基于ZigBee的井下人员定位系统研究

朱庆豪

摘 要： 为了准确掌握煤矿井下人员的数量和位置、遇险后撤退路线、井下的环境监测等情况，研究设计了井下人员定位系统。系统采用ZigBee技术，实现冗余无线自组网络传输数据。系统由井下检测站、身份识别卡、集中器和管理主机组成，实现对井下人员位置等信息采集，并通过集中器传输给上位机，为预防事故、排查隐患、抢险救援等提供方便。

关键词： ZigBee； 定位系统； 身份识别； 井下人员定位

中图分类号： TN926?34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）06?0147?03

Underground personnel positioning system based on ZigBee technology

ZHU Qinghao

（Shandong University of Science and Technology， Taian 271021， China）

Abstract： To accurately grasp the number and location of the persons in underground coal mine， retreat route after disaster， environment monitoring in underground coal mine， etc， the underground personnel positioning system was designed. The ZigBee technology is used in this system to realize the data transmission of the redundant Ad Hoc wireless network. The system is composed of underground testing station， identification card， concentrator and management host， which can realize the information collection of the underground personnel position， and then transmit the information to the host computer through concentrator. The system can provide the convenience for accident prevention， hidden danger checking and emergency rescue.

Keywords： ZigBee； positioning system； identity recognition；undergground personnel positioning

0 引 言

近年来，国家非常重视煤矿安全生产工作，已颁布多项法规明确煤矿开采的必备条件，明确要求准确掌握井下人员的数量和位置、遇险后撤退路线、井下的环境监测等情况。因此，煤矿迫切需要利用相应的矿井人员跟踪定位设备，全天候对煤矿入井人员进行实时自动跟踪和考勤，随时掌握每个员工在井下的位置及活动轨迹、全矿井下人员的位置分布情况以及井下人员位置。在此背景下，笔者等人和山东某矿业集团公司共同开发了基于ZigBee的井下人员定位系统[1]。

本系统采用ZigBee技术，选用Chipcon公司的无线收发模块CC2430和CC2431，具有功耗低、体积小、成本低等特点；采用冗余无线自组网络传输数据，适用于复杂多变的环境、不方便铺设传输线缆的矿井[2?3]。

1 系统整体方案设计

本系统主要由井下检测站、身份识别卡、集中器和管理主机组成，检测站和身份识别卡可以看作ZigBee网络的节点[4?5]。整个系统中检测站是固定的，而身份识别卡则是移动的，身份识别卡在移动过程中与各检测站进行组网。系统示意图如图1所示。

其中集中器负责把通过ZigBee网络采集到的数据转化为TCP/IP协议接入以太网，以太网内的管理主机通过TCP/IP协议接收数据或者将上位机发送过来的数据传送给各检测站。

检测站负责对识别卡的信息采集和跟踪定位，采用无线自组网技术和优化的路由算法，使检测站采集到的识别卡信息和跟踪定位数据按优化的路由路径传到邻近的检测站，然后传到集中器。

身份识别卡由井下人员携带（可安装在矿灯上），用于存储人员基本信息，在移动过程中与监测站进行自组网，实现人员定位。

管理主机通过软件处理收到的定位数据并实时显示井下人员的位置和其他相关信息；管理软件既可查看井下人员定位信息及考勤记录情况，也可实时显示井下人员的所在位置及活动记录等。

图1 系统示意图

2 系统各单元设计

2.1 集中器设计

集中器的核心模块选用CC2430，它一方面负责接收由上位机提供的检测站和身份识别卡的配置数据，并根据不同的方式发送给相应的节点（检测站或身份识别卡）；另一方面接收各检测站反馈的有效数据并传输给上位机。程序中要处理检测站和身份识别卡的配置数据[6]，包括操作系统值、各节点网络地址、有效数据长度、坐标数据长度和坐标数据等，其程序设计流程图如图2所示。集中器接收、发送参考程序如下：

