基于ZigBee井下自组网的人员定位系统研究

乔 欣 杨汉生 史良马

（巢湖学院，安徽 巢湖 238000）

基于ZigBee井下自组网的人员定位系统研究

乔 欣 杨汉生 史良马

（巢湖学院，安徽 巢湖 238000）

文章针对井下工况的复杂环境，提出一种基于ZigBee井下自组网的人员定位方案。采用RSSI测距技术和Min-Max定位以及最小二乘算法实现井下无线传感器网络的定位功能；详细阐述了节点之间的通信过程，利用以CC2530为无线核心模块构建了定位系统中的关键硬件设计和软件设计，并对井下人员进行定位测试。实验结果表明，该系统适用性好，定位精度较高，应用价值广泛。

ZigBee技术；RSSI测距；最小最大法；CC2530

矿难事故不但直接关系到整个矿山的生产，而且严重威胁着井下工作人员的人身安全[1]。如何迅速精确的掌握矿工在井下的分布情况以及准确而有效地制定救援方案对救援工作起到至关重要的作用[2]。目前，被广泛应用的定位技术主要有 RFID[3]、UWB[4]、GPS、ZigBee[5]等，其中一些技术由于定位覆盖范围不足、技术不够成熟、造价昂贵、能耗高、体积较大等诸多因素的影响，不适合应用于井下人员定位系统的需求。

ZigBee技术具有高抗干扰、低功耗、协议简单、成本低、易扩展等优势被广泛应用于定位系统中[6]。基于此，本文提出了一种基于ZigBee井下自组网的人员定位系统，该系统是由RSSI测距技术与Min-Max定位算法相结合，以CC2530为核心扩展了事故报警、事故呼救等功能。不但实现了对井下节点通信环境内的各种传感器数据的监测，而且通过ZigBee无线传感器网络能够对井下人员进行精确定位，对于预防和指导救援矿井突发性事故都起到至关重要的作用，是一种低成本、低功耗、高精度的无线定位系统。

1 定位原理

基于ZigBee井下自组网的人员定位主要分为两阶段：第一阶段是利用RSSI技术测量参考节点到终端节点之间的估计距离；第二阶段是利用Min-Max定位算法来确定终端节点的坐标。

1.1 RSSI测距阶段

在无线传感器网络定位算法中，常用的测距技术有RSSI定位技术[7]。常用的信号传播模型有自由空间传播损耗模型与对数—常态分布模型。

自由空间传播损耗模型：

其中P（d0）是无线电传播距离d0的路径损耗，k为路径损耗因子，通常取2—5之间，f为信号的频率。

对数—常态分布模型：

式中，P（d）是传输距离为d的路径损耗，P（d0）是传输距离为 d0=1m 时的路径损耗，ξn为均值为0的高斯随机分布函数。

节点接收信标节点的信号强度为：

式中，RSSI为接收到的功率，Psend为发射功率，Pamplify为天线增益，通过（1）（2）（3）式可求节点间的距离d。

1.2 定位计算阶段

在定位计算方法中大多采用最小二乘法来计算未知节点的坐标，由于Min-Max[8]定位算法具有计算量小和区域定位优势明显等特点，本文首先利用Min-Max算法快速计算出矿井人员的初始位置，然后利用最小二乘法对初始位置进行迭代优化，进一步精确人员位置信息。

Min-Max 定位算法的思想[9]是：假设（xi，yi）为第 i个参考节点的坐标，其中，i=1，2，…，N，N≥3；（x，y）为待求未知节点的坐标，该未知节点到各参考节点之间的距离为di，i=1，2，…，N。则根据Min-Max思想构建的矩形区域可以表示为：

[x-di，y-di]× [x+di，y+di]

矩形重叠区域为：

[max（x-di），max（y-di）]× [min（x+di），min（y+di）]求取矩形重叠区域的质心即为未知节点的初始坐标。然后利用最小二乘法进一步精确人员位置信息。

