基于ZigBee技术的煤矿井下自组网定位系统设计

魏景新 靳文涛

(华北科技学院电子信息工程学院，河北省三河市，065201)



基于ZigBee技术的煤矿井下自组网定位系统设计

魏景新 靳文涛

(华北科技学院电子信息工程学院，河北省三河市，065201)

分析了现有煤矿井下安全监控系统通信方式及存在问题，通过有线与无线结合的方式,采用刷卡标记节点的方法提出了一套基于ZigBee无线通信的煤矿井下自组网定位系统，详细介绍了该定位系统的系统硬件设计和系统软件设计。实验结果表明，该定位系统能够实时监测煤矿井下的各个环境参数，定位较为准确，有较高的实用价值。

ZigBee 煤矿井下定位系统 无线传感器网络 自组网

1 安全监控系统通信方式及存在的问题

目前，用于地面监测站和井下监控的煤矿安全监控系统主要为有线和无线两种通信方式。有线方式主要是基于CAN总线、串口RS485或者串口RS232，通过将巷道中各个设备的通讯线挂接在连通到地面监测站的总线上，以实现井上和井下的数据传输。有线方式存在的问题是井下的施工布线繁琐、矿井的监测范围局限、维护困难和成本高。无线方式包括无线电漏泄技术、红外线技术以及RFID射频识别接收技术。无线电漏泄技术集合了有线和无线两种通信方式，但是存在抗干扰能力差和稳定性差等问题；红外线技术在测量瓦斯浓度和地表温度方面虽然比较成熟，但是存在通信距离短等问题，阻碍了该技术在煤矿开采行业的广泛应用；射频识别技术RFID利用射频信号和空间耦合传输特性来实现人员的自动识别，但是存在价格高、精度差、识别速度慢以及兼容性差等缺陷。

无线传感器网络是集无线通讯、数据采集和信息处理功能于一体的新型分布式自组织数据采集网络，ZigBee技术是一种新兴的最具代表性的无线传感网络，具有统一技术标准、低成本、低功耗、可靠性高、兼容性强和定位精度高等特点。本文设计了一套基于ZigBee无线通信的井下自组网定位系统，用于监测井下的各个环境参数和工作人员情况，当煤矿井下出现异常情况时，系统能够及时地定位异常位置，并给相关工作人员及时警报，提醒工作人员及时做好安全措施。无线通信方式参数对比见表1。

表1 无线通信方式参数对比

2 ZigBee无线组网技术

ZigBee是一种低速无线个域网技术，是基于局域网协议-IEEE802.15.4 的一种新型通信协议，ZigBee技术具有以下几个显著特点：

(1)完全开源的完整协议栈。协议栈的源码和使用授权都是完全开放的，并且协议栈的更新和升级免费。

(2)高度可靠性。ZigBee技术采用了冲突避免多载波信道接入方式，即使在发送数据时发生冲突和竞争，也能够很好地得到解决。同时，ZigBee在无线通信过程中有着完善的应答协议体系，保证了通信的可靠和畅通。

(3)良好的安全性能。ZigBee技术采用了128位长度的加密算法，对传输的数据都进行了严谨的加密处理，保证了ZigBee设备之间通信的安全和保密。

(4)低功耗、低成本。每个ZigBee设备的发射功率较低，正常工作情况下，两节5号电池作为ZigBee的供电电源就可以使用0.5～2 a的时间，远远超出了目前市面上大部分的无线通信技术的功耗。ZigBee设备成本也较低，单个芯片(如CC2530)售价在10元左右。