…… //接收参考程序

LOCATION_XY_RSSI_RESPONSE， //RSSI信号应答

LOCATION_BLINDNODE_FIND_RESPONSE，

//身份识别卡发现应答

LOCATION_BLINDNODE_CONFIG， //身份识别卡信息配置

LOCATION_REFNODE_CONFIG， //检测站信息配置

……

…… //发送参考程序

LOCATION_XY_RSSI_REQUEST， //RSSI信号请求

LOCATION_BLINDNODE_FIND_REQUEST，

//发现身份识别卡请求

LOCATION_REFNODE_CONFIG， //检测站信息配置

LOCATION_BLINDNODE_CONFIG， //身份识别卡信息配置

LOCATION_REFNODE_REQUEST_CONFIG，

//检测站请求配置

LOCATION_BLINDNODE_REQUEST_CONFIG，

//身份识别卡请求配置

……

图2 集中器程序设计流程图

2.2 检测站设计

检测站为固定节点，其坐标位置（x，y）是固定的，核心模块选用CC2431，其中6个检测站为1组确定一个区域的定位，可正确地配置在定位区域中的位置。它可以提供一个包含自己位置x，y坐标和RSSI值的信息包给身份识别卡。程序设计部分处理的数据包括四个部分内容，分别是：RSSI请求（发送收集的RSSI值平均值给身份识别卡）、检测站信息配置（根据集中器发送的数据配置检测站的坐标，配置后数据将写入FLASH中）、检测站请求配置（发送检测站自身配置信息坐标给集中器）、收集RSSI值（多次收集自身和身份识别卡之间的RSSI值）[7]，其程序设计流程图如图3所示。

图3 检测站程序设计流程图

2.3 身份识别卡设计

身份识别卡是移动节点，可在井下任意区域移动，通过接收定位区域内所有检测站的RSSI值后，经过定位算法来计算其坐标位置。其核心模块由CC2431芯片实现，可以实现0.25 m的定位分辨率，定位时间小于40 μs。身份识别卡可以与离自己最近的检测站通话，收集这些定位节点的x，y坐标和RSSI值，并根据这些信息和输入参数一起计算自己的位置信息，然后把这些信息反馈给检测站。这部分程序设计共包含5个方面的信息：xy_RSSI请求、xy_RSSI应答、身份识别卡发现请求、身份识别卡信息配置、身份识别卡请求配置等，其程序设计流程图如图4所示。

图4 身份识别卡程序设计流程图

2.4 管理主机界面设计

本系统管理主机界面采用模块化设计，编程语言为VC++[8]。其主要用于设置检测站位置信息、接收检测站发送的身份识别卡信息、模拟井下环境和动态显示井下人员信息等。系统的主要功能模块包括实时显示、数据查询、身份识别卡管理、活动轨迹管理和系统维护等。系统模块组成如图5所示。

图5 管理主机界面系统模块组成

每个功能模块的具体功能是：

（1） 实时显示模块进行实时分析处理并显示当前井下各巷道人员分布等情况，当井下人员进入某个监测站的检测范围并被检测到时，管理主机界面即在矿井地图上相应的位置将该人员以闪烁红点的方式在屏幕上显示出来，同时标注该人员的ID号。

（2） 数据查询模块主要完成通过各种条件对原始数据进行检索并汇总的功能，具体包括：查询井下人员的动态分布数量和情况，查询每一位井下人员当前位置或指定时间所处的位置，查询某一指定位置的人员情况等。

（3） 身份识别卡管理模块包括身份编码分配、更新、统计汇总等。

（4） 活动轨迹管理模块主要是记录井下人员活动轨迹，实现对井下人员活动范围及轨迹、停留时间及当前所处位置的管理，同时可生成报表打印等。

（5） 系统维护模块主要是完成对整个管理系统进行初始化操作和对各种与系统相关的重要数据进行维护的功能，如基本信息维护，操作人员维护，巷道各监测站维护和数据库维护等。

3 结 语

本系统利用CC2431的定位引擎功能，在准确定位的同时也能及时掌握井下人员的工作状况，为预防事故、排查隐患、抢险救援等提供了方便，极大地减少了事故发生率和人员伤亡率[9?10]。但由于井下环境较差，系统运行中还存在一些不足之处，如在抗干扰、信号传输等方面需进一步完善。

参考文献

[1] 安葳鹏，沈志广，潘亚峰.基于ZigBee井下人员定位系统关键问题研究[J].煤矿安全，2009（5）：71?73.

[2] 李洪宇.井下人员定位系统[D].青岛：山东科技大学，2004.

[3] 致远电子.ZigBee技术在井下安全中的应用[J].电子技术应用，2011（5）：18?19.

[4] 彭燕.基于ZigBee 的无线传感器网络研究[J].现代电子技术，2011，34（5）：49?51.

[5] 李小珉，赵志宏，郭志，等.ZigBee无线传感器网络的研究与实现[J].电子测量技术，2007，30（6）：133?137.

[6] 张玉英，龙玥.基于ZigBee技术的煤矿安全检测系统设计[J].煤矿机械，2013（10）：63?64.

[7] 王志中，董爱华.ZigBee技术及其在井下人员定位系统中的应用[J].煤矿安全，2008（5）：62?64.

[8] 钱能.C++程序设计教程[M].北京：清华大学出版社，1999.

[9] 徐春妹，陈芳芳.井下人员定位系统[J].无线通信技术，2006（3）：52?54.

[10] 谢晓佳，程丽君，王勇.基于ZigBee 网络平台的井下人员跟踪定位系统[J].煤炭学报，2007（8）：884?888.