基于ZigBee的井下人员定位系统研究与设计①

朱守金， 孙权海， 杜 艳， 丰 远， 边 健

(1.安徽三联学院基础实验教学中心，安徽 合肥 230601；2.合肥学院数理系，安徽 合肥 230601)

0 引 言

近年来以井下为平台，利用无线通信、自动控制等技术来综合管理、实时准确控制的井下人员定位系统受到煤矿公司的广泛关注[1]。基于无线技术的井下人员定位系统具有较高的实时性、安全性、准确性，在井下人员定位系统中具有较高的实用价值并占有重要的地位。ZigBee是一种高安全、低成本、低功耗、易组网、短时延的无线通信技术，特别适合在地理环境复杂的井下使用[2]。基于ZigBee的井下人员定位系统已有研究、设计，但由于系统价格昂贵、准确性、实时性、稳定性、扩展性较差等原因，实际应用较少[3，4]。拟从网络拓扑选型来提高系统的稳定性；采用模块化的设计来提高系统的扩展性；采用新的定位算法来提高系统的准确性；采用新的传感器来提高系统的实时性；从硬件的选择来降低成本和功耗来解决上述问题。希望基于ZigBee的井下人员定位系统能够在煤炭行业得到广泛应用。

1 系统总体方案设计

1.1 ZigBee网络拓扑选型

ZigBee有树形、星型、网状三种网络结构，应根据井下障碍物较多，人员活动范围大的特点来选择合适、可靠的网络拓扑结构。星型网络具有低功耗、简洁的特点，但节点之间的数据路由只有唯一的一个路径，故可靠性不高。树形结构维护方便，但任何一个链路故障都会使整个网络瘫痪，故稳定性不高。网状结构具有性能可靠，传输距离长，易于扩展等特点，特别适合结构复杂、广泛分布、网络覆盖面积大的矿井。所以系统选择网状结构作为Zigbee的网络拓扑结构。

1.2 定位算法的选择

鉴于ZigBee模块能够直接提供接收信号的RSSI值，系统采用的是基于RSSI的定位算法。这种算法不需要额外的硬件，能够根据接收信号的RSSI值算出定位节点与参考节点之间的距离。RSSI算法也有其自身的缺陷，它容易受到外界环境的影响，如多径传输、信号的反射、井下人员的走动等，都会影响等距离时接收信号的RSSI值。为了更好的定位，系统通过RSSI的值获得定位节点与参考节点(即工人身上的标示卡和读卡器的距离)之间的距离后，再使用三边测距法就可以得到定位节点(识别卡或工人)的坐标。

1.3 系统总体设计

系统采用无线网络ZigBee技术实现了对岗位携卡人员的实时定位、无线跟踪、巡检、考勤等定位和管理功能。系统主要由三部分组成，井下数据采集定位子系统、CAN Bus数据传输子系统(主要用于井上、井下系统之间数据的传输)、井上监控系统。方案研究的重点是井下数据采集定位系统，它由标签、读卡器、分站构成。其中标签就是ZigBee终端设备，由工人戴在身上，也就是定位节点；读卡器即ZigBee路由器，也就是参考节点；分站即是ZigBee协调器，也就是网关。井上监控系统主要有工作站计算机、通信网络等组成。定位系统和监控系统之间通过CAN总线进行通信。整个系统的具体结构图如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 分站控制主板

分站控制主板选用的是TI公司的MSP430F449单片机，它具有MSP430系列产品的共同特点，另外它还具有自身的独特的优势，如工作电压低(1.8-3.6V)、超低的功耗(活动模式：280μA@1MHz，2.2V、待机模式：1.1μA、掉电模式：0.1μA)、从待机到唤醒的响应时间不超过6μS等，比较适合井下复杂环境的要求。

2.2 读卡器(CC2430)

采用TI公司的CC2430芯片作为读卡器ZigBee无线通信模块，它可在多种模式下低功耗地运行并且集成了基于ZigBee协议的射频收发器和微处理器，，是一个真正的片上系统SOC解决方案。利用它可以实现识别卡节点之间，识别卡节点和读卡器节点的之间的组网和网络通信。CC2430具有短时延、低成本等特点，既保证了通信的实时性，也便于推广，比较适合井下使用[5]。

2.3 识别卡(CC2431)

识别卡CC2431是TI公司推出的内部自带基于RSSI技术的定位引擎，也可实现较精确的定位。识别卡通过系统把自身位置信息传递给分站，分站再传给上位机，上位机通过运行测试软件Z-Location Engine进行识别卡分析及测试。

2.4 传感器

温湿度传感器、瓦斯传感器、水浸传感器等组成了传感器模块。井下温湿度的控制主要由温湿度传感器来完成的。系统选用的是MY-WS100型智能温湿度传感器，具有测量准确、性能稳定，方便接报警器、制冷、加热、加湿、去湿等经济实用特点。系统选用的是NAP-50A瓦斯传感器来检测井下瓦斯的浓度，它具有体积小、稳定性好、节能、灵敏度高等特点，非常适合在环境复杂的井下使用。