3 井下定位算法分析与方案确定

定位方案大致可分为两类，一类是通过ZigBee无线通信定位，另外一类是基于节点标记定位。其中通过ZigBee无线通信定位的方案中又可以分为与距离无关的定位算法和基于距离的定位算法，与距离无关的定位算法如质心算法存在着计算出来的节点坐标精度不高等缺陷，只能作为粗略定位；而基于距离的定位算法存在着需要增加相应的网络节点设备作为辅助，导致节点耗能量较大等缺陷。综合考虑定位的稳定性和准确性，设计中采用节点标记的方式进行定位。节点标记定位是利用矿井下所布置的ZigBee网络系统，井下人员通过手持IC卡在ZigBee网络中的路由器节点设备或者终端节点设备进行刷卡标记，再由节点设备把已刷卡信息发送到协调器，卡和人一一对应，实现对人员行径的追踪。

4 系统设计

4.1 系统硬件总体框架

由于煤矿井下的特殊性、环境的复杂性、空间的不确定性以及未知的其它干扰源，因此设计中采用MESH网状网络结构。系统总体结构框图如图1所示。

图1 系统总体结构框图

由图1可以看出，本系统主要由井下协调器、路由器节点、终端节点、身份识别卡和管理主机组成。协调器可以放置在井下的主干巷道上，用于与地面通信，进行数据交换，完成井下数据的上传以及井上地面监测站的调度管理命令的下传；路由器作为井下的数据转发站，同时作为实现井下定位系统的参考节点，同时路由器节点上放置了多个传感器用于监测井下的相关环境参数情况，包括温湿度、甲烷浓度、风速等，因此路由器一般可以放置在井下巷道的合适位置，放置的密度和位置往往需要因地制宜，按照实际的巷道结构情况进行安排；终端节点(移动节点)则作为井下工作人员的随身携带的设备，通过加入网络实现人员的定位。

目前国内的煤矿井下与地面之间的通信方式主要还是通过RS232/RS485总线或者CAN总线来进行的，因此充分利用现有有线网络，使井下的ZigBee子网和现有的有线网进行连接，使得两种网络得到充分利用，减小裁撤有线网工作，保证了矿井的安全有序生产。

4.2 系统硬件电路设计

4.2.1 节点硬件介绍

设计中选用TI公司的CC2530单片机作为核心控制器，该单片机基于IEEE802.15.4标准，工作频段为2.4 GHz，具有256 KB可编程Flash和8 KB数据存储器(RAM)，芯片内部提供3个不同的电源模式来减少电源的消耗，同时能够兼容高性能增强型的8051微控制器。

节点硬件结构采用“核心板+功能底板”的方式，在功能底板中包含了所有相关的外围电路模块，其中有电源管理、复位电路、串口转USB通信、传感器接口、显示电路接口、调试使用的按键、程序烧写仿真接口以及预留的备用I/O接口，节点的硬件结构框图如图2所示。

图2 节点硬件结构框图

4.2.2 CC2530单片机核心板

CC2530单片机最小系统的核心板上有CC2530芯片、32 MHz晶振电路、RTC时钟电路以及RF收发天线电路，这些部分是构成CC2530单片机最小系统的必要条件。核心板上除了最小系统外，还有2个LED指示灯，由CC2530单片机的P1_0、P1_1分别控制。核心板作为最小系统的承载板，使用时还需要将其扩展开来，所以在核心板上还有一对直插双排针，用于连接到功能底板上，完成各个功能的使用和开发。核心板电路如图3所示。

图3 CC2530核心板电路

4.2.3 节点USB转串口电路设计

USB转串口电路是CC2530单片机与计算机的USB进行通信的一个转换模块，能够实现单片机和计算机完成数据交换和信息传递，设计选用USB转串口芯片CP2102，该芯片是一款高度集成的USB-UART桥接器，提供一个使用最小化元件和PCB空间来实现RS232转换USB的简便解决方案， USB转串口模块电路原理图如图4所示。

图4 USB转串口模块电路原理图路

4.3 系统软件设计

设计中选用IAR公司的IAR Embedded Workbench编译IDE(以下简称EW)。EW集成了IAR AVR C/C++ 优化编译器、汇编器、链接定位器、库管理员、C-SPY 调试器和项目管理器等多种工具，使用该软件编译器生成的代码比较紧凑和优化，有效降低硬件成本，整个系统流程如图5所示。

