1、基于 ZigBee 的井下人员定位系统设计 孙赟 安徽三联学院 摘 要： 煤矿产业是我国一个十分重要的产业, 其发展具有一定的特殊性, 同时, 井下作业环境较为复杂, 对于安全性要求较高。煤矿井下人员定位是一项重要工作, 能够实现井下人员准确定位, 在发生矿井事故后能够及时救援。但现有的井下人员定位网络存在组网能力差、功能单一等缺陷, 无法对多个移动目标实行同时定位。对此, 运用 ZigBee 技术设计新的井下人员定位系统, 更好地对井下人员进行身份识别和实时定位, 对于井下人员考勤、煤矿事故救援等工作都有着重要意义。关键词： ZigBee; 井下人员; 定位系统; 设计; 作者简介：孙赟,
2、安徽三联学院。基金：基于 zigBee 技术的井下人员定位系统的设计, 项目编号:2014Z016随着社会经济的不断发展, 对于煤矿资源的需求量不断增加, 因而矿井开采比重也随之增长。在煤矿开采中, 由于矿井环境较为特殊, 危险性较高, 因而需采取有效措施, 为井下人员提供妥善的监测和保护, 尽量避免发生人员伤亡。根据相关研究表明, 在每年的矿井事故中, 由于没有得到及时救援而死亡的井下人员占比约为 25%, 主要原因是无法准确定位井下人员位置, 因而难以快速施救。对此, 基于 Zig Bee 的地下人员定位系统的设计, 可以实现地下人员更精确的定位, 对于确保井下人员安全有着重要意义。1 Z
3、ig Bee 技术概述Zigbee 技术是一种双向无线通信技术, 具有低成本、低速率、低功耗、第复杂度、近距离等特点, 在传输速率要求不高、功耗低、距离短的情况下, 可实现不同电子设备的数据传输, 以及低反应时间、间歇性、周期性数据传输。Zigbee 技术属于无线数传网络, 具有较高的可靠性, 与传统 GSM、CDMA 网络相似。Zig Bee 数据模块, 和移动网络基站相类似。在 Zig Bee 当中, 由上万个无线数传模块构成, 在网络范围中, 各个数传模块都可相互通信。不同于传统GSM、CDMA 网络, Zig Bee 网络的目的是满足工业现场自动化控制数据传输要求, 因而具有价格低、可
4、靠性高、方便简单等特点。Zig Bee 不但能够直接监控和采集数据, 还能够对其他网络节点传输数据进行自动中转。因此, 在煤矿井下人员定位系统设计中, 运用 Zig Bee 技术, 能够达到理想的效果。2 定位系统总体设计在基于 Zig Bee 的井下人员定位系统中, 主要包括了网关节点、移动节点、参考节点、Web 服务器等部分。其中, 参考节点是坐标位置已知的节点。移动节点则是位置坐标不确定的节点, 参考节点需要确定引用节点的位置信息, 并接收移动节点的位置信息, 然后将其传输到 Web 服务器。Web 服务器利用互联网, 计算机传输信息。系统主要具有考勤管理、人员定位、通信、Web 浏览、
5、实时报告等功能。可对工作人员进出井时间加以记录, 并对井下人员工作布局加以监测。在井下建立 Zig Bee 无线通信网络, 覆盖参考节点、定位节点。在地面控制中心计算机, 建立井下人员位置显示界面软件, 观察井下人员操作, 位置情况。如发生井下事故, 能够准确定位人员位置, 从而及时救援。系统支持井上井下实时双向数据通信, 可在紧急情况下取得联系。Web 浏览运用了 B/S 结构模式, 可以通过网页的形式浏览信息。此外, 能够对环境参数、温度、湿度、瓦斯浓度等进行实时报告。3 定位系统硬件设计3.1 节点硬件设计在移动节点和参考节点的设计中, 主要包括了外围电路、无线通信模块、数据采集模块、传
