基于Zigbee的煤矿井下人员定位控制系统的设计与优化

李国龙

（太原理工大学 电气与动力工程学院，山西 太原 030024）

1.引言

煤炭作为世界基础能源，每年的开采量都十分巨大，由于优质煤炭大部分处于深层矿带，而现有的深井作业技术多向快速高效的方向发展，极少有对井下环境监控、安全预警、地质监察等方向入手。如果能够有一套行之有效的安全监管系统，可以实时监控井下环境，对安全隐患进行提示，对安全事故提前预警并能够根据环境评定是否安全开采等工作，这显然可以大量降低安全风险，并能够进行安全开采指导和风险排除，无论从成本上还是安全上都是极其有意义的。

2.系统研究环境及背景

大同煤矿集团永定庄煤业有限责任公司，井田位于大同市西南的23.5 km处，井田边界范围：东西长约9.2 km，南北宽2.15 km，井田面积为19.8 km2，生产能力为200万吨/年，为低瓦斯矿井。矿井水文地质类型划分为中等，矿井的开拓方式为斜井、立井混合开拓，通风方式为中央式，通风方法为抽出式通风。矿井供电电源岩岭35kV变电站，井下有5个变电峒室，其中副井底变电共7台BJP-6型高压开关、一台KBSG-200干式变压器、3台KBZ-200型馈电开关、两台ZBZ-4型照明综合保护。

3.系统实用性和可行性分析

3.1 系统实用性分析

系统设计上，采用无线数据传输与采集的方式，实时对人员的井下活动轨迹进行定位，可以随时掌握井下作业人员的位置信息[1]，该系统主要由无线传感器网络、后台服务系统、无线数据传输技术平台及用户界面几部分组成，能够实现告警信息的及时传递，查看实时网络数据，实现对历史数据的分析，保障了煤矿安全管理的实时化和移动化。

3.2 系统可行性分析

由于井下空间有限，人员活动频繁，所以井下通信必须采用体积小、质量轻、便于携带的设备，无线通线是最佳的技术方案。巷道是否倾斜、道路是否平直等井下环境对信号的衰减及传输距离都有一定的要求，重要的是系统容量要大且易于扩充。根据以上对井下信道环境影响的分析，Zigbee无线通信技术是最佳通信技术选择，Zigbee技术信号频率为2.4GHz，功耗低、抗干扰能力强、自组网能力强、成本低，完全满足以上需求的分析，适合煤矿井下大规模使用，满足井下信息采集和人员定位的需求。

4.设备硬件部分设计

4.1 硬件部分架构设计

图1 节点整体框图设计

Zigbee技术发展前景广阔，在目前的市场中得到了极大的发展。整个井下系统由多个Zigbee终端节点和Zigbee协调器节点组成，主要研究内容为基于CC2530的无线终端节点和基于ARM9的井下定位分站两部分。该系统的硬件总体拓扑结构及设计方案如下图1所示。N个终端节点通过Zigbee 无线网络互相联通，最后将采集到的终端信息传送给协调器节点，协调器节点再通过网络将信息传送给上位机PC机，实现自组网络内信息的传递。

4.2 Zigbee无线传输节点控制设计

协调器是Zigbee网络组织的管理者，对于一个Zigbee网络而言，协调器节点是必须存在的，它的主要作用是根据扫描情况选择合适的参数，建立一个网络，它是整个网络的维护者，具有最高的网络权限。本系统的协调器节点选择使用基于ARM的32位新一代微控制器STM32F103C8T6作为核心处理器。

STM32F103C8T6拥有完整的上电复位和掉电复位电路，该芯片的工作电压为2.0-3.6V，VCC3.3V是电源正极引脚，共有5个VDD引脚。STM32是低电平复位，复位就是重启。STM32有两组晶振，一组用来提供主时钟，8M、12M、16M都可以选择，该装置经过测试选自8M，一组用来给RTC提供时钟，需要连接32.768K晶振。STM32有两个BOOT引脚，决定了单片机的启动和运行方式。

4.3 终端节点硬件部分设计

控制芯片的选择与设计：CC2530是一款专门针对Zigbee应用的片上系统解决方案，经济且功耗低。它整合了全集成的高射频收发机及业界标准的增强型8051微控制器[2]。支持电源管理、RESET、定时器、ADC、UART等多种外设，它实施了IEEE802.15.4标准，是一款通用性极强的芯片，在居家与楼宇自动化、工业控制与监控、远程控制等领域应用广泛。CC2530的主要特点如下：高达256KB的闪存和20KB的擦除周期；8KB RAM可用于更加复杂的Zigbee应用；可编程输出功率打+4dBm；在掉电模式下，只有睡眠和定时器运行时，仅有不到1uA的电流损耗；具有强大的地址识别和数据包处理引擎。

