摘要：基于IEEE802.15.4的Zigbee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)備坑道人員定位管理系統(tǒng)具有低成本、低功耗、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、傳輸距離遠(yuǎn)、組網(wǎng)方式靈活等優(yōu)點(diǎn)。在闡述Zigbee協(xié)議的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了定位管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、通信流程、編程實(shí)現(xiàn)，為基于Zigbee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在各定位領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論參考和實(shí)踐依據(jù)。

關(guān)鍵詞：Zigbee協(xié)議；坑道；定位；管理

中圖分類號(hào)：TP315文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2008)08-10ppp-0c

1 引言

1.1 Zigbee技術(shù)概述

Zigbee協(xié)議主要是為自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立的，是當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信中的主流通信協(xié)議，在無線工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用。Zigbee網(wǎng)絡(luò)可由多達(dá)65000個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（FFD和RFD）組成，每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（FFD和RFD）類似移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基站，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（FFD和RFD）之間可以進(jìn)行相互通信；每兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75米，擴(kuò)展到幾百米甚至幾公里；整個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)還可以通過互聯(lián)網(wǎng)與異地Zigbee網(wǎng)絡(luò)通信。每個(gè)Zigbee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以與監(jiān)控對(duì)象連接直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過來的數(shù)據(jù)資料；一個(gè)Zigbee全功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)(FFD:Full Function Device)可在自己信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)，和多個(gè)簡約功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)(RFD:Reduced Function Device)無線連接。每個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以支持多達(dá)31個(gè)傳感器和受控設(shè)備，每一個(gè)傳感器和受控設(shè)備可以有8種不同的接口方式，可以采集和傳輸數(shù)字量和模擬量。

1.2 Zigbee技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

綜合Zigbee技術(shù)，可以發(fā)現(xiàn)其具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）功耗低，使用電池供電支持長達(dá)6個(gè)月到5年左右的使用時(shí)間（根據(jù)發(fā)射功率和頻率）。（2）可靠性高，采用了碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突；節(jié)點(diǎn)模塊之間具有自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的功能，信息在整個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)中通過自動(dòng)路由的方式進(jìn)行傳輸，從而保證了信息傳輸?shù)目煽啃?。?）時(shí)延短，實(shí)時(shí)性好，針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用較有優(yōu)勢(shì)。（4）網(wǎng)絡(luò)容量大，可支持達(dá)65000個(gè)節(jié)點(diǎn)。（5）安全保密性好，ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用通用的AES-128；64位地址編號(hào)保證地址空間容量及唯一性。

1.3 選用Zigbee技術(shù)的主要考慮

采用該技術(shù)作為坑道人員定位管理系統(tǒng)基礎(chǔ)，主要考慮一下幾點(diǎn)：（1）坑道范圍大，單位部門多， 需要數(shù)據(jù)采集或監(jiān)控的網(wǎng)點(diǎn)多；（2）要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，但可靠性要求高；（3）安全保密性高；（4）維護(hù)工作量小， 設(shè)備體積很小，電池供電且供電時(shí)間長；（5）坑道 地形比較復(fù)雜，其他定位管理手段網(wǎng)絡(luò)覆蓋受限，是GPS定位及 現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋盲區(qū)。

戰(zhàn)備坑道人員定位管理系統(tǒng)，通過合理規(guī)劃Zigbee網(wǎng)絡(luò)模型，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，結(jié)合任務(wù)要求，編制定位監(jiān)測(cè)管理軟件，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)備坑道人員定位管理，對(duì)于提高管理水平，提升整體指揮效能具有重要意義。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由三部分組成：（1）管理平臺(tái)(Master)部分，通過Master節(jié)點(diǎn)，接收網(wǎng)絡(luò)定位數(shù)據(jù)，分析、處理并以圖形方式直觀顯示，是系統(tǒng)的核心部分；（2）全功能節(jié)點(diǎn)(Reader)部分，接收移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并輸出RSSI(Received Signal Strength Indicator)信號(hào)和LQI(Link Quality Indication)信號(hào)，傳送到Master節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，該類節(jié)點(diǎn)具有路由功能；（3）為數(shù)眾多的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(Tag)部分，采用簡約功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)，發(fā)射信息，其范圍內(nèi)的全功能節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)并據(jù)此計(jì)算出信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。br>