6、感器模块等部分。其中, 网关节点需要连接到 Web 服务器, 因此, 与添加串口模块相比, 网络连接结构和参考节点都需要连接。节点处理器芯片, 使用 CC2430 芯片, 基于 Zig Bee/IEEE802.15.4 内存的单片机, RF, 微控制器到移动节点。在芯片中, 使用CC2431 芯片, 其结构与 CC2430 相比, 增加了 1 个定位引擎, 利用 RSSI 与参考节点坐标, 通过三遍测量法, 对移动节点坐标进行计算。硬件中的温度传感器利用了 SHT11 芯片, 具有可靠性高、精度高、接口简单、集成度高等优势。天线采用 SMA 头连接 2.4ghz 天线, 需要考虑驻波、微波反射
7、等因素, 因此可以使用与天线阻抗匹配的传输线。3.2 Web 服务器硬件设计移动节点需要将位置信息传输到远程监控主机, 因此应该实现远程数据传输。基于此, 系统使用嵌入式 Web 服务器访问网络。Web 服务器芯片使用了S3C44B0X 芯片, 其优势在于全静态设计、低功耗, 能够对功耗敏感、成本较低的情况更好的适应。以太网接口芯片使用了 RTL8019AS 芯片, 这一以太网控制器能够支持全双工即插即用, 同时具有 RJ-45 接口, 可实现对 10BASE-T 的自动检测。USB 接口芯片使用了 ISP1161 芯片, 该芯片主要是为嵌入式系统实现 USB HOST所设计的, 能够方便的连
8、接数字信号处理器, RISC 指令集处理器。4 定位系统软件设计4.1 节点软件设计在系统软件设计中, 节点软件设计主要包括参考节点、移动节点、网关节点等。参考节点具有固定的位置坐标, 在定位计算中, 并不发挥作用。移动节点可以接收参考节点发送的 RSSI, 实现其本地化。网关节点不但要对 PC 发出的参考节点配置信息进行接收, 还需要接收节点的相应的反馈信息。4.2 Web 服务器软件设计在 Web 服务器的设计中, 使用了 u Clinux 操作系统。该系统是以 Linux 内核为基础开发的, 能够在无存储器管理单元微控制器设计中发挥良好的作用, 具有API 丰富、稳定性良好等优势。在 W
9、eb 服务器的软件设计中, 首先对 u-boot 进行移植, 然后构建交叉编译环境, 移植 u Clinux 操作系统和 Boa 服务器, 最后编写相应的应用程序。在 Web 服务器界面结构设计中, 对于定位查询, 节点是使用动态页面配置的, 每个节点都实现与不同 CGI 程序的链接, 而页面的其余部分则是使用静态页面设计的。在设计中运用了 HTML 多框架结构, 因此在“/m Clinux-dist/vendors”路径下的 tmpt 文件夹中, 放置所有需要链接的图像文件, 以及全部的 HTML 文件。5 定位系统分析测试选择有人员流动的走廊模拟井下工作环境进行定位系统测试, 走廊面积为2
10、m10m。在走廊两边设置 10 个参考节点, 利用 PC 为参考节点设置坐标位置, 将移动节点放置在参考节点区域, 通过服务器接口检查移动节点的位置信息, 结果表明, 当人流量较少的时候, 能够实现更精确的定位。这是由于人员的吵闹、走动等, 会影响 RSSI。经分析测试结果表明, 所有移动节点均可达到 0.5m范围内的定位误差, 系统定位精确性较为理想。6 结论煤矿是当前社会中的重要资源, 煤矿开采的效率对于经济发展有着直接的影响。而在煤矿开采中, 由于矿井下工作环境复杂, 因而对于安全保护措施具有极高的要求。井下人员定位系统, 对于保护矿井生产安全有着重要意义, 基于 Zig Bee 的井下人员定位系统, 在系统总体结构基础上, 运用 Zig Bee 技术实现硬件设计和软件设计, 能够更加精确的实现井下人员定位, 从而保证煤矿生产安全。参考文献1于洋, 张东伟.基于 Zig Bee 技术的井下人员定位系统的设计J.煤矿机械, 2009, 30 (12) :19-21. 2王绍.基于 WSN 的医院病人实时监护系统J.计算机系统应用, 2012 (5) :46-48.