2 系统实现

基于ZigBee井下自组网的人员定位系统的设计是由ZigBee协调器网关 （FFD）、参考节点（FFD）、终端节点（RFD）根据簇型网络拓扑结构组建而成。各节点通过预先设定，分别进行唯一编号，其中，人员身份识别绑定节点编号。ZigBee网关的作用：接收矿井人员的位置信息及其他安防数据并转发至以太网、为参考节点配置网络信息及ZigBee协议设置。参考节点在定位过程中起到辅助定位与协作传输的作用，终端节点在系统中即为未知节点。系统整体如图1所示：

图1 系统整体结构图

3 系统设计

3.1 终端节点硬件结构

终端节点也称为待定位节点，不仅需要实时接收井下无线传感器网络监测区域的压力、温度、瓦斯、煤尘等数据，还需要完成自身定位计算任务。因此，我们选择TI公司生产的CC2530高性能无线通信模块作为终端设备的控制中枢。由于井下密集多径的环境，受反射、折射等信号的干扰，使得传输距离受阻，定位性能偏低。文献[10]通过仿真说明了定位精度与通信半径的关系，因此，可以通过增加通信半径的方法提高定位精度与覆盖面。在终端设计中，采用扩展射频传输距离的方法，外设一个射频功率放大器模块，提高发射功率与接收功率，增加了通信覆盖范围与定位精度。系统硬件结构如图2所示：

图2 终端硬件原理框图

配备终端的井下工作人员，能够与周围的ZigBee技术的传感网络自动组网，获取无线传感器网络的各种数据，并通过液晶显示。

3.2 网关节点硬件结构

网关节点（FFD）与参考节点（FFD）相比多了CAN控制收/发器模块与有线供电，其他的基本相同，故文中只给出ZigBee协调器网关的原理框图。ZigBee网关原理图如图3：

图3 网关节点原理框图

网关节点收到路由节点（参考节点）的数据后通过CAN控制收/发器模块将数据经以千兆工业以太网传输至上位机，通过图文、表格、动画等方式显示当前工作人员位置信息、井下人员分布情况、终端电量以及其周围传感器的数据等。

3.3 终端节点的软件实现

终端节点就是井下工作人员配备的的Zig-Bee无线模块，通过自组网方式与周围网络进行通信，实现接收周围传感器数据与完成自身定位等功能。当需要井下工作人员的位置信息时，终端通过自身的定位程序计算出自身的位置坐标经路由节点传输到上位机。定位机理是将接收到的RSSI值转换为距离信息，根据Min-Max定位算法估算出工作人员的具体位置。定位软件流程图如图4：

图4 终端节点工作流程图

3.4 网关节点的软件实现

网关节点在整个定位系统方案中起到配置网络ZigBee协议、汇聚路由节点数据以及将数据通过CAN控制收/发器转发到以太网的作用。此外，井上可以通过网关节点给井下人员发送信息。其工作流程图如图5所示：

图5 网关节点工作流程图

3.5 系统管理软件结构

井下自组网的人员定位系统结合了部署在监测区域的无线传感网络与ZigBee自组网，通过该系统能够将井下人员的分布情况、监测区域的温度、压力、瓦斯等数据、井下人员的具体位置等信息直观的通过上位机显示出来。该系统是基于数据库技术的软件系统，通过对井下各种数据的采集与分析，具有实时在线监测与历史数据查询等功能，同时通过井下人员信息查询，能够对井下人员考勤、调度等服务。系统管理软件结构框图如图6所示：