传输路径选择算法设计：ZigBee无线传输通讯技术中，对传输路径选择合适的无线电传播路径损耗模型至关重要；基于RSSI 的测距定位技术的原理是根据接收到的信号强度，并用一定的算法计算出接收信号节点与发送信号节点间的距离。常用的无线电传播路径损耗模型是：自由空间传播模型、对数距离分布模型、对数-正态分布模型、Hata模型等；无线电传播自由空间传播模型如下面公式（1）所示：

其中，参考距离d通常为米，为波长，单位为米，Gt和Gr分别为发射天线和接收天线的增益。

4.4 人员定位终端设计

传统的井下定位采用RFID电子标签技术，当井下人员经过阅读器的时候被人员身上的标签识别之后，就可以得知人员的位置信息，人员定位模块是指根据固定的Zigbee节点和人员随身所携带的定位终端组成的自组织网络，当人员进入固定区域后，Zigbee网络发送广播信息，将人员位置信息数据包逐级的发送给上位机监控系统，上位机系统根据传入节点ID及该ID配备位置判断人员位置，根据连续接收的定位信息，进行轨迹模拟[3]。由于每个传感器节点都具备位置信息采集功能，因此无需增加成本，另外传感器节点较多，对定位相对准确。整个数据传输过程可靠稳定，利于数据连续采集和轨迹绘制。如下图2所示，为人员定位终端芯片结构图。

图2 人员定位终端实物示意图

5.系统软件部分设计

5.1 主控流程设计

网络建立成功后，作为网内所有节点通信的发起者，协调器节点开始接收子节点加入网络。当一个节点想加入指定的Zigbee网络时，同协调器节点建立网络方法类似，节点首先通过信道扫描来确认是否存在可加入的协调器，如果有则发送关联请求，直到接收到协调器节点的回复帧，同时协调器节点会为新加入的节点分配16位的短地址，以供节点和协调器节点进行连接，并根据入网设备类型保存新请求节点信息。

5.2 Zigbee终端节点软件流程设计

终端节点是无线传感器网络中最底层的普通节点，是由Zigbee协调器控制的无线Zigbee节点[4]，它主要负责终端信息的采集与执行主控下发的任务。节点上电初始化后，根据协议搜寻网络并请求加入主节点，入网成功后节点会主动将自身的ID发给协调器并自动建立绑定关系。在接收到数据传送请求之后，终端节点会将采集的传感器信息定时的传给协调器，并根据主控命令决定自身是休眠状态还是工作状态。

5.3 信息采集流程设计

MQ-2气体传感器处在可燃性气体环境中，它的电导率与可燃气体浓度成正比例关系变化。MQ-2输出的是电压信号，所以通过A/D转换功能进行模数转换，把输入的模拟电压信号转换为0-1023之间的数字，他的烟雾信息采集及报警流程如图3所示。模数转换完成后，转换的数字越大，说明烟雾浓度越大，此时系统进行阈值判断，当电压值大于预设值C1=400时，打开相应排风设备进行处理，当电压值大于预设值C2=800时，进行模块报警[5]。

图3 烟雾采集流程

6.系统创新点及优化

Zigbee矿井下数据传输控制系统，主要取得了如下几点的设计成果：整个系统通过Zigbee组网组建局域监控采集子模块，通过中转中心进行数据转发，通过上位机信息接口进行数据处理和云存储，通过无线数据传输技术小程序和云服务器进行数据的展现和交换。通过无线数据传输技术，可以远程监控到采集数据和人员信息，可以通过手机端调用任意区域的采集信息和任意人员的定位信息。对于第三方接入系统也可以通过系统进行相应的查看动作。为了方便部署采用了较为快捷的布线和安装方式，供电系统采用了蓄电池和有线电缆双支持的接口模块，采用能耗较低的ZigBee模块进行局域数据传输，大大降低了维护成本。

7.结语

系统主要有信息采集、信息处理、信息录入、远程查看和远程发布几个功能模块，数据库结构，接口处理，上位机信息录入，数据发布与无线数据传输技术程序功能展示，通过实验，整个系统数据传输稳定，具有良好的执行性，不仅满足了井下安全生产监控的目的，也可以对整个系统进行有效的管控。通过本课题的研究，成功搭建了一个可执行、可扩展的矿井下Zigbee煤矿井下数据传输控制系统。