

参考节电实现与移动节电的实时通信，参考节电分为常用节电和备用节电.常用节电用来实现与移动节电的通信，根据接收信号的强度，分析参考节电与移动节电的距离进而实现定位功能[7].常用节电周期性的与协调器进行通信，确认自己正常的工作状态，传输与移动节电通信测试的信号结果，备用节电周期性的与协调器进行通信，如果常用节电异常，则协调器唤醒备用节电代替常用节电，实现对移动节电的定位功能[1].

4 定位算法和参考节电部署

4.1 定位算法

本设计的定位算法采用热点簇中心定位算法，利用固定阵列分布的参考节点监测移动节点发出信号的接收的信号强度指示值，将测量值返回到参考节点.建立参考节点数值查询库，用于储存其信号覆盖范围内所有与移动节电通信的信号接收的信号强度指示值，当建立完成参考节点查询库后，利用这个该查询库产生参考节电通信信号的接收的信号强度指示值分布图.当移动节点需要定位时，由定位区域中的多个参考节电之间互相通信，就可以生成定位区域中有信号的移动节电的接收的信号强度指示值分布图，并由此利用本算法进行定位计算[8]，算法如图7所示.

图7 定位算法

4.2 节电部署原则

由于系统是采用参考节电进行定位，定位算法要求至少有8个参考节点参与定位，参考节点覆盖井下区域时必须保证区域内所有移动节电至少被8个以上的参考节电信号覆盖;由于本系统的参考节点都是固定在某些位置的，一旦某一重要位置的节点失效或损坏，不可能通过改变网络组织结构的方式去弥补.所以为了保障定位的顺利进行，除了定位系统中所必须的参考节点外，还必须引入一定数量的参考冗余节点.它们的分布依据节点能量损耗的的特点，按照距 ZigBee网络协调器的距离由近到远，由密到疏布署;在 热点簇中心定位算法中，定位的依据为参考节电的位置，但是矿井下的环境多变，尤其是一旦出现事故，很可能造成地形的完全改变，给救助救援提供障碍，这样原有的参考节点数据就不能作为定位依据了.为防止这种情况出现，应在定位部署完成后留下一部分的固定参考节点，在平时一直保持睡眠状态，只在出现紧急情况时被唤醒，不仅可以用来重新建立参考节点数据库，还可以帮助分担紧急事态时的通信压力.

5 结语

本文通过对煤矿井下人员定位系统进行研究，设计出能满足井下人员定位需求的人员定位系统，给出了定位系统重要三个部分的整体框图，并且阐述了每部分的程序流程图，最后对本项目采用的定位算法进行研究，并给出了算法的运算过程，同时针对本系统的工作流程，说明了井下定位系统的部署原则，可以作为煤矿井下定位的参考.

[1]汝彦冬.基于ZigBee技术的无线瓦斯传感器的设计[J].工业仪表与自动化装置，2013(6):43－45.

[2]汝彦冬.新型井下监控分站的设计[J].自动化仪表，2010(8):33－34.

[3]王军号，孟祥瑞.物联网感知技术在煤矿瓦斯监测系统中的应用[J].煤炭科学技术，2012(5):23－24.

[4]罗 俊，阎连龙.基于ZigBee的煤矿监控网络节点设计[J].国外电子元器件，2008(8):19－21.

[5]吴静然，李秀凤，吴 倩.基于WiFi的煤矿井下智能终端设计[J].工矿自动化，2013，39(4):45－47.

[6]汝彦冬.一种煤矿监控分站[P].中国:201120232342.8，2012.

[7]汝彦冬.基于GPRS和ZigBee技术的公交车智能监测系统[P].中国:201220572602.0，2013.

[8]孙延飞.矿井安全智能监测无线传感器网络关键技术研究[M].武汉:武汉理工大学，2013.