图6 系统管理软件结构框图

4 系统测试

本文在井下覆盖ZigBee无线自组织网络设立了80m×4m的测试区域。在该区域内设置了6个路由器节点（FFD），其坐标分别为（0，0）（16，4）（32，0）（48，4）（64，0）（80，4），另外让一名工作人员携带终端节点（RFD）在监测区域随意走动。实际测试两个节点传输1000包，丢包8个包，丢包率为0.8%。根据参考节点与文中提出的定位算法对该名工作人员进行跟踪定位，将定位结果通过上位机显示出来。另外，本文还对Min-Max定位算法计算出来的初始坐标以及最小二乘法优化得到的最终坐标与井下工作人员的实际坐标进行了对比分析，ti为观测时间，实验结果如表1所示。从表中可以看出，本文提出的定位系统方案定位精度基本可以控制在3m以内，满足了井下人员定位需求，定位精度较高。

表1 实际坐标与估计坐标对比

5 结论

基于ZigBee井下自组网的人员定位系统是由RSSI测距技术与Min-Max定位算法设计的。该系统首先利用RSSI测距技术来获得终端节点与参考节点之间的距离，然后利用Min-Max算法快速计算出矿井人员的初始位置，然后利用最小二乘法对初始位置进行迭代优化，进一步精确人员位置信息。通过对井下工作人员的测试结果表明，该系统定位精度较高，功耗以及成本较低，易于实现，是一种可行的井下人员定位系统解决方案。

参考文献：

[1]程文波，王华军.井下人员无线定位关键技术研究[J].微电子学与计算机，2012，（4）:165-168.

[2]孙泽宇，亢金轩，李蒙.基于 WSN改进 RSSI井下定位算法设计与实现[J].计算机测量与控制，2011，（7）:1758-1760.

[3]张颖，苗全利，刘小华，等.一种基于 RFID技术的室内定位系统设计[J].电子设计工程，2011，（15）:50-53.

[4]肖竹，王勇超，田斌，等.超宽带定位研究与应用:回顾和展望[J].电子学报，2011，（1）:133-141.

[5]张治斌，徐小玲，阎连龙.基于 Zigbee井下无线传感器网络的定位方法[J].煤炭学报，2009，（1）:125-128.

[6]罗莹.基于无线传感网络的井下人员定位系统设计[J].煤炭技术，2012，（3）:137-139.

[7]丁恩杰，乔欣，常飞，等.基于RSSI的WSNs加权质心定位算法的改进[J].传感器与微系统，2013，（7）:53-56.

[8]郑凯，赵宏伟，张孝临.基于 ZigBee心电监护网络的定位系统的研究[J].仪器仪表学报，2008，（5）:1000-1005.

[9]彭宇，王丹.无线传感器网络定位技术综述[J].电子测量与仪器学报，2011，（5）:389-399.

[10]吴玉成，李江雯.基于最优节点通信半径的改进DV-Hop定位算法[J].华南理工大学学报（自然科学版），2012，（6）:36-42.

THE RESEARCH ON THE PERSONNEL POSITIONING SYSTEM BASED ON ZIGBEE UNDERGROUND AD HOC NETWORKS

QIAO Xin YANG Han-sheng SHI Liang-ma
（Chaohu College， Chaohu Anhui 238000）

Due to the complex environment of underground working conditions,this paper puts forward a personnel positioning system based on ZigBee underground ad hoc networks.The system uses RSSI ranging technology,Min-Max positioning and LSM algorithm to achieve the positioning function for the underground wireless sensor network and utilizes CC2530 as the wireless core module to build the critical hardware and software design of positioning system.It also elaborates on the communication process between the nodes.By the positioning test for underground personnel,it shows that the system has high applicability and positioning accuracy with wide application value.

ZigBee technology； RSSI ranging； Min-Max； CC2530

TP393.17

A

：1672-2868（2017）03-0093-06

责任编辑：陈小举

2017-03-29

安徽省高校省级自然科学基金重点项目（项目编号：KJ2017A449）；校级项目（项目编号：XLY-201603）

乔欣（1988-），女，安徽宿州人。巢湖学院机械与电子工程学院，助教。研究方向：无线传感器网络定位技术、ZigBee技术等。