3 系统软件设计

井下人员定位系统软件设计主要包括分站、读卡器、识别卡软件设计。分站在ZigBee中充当的是网络协调器的角色，它主要负责网络中各节点的管理，收集、处理各节点的信息，并传给监控中心的上位机的软件系统进行数据处理；读卡器充当的是路由器的角色，它和识别卡进行数据交换，对传输进行路由选择，找到最优路径进行数据传输；识别卡是整个ZigBee网络的终端设备，它以约定格式存储工人或井下定位目标的个人信息，不断向外发射包含相关信息的数据包，与读卡器进行数据交换，处理相应分站的查询请求等。

3.1 分站的软件设计

分站作为定位系统的核心部件有着非常重要的作用，既要接收监控中心上位机传达下来的控制指令到指定节点，又要接收读卡器发送来的数据信息，经由CAN总线传给上位机。同时在定位系统中有担任着组织网络的任务。主流程图如图2所示。

当分站第一次被激活后，它先广播查找网络协调器，如果收到回应说明网络中已有协调器，那么它将发出入网请求，被应答后获得网络地址，成为此网络中的路由器；如果没有回应，则此分站将自己设为网络协调器，接收其他节点发送的入网请求，组建自己的网络，确定网络标示符，为加入的网络节点分配网络地址。因为识别卡在工人身上随工人移动，所以每个网络会不停的有新的节点加入网络或离开网络，为此协调器将不停地监听各节点加入网络或退出网络的请求，并传送数据，因而网络协调器没有休眠状态，一直处于正常工作状态。分站组建网络流程图如图3所示。网络建好以后，分站将进行数据侦听，对应用事件进行处理。

图2 分站主程序流程图

图3 分站组网流程图

3.2 读卡器的软件设计

读卡器是定位系统网络中的参考节点，参考节点的位置是已知、不变的。其作用是提供自身的坐标X、Y和RSSI值，并传给识别卡。系统通电后先进行ZigBee模块各接口、寄存器等的初始化，选好工作频率和模式等，然后寻找网络加入，最后进入相关事件循环。没有工作任务时，读卡器处于休眠状态。其流程图如图4所示。

3.3 识别卡的软件设计

识别卡是工人带在身上随工人运动而不断变化位置，即移动节点。识别卡采用的是具有定位引擎的CC2431芯片，它能够获取各个参考节点的一些数据，比如在指定区域内节点的RSSI值，CC2431就可以根据这些信息利用定位算法得到节点的位置坐标。如果移动节点随工人运动超出网络覆盖范围，读卡器会自动删除识别卡的信息。识别卡工作流程如图5所示。

图4 读卡器工作流程图

图5 识别卡工作流程图

图6 定位节点设置

4 定位测试及结果分析

最后用Z-Location Engine软件对ZigBee网络定位系统进行了上位机实时定位测试。测试设备各模块连接好后，对分站先进行上电，并将协调器的扫描形式设置为主动扫描模式，等待扫描完成以后，协调器就可以根据所扫描的结果选择相应的网络，加入该网络，开始侦测监听，并且准备接收参考节点和定位节点的数据信息，进行定位测试前需要先进行设置。

待定位的标识卡都加入到本网络之后，将软件的菜单选项定位到Reference Node Setup，然后设置读卡器，在此菜单下，选择“NEW+地址”，设置参考节点，并且在Updata Node设置栏中填写相应参考节点的横坐标X以及纵坐标Y，等所有参数设置好后，单击Updata Node按钮，地图栏将出现黄色小圆点，并且左下方将显示出其坐标，重复步骤，分别设置其他参考节点。

参考节点设置好后，把定位软件菜单切换到Blind Node Setup，实现对识别卡(即定位节点)进行加载定位。在此菜单下，系统会自动定位识别卡。同样，在Blind Node Setup菜单，选择“NEW+地址”将出现标示卡的参数，如图6所示，系统设置完后，随着识别卡的移动，可以看到其在地图中位置的变化情况，点击不同的参考节点或定位节点可以查看他们各自的参数信息。

最后的测试结果显示定位的结果与识别卡真正的坐标有2m左右的误差，分析原因可能是由于RSSI受环境影响，使定位结果存在误差。定位结果能够为救援提供明确目标，所以在模拟井下巷道的环境中实验时定位效果基本满足精度要求，所以系统基本满足井下人员的定位要求。

5 结 论

提出并设计了一种基于ZigBee的井下人员定位系统，重点介绍了系统的总体框架、硬件设计、软件设计，最后对系统进行了测试。从测试结果可以看出将ZigBee技术应用于井下人员定位中，实现了实时、低成本、低功耗的无线通信。通过通信模块和新型传感器系统，形成了新型的井下人员定位系统。用户通过系统实现了对岗位携卡人员的实时定位、无线跟踪、巡检、考勤等管理功能，可以为抢救工作人员提供准确、可靠地信息，提高了安全救护的效率，具有一定的先进性和工程使用价值。