5 系统的实现及验证

5.1 系统的实现

利用Mini STM32开发板模拟地面监测站的计算机，依照本次设计的沙盘模型模拟巷道形状，沙盘中共计9个节点，节点位置为固定节点，其坐标(X，Y)是固定的，标号从1到9，其中546节点分别对应IC卡标记为A、B、C，179节点分别对应IC卡标记为E、D、F。测试中采用刷卡标记的方式将各个节点的位置标出，实现地面监测站对井下系统的监控更加形象化和具体化，协调器节点设备的OLED液晶可以显示温度、湿度以及人员位置等信息，Mini STM32开发板模拟的上位机界面位置示意图如图6所示。

图5 系统流程图

图6 Mini STM32开发板模拟的上位机界面位置示意图

5.2 实验验证

系统首先由协调器节点设备开始组建一个新的ZigBee网络，然后依次启动各个路由器节点设备加入ZigBee网络。使用IC卡在已经加入网络的节点设备上刷一下，在协调器节点设备上显示相应节点上已经存在的卡，即在相应节点附近有着和卡信息对应的工作人员。同时在上位机图形界面中闪烁显示相应节点位置，并且闪烁节点位置标记相应的卡号信息。例如某一工作人员手持A卡来到井下的3号节点位置，刷卡后，协调器的OLED显示界面就可以显示A所处的节点位置为3，并且STM32模拟的计算机上位机图形界面上3号节点闪烁。

把多个井下人员身份卡放在系统中的各个节点上，则协调器OLED液晶显示和上位机图形界面也会有相应的显示结果，系统实现的效果图如图7所示。

图7 井下各人员位置显示效果图

6 结论

(1)系统完成了ZigBee自组网功能，采用有线和无线相结合，较好地实现了对井下环境参数的监测，通过刷卡标记的方式实现了对人员的定位，经测试，系统运行稳定，定位精度较高，整个系统达到了预期设计目的。本设计为井下人员无线定位设计提供了一个新的设计思路和参考方案。

(2)煤矿井下环境的特殊性对系统的安全性、可靠性和稳定性都有很高的要求，系统测试环境为模拟环境，实际应用需进行煤矿井下真实环境下人员定位和环境参数监测，下一步需要在后期的实际测试中进行补充和完善。

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[4] 田明明.ZigBee无线网络在井下人员定位系统中的应用研究[D].安徽理工大学，2013

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(责任编辑 路 强)

Design of underground coal mine ad-hoc network positioning system based on ZigBee technology

Wei Jingxin, Jin Wentao

(School of Electronic and Information Engineering, North China Institute of Science & Technology, Sanhe, Hebei 065201, China)

The authors analyzed existing problems of communication mode of underground coal mine safety monitoring system and put forward a set of underground coal mine ad-hoc network positioning system based on ZigBee wireless communication technology by combining the advantages of wireless network and wired network and adopting swiping card and signing node, then introduced the design of hardware and software system of the positioning system in detail. The experimental results showed that the system was able to monitor various environmental parameters of underground coal mine in real time, and it had more accurate positioning capability and higher practical value.

ZigBee, underground coal mine positioning system, wireless sensor network, ad-hoc network

廊坊市科技技术研究与发展计划自筹经费项目(2016011006)，中央高校基本科研业务费项目(3142014077)

魏景新,靳文涛. 基于ZigBee技术的煤矿井下自组网定位系统设计[J]. 中国煤炭，2017，43(3):84-88. Wei Jingxin, Jin Wentao.Design of underground coal mine ad-hoc network positioning system based on ZigBee technology[J] .China Coal，2017，43(3): 84-88.

TD65

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魏景新(1977-)，男，河北沧州人，讲师，硕士，华北科技学院电子信息工程学院教师，主要从事通信网方面的研究。