圖1 戰(zhàn)備坑道人員定位管理系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)功能包括：（1）實(shí)現(xiàn)坑道內(nèi)人員定位，時(shí)刻掌握人員所處位置，提高作戰(zhàn)及其他軍事行動(dòng)指揮效能。（2）實(shí)現(xiàn)人員出、入，作息等管理功能，時(shí)刻掌握人員動(dòng)態(tài)，提高管理效能。（3）歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)查詢。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用Helicomm公司產(chǎn)品，采用FFD協(xié)議棧的IP-Link1221-2133型全功能設(shè)備作為Reader，適當(dāng)距離（約200米）間隔地配置在各部門坑道內(nèi)，保證非兩端Reader在視距內(nèi)能與兩個(gè)Reader通信；Tag采用RFD協(xié)議棧的IP-Link1222-2034型簡約功能設(shè)備。系統(tǒng)設(shè)備簡要組成框圖2所示。

圖2 戰(zhàn)備坑道人員定位管理系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)工作流程：整個(gè)系統(tǒng)工作模式采用定時(shí)喚醒機(jī)制，對(duì)人員定位數(shù)據(jù)采集分時(shí)段進(jìn)行，每隔一段時(shí)間采集一次數(shù)據(jù)，整個(gè)無線數(shù)據(jù)采集部分大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)。整個(gè)系統(tǒng)的一次查詢過程由Master發(fā)起數(shù)據(jù)查詢命令，并負(fù)責(zé)整個(gè)無線傳感器數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的通信建立及維護(hù)。管理計(jì)算機(jī)向Master發(fā)送查詢命令后，Master首先將自己設(shè)為簇頭，并將簇標(biāo)識(shí)設(shè)置為0，同時(shí)為該簇選擇一個(gè)未被使用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符，形成網(wǎng)絡(luò)中的第一個(gè)簇；Master廣播信標(biāo)幀，鄰近設(shè)備收到信標(biāo)幀，申請(qǐng)加入該簇，設(shè)備可否成為簇成員，由Master決定，如果請(qǐng)求被允許，則該設(shè)備將作為簇的子設(shè)備，加入鄰居列表，新加入的設(shè)備會(huì)將簇頭作為它的父設(shè)備加入到自己的鄰居列表，網(wǎng)絡(luò)建立成功后，每個(gè)簇成員（傳感節(jié)點(diǎn)）通過 Zigbeee中繼器把當(dāng)前數(shù)據(jù)傳給簇頭，數(shù)據(jù)融合到管理計(jì)算機(jī)，進(jìn)行分析處理。工作流程圖3所示。

圖3 系統(tǒng)Zigbee網(wǎng)絡(luò)工作流程圖

系統(tǒng)整體采用Helicomm的EZ-Tracer套件，采用EZ-Tracer Utility編程實(shí)現(xiàn)，軟件實(shí)現(xiàn)界面如圖4所示。

圖4 軟件實(shí)現(xiàn)界面

4 結(jié)束語

IEEE802.15.4/Zigbee標(biāo)準(zhǔn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有低成本、低功耗、協(xié)議簡單、通信可靠、通信速率適中、安全保密性強(qiáng)、自組織網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)，在GPS系統(tǒng)和移動(dòng)通信系統(tǒng)無法覆蓋的地域，具有較好的通信及定位功能。戰(zhàn)備坑道人員定位系統(tǒng)，基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在合理設(shè)計(jì)、選型的基礎(chǔ)上，通過編程實(shí)現(xiàn)人員定位與管理。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于地下防空工事、礦井、坑道等地下設(shè)施的人員定位與管理中，具有較為廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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