文/張艷紅 湖南師范大學(xué)工學(xué)院 湖南安全職業(yè)技術(shù)學(xué)院

Zigbee技術(shù)在煤礦井下人員定位系統(tǒng)中的應(yīng)用

文/張艷紅 湖南師范大學(xué)工學(xué)院 湖南安全職業(yè)技術(shù)學(xué)院

近年來，隨著對煤炭需求的高速增長，煤炭工業(yè)得到很大發(fā)展，但是煤礦重大、特大事故時有發(fā)生，仍未實(shí)現(xiàn)對災(zāi)害事故的有效控制。事故發(fā)生后，準(zhǔn)確判定井下生產(chǎn)作業(yè)人員的受困位置、遇險(xiǎn)人員撤退路線、井下的環(huán)境監(jiān)測情況以及及時準(zhǔn)確地制定救援方案，這對事故的救援是十分重要的?；赯igbee技術(shù)的井下人員無線定位系統(tǒng)，就是在此背景下進(jìn)行研究與開發(fā)的。

目前，礦井無線通信技術(shù)主要有透地通信技術(shù)、中遠(yuǎn)距離射頻感應(yīng)通信技術(shù)、漏泄通信技術(shù)以及礦井移動通信技術(shù)等。這些技術(shù)存在成本高、功耗大等缺點(diǎn)，很大程度上阻礙了其在礦業(yè)行業(yè)的推廣應(yīng)用。本文提出的一個基于Zigbee技術(shù)的煤礦井下無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)能較成功地解決上述問題。

圖1 Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通訊的基礎(chǔ)協(xié)議棧

Zigbee技術(shù)基本協(xié)議棧

Zigbee是一種采用成熟無線通訊技術(shù)的全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的開放的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。它以IEEE 802.15.4協(xié)議為基礎(chǔ)，能夠在三個不同的頻段上通訊。全球通用的頻段是2.4-2.484GHz，歐洲采用的頻段是868.0 -868.66MHz，美國采用的頻段是902 -928MHz。其基本協(xié)議棧及其相互關(guān)系如圖1所示。Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通訊的基礎(chǔ)協(xié)議棧分若干層，其中PHY和MAC處于最底層，NWK、NVM、APL、APS等層是建立在PHY和MAC層之上，最上面的是Application層。在這些層中，除了應(yīng)用層外都屬于協(xié)議層，在協(xié)議層中又有所不同，PHY、MAC與底層硬件相關(guān)，而NWK、NVM、APL和APS則脫離了硬件的影響。因此，將Zigbee協(xié)議及其應(yīng)用程序從一個硬件平臺移植到另外一個硬件平臺，只需修改最底層的MAC和PHY，待其硬件驅(qū)動程序完成后向上提供程序接口，NWK、NVM、APL、APS等層可以在不同的硬件平臺上直接運(yùn)行。

圖2 礦井定位系統(tǒng)總體方案

Zigbee在煤礦井下人員定位系統(tǒng)中的方案設(shè)計(jì)

在Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括兩類，即參考節(jié)點(diǎn)和移動節(jié)點(diǎn)?；驹硎嵌ㄎ痪W(wǎng)絡(luò)中移動目標(biāo)節(jié)點(diǎn)可將無線信號強(qiáng)度值和參考節(jié)點(diǎn)的距離換算，來獲得移動目標(biāo)節(jié)點(diǎn)自身的位置信息，傳輸給鄰近的參考節(jié)點(diǎn)，參考節(jié)點(diǎn)將接收到的移動目標(biāo)節(jié)點(diǎn)信息(無線信號強(qiáng)度RSSI和無線信號質(zhì)量LQI)，以無線方式通過無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和以太網(wǎng)傳送到中心控制機(jī)作最終處理。具體布局見圖2。井下部分通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，參考節(jié)點(diǎn)根據(jù)實(shí)際需要，沿坑道每隔50～200 m距離（工作面距離則可降低為50m），在坑道礦燈適當(dāng)位置設(shè)置一個Zigbee參考節(jié)點(diǎn)(采用固定礦燈電源供電)，同時在需要定位和網(wǎng)絡(luò)連接的地方，也安置Zigbee參考節(jié)點(diǎn)；而移動節(jié)點(diǎn)由下井礦工攜帶，鋰電池供電。為避免井下環(huán)境對無線信號的干擾，所有無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用的都是抗干擾的直序擴(kuò)頻通信方式，具有唯一標(biāo)識的地址。在布置參考節(jié)點(diǎn)的位置時，注意應(yīng)使每個移動節(jié)點(diǎn)至少可與2個以上的參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，即避免“單線通信聯(lián)系”，以保證Zigbee網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。因?yàn)閆igbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體積很小，而且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的通信不需要使用額外的光纖或通信電纜來進(jìn)行連接，組網(wǎng)非常方便靈活。井上部分由以太網(wǎng)方式與外界組網(wǎng)。

本定位跟蹤系統(tǒng)是在網(wǎng)絡(luò)的平臺上搭建起來的，移動節(jié)點(diǎn)定位通過CC2431內(nèi)部集成的硬件定位引擎而實(shí)現(xiàn)，硬件設(shè)備包括網(wǎng)關(guān)設(shè)備、參考節(jié)點(diǎn)和移動節(jié)點(diǎn)組成。其中網(wǎng)關(guān)和參考節(jié)點(diǎn)的主控芯片選用的是TI公司的CC2430，移動節(jié)點(diǎn)為TI公司的CC2431。CC2430/CC2431芯片內(nèi)部使用1個8位MCU（8051），具有128 KB的可編程閃存和8KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個定時器（Timer）、AES128 協(xié)同處理器、看門狗定時器（Watchdog timer）、32 kHz 晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路(PowerOn Reset)、掉電檢測電路(Brown out detection)，以及21 個可編程I/O引腳。CC2430與CC2431最大的區(qū)別是CC2431有跟蹤定位引擎而CC2430無跟蹤定位引擎，除此之外，兩款芯片無其它差別。因此，從節(jié)約成本的角度考慮，對網(wǎng)關(guān)、參考節(jié)點(diǎn)和移動節(jié)點(diǎn)所選芯片作上述安排。

CC2431定位引擎基于RSSI技術(shù) ，定位系統(tǒng)由參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)組成。參考節(jié)點(diǎn)是一個位于已知位置的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，這個節(jié)點(diǎn)知道自己的位置并可以將其位置通過發(fā)送數(shù)據(jù)包通知其它節(jié)點(diǎn)。定位節(jié)點(diǎn)從參考節(jié)點(diǎn)處接收數(shù)據(jù)包信號，獲得參考節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)及相應(yīng)的RSSI值并將其送至定位引擎，然后可以讀出由定位引擎計(jì)算得到的自身位置。由參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送給定位節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包至少包含參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù)水平位置X和豎直位置Y，而RRSI值可由接收節(jié)點(diǎn)計(jì)算獲得。

本文提出了一種基于Zigbee技術(shù)的井下人員無線定位系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案以及定位的實(shí)現(xiàn)，該技術(shù)能夠提高煤礦井下救援的效率，為搶救人員和財(cái)產(chǎn)安全爭取寶貴的時間。

責(zé)任編輯 鐘金花