王同泉 崔建明

（太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，太原 030024）

煤礦的安全生產(chǎn)工作一直受到國家的高度重視。煤礦安全生產(chǎn)“十二五”規(guī)劃中明確規(guī)定2011年底前所有煤礦全部安裝井下人員定位系統(tǒng)。2013年6月底前全國所有煤礦全部完成“六大系統(tǒng)”的建設(shè)完善工作，切實(shí)提高煤礦安全保障水平和應(yīng)急處置能力。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的要求不斷升高，開發(fā)出可靠有效的礦井人員管理系統(tǒng)對(duì)于改善煤礦的安全生產(chǎn)具有很大的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值?，F(xiàn)代化的煤礦安全生產(chǎn)系統(tǒng)不僅包括對(duì)礦井下環(huán)境參數(shù)（例如瓦斯?jié)舛?、溫濕度、風(fēng)速等環(huán)境指標(biāo)）的監(jiān)測(cè)，還應(yīng)包括對(duì)下井人員的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，這樣極大的減少了人為因素事故的發(fā)生，提高了礦業(yè)生產(chǎn)的效率。針對(duì)當(dāng)今RFΙD 技術(shù)在使用中存在通信距離短的缺點(diǎn)，同時(shí)在多人通過無線基站時(shí)存在漏讀卡現(xiàn)象等問題，建立一套以Zigbee 無線通信技術(shù)為基礎(chǔ)的人員管理系統(tǒng)己經(jīng)成為煤礦安全生產(chǎn)和現(xiàn)代化管理的迫切需要。

1 Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)特點(diǎn)

Zigbee 顯著的特點(diǎn)就是低速率、低功耗、低成本、自配置和靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1]。同時(shí)Zigbee定義了應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層以及安全服務(wù)規(guī)范，與常見的無線通信標(biāo)準(zhǔn)相比，Zigbee 協(xié)議緊湊而簡單，Zigbee 體系結(jié)構(gòu)模型如圖1所示[2]。對(duì)其具體實(shí)現(xiàn)的要求很低，其最低需求估計(jì)：硬件需要8 位處理器，軟件需要32KB 的ROM，最小軟件需要4kB 的ROM，網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)需要更多的RAM 以容納網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的設(shè)備信息、數(shù)據(jù)包抓發(fā)表、設(shè)備關(guān)聯(lián)以及安全有關(guān)的密鑰存儲(chǔ)等。Zigbee 技術(shù)在讀卡器成本低，有效距離、傳輸速率及實(shí)用性等方面均優(yōu)于RFΙD。同時(shí)Zigbee 在信道切換機(jī)制方面抗多徑干擾能力和抗多址干擾能力都強(qiáng)于現(xiàn)有的藍(lán)牙、Wi-Fi等通信協(xié)議。

圖1 Zigbee 體系結(jié)構(gòu)模型

在符合Zigbee 協(xié)議的CC2431 無線定位中，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：最高精度可達(dá)0.5m；定位節(jié)點(diǎn)響應(yīng)時(shí)間少于40μs；定位誤差小于3m；硬件定位計(jì)算消耗非常少的CPU 資源。

2 系統(tǒng)的構(gòu)架方案

該系統(tǒng)由地面計(jì)算機(jī)中心、無線通信接入網(wǎng)關(guān)、參考節(jié)點(diǎn)、定位節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)分析等組成，定位系統(tǒng)原理框圖如圖2所示[2]。

圖2 定位系統(tǒng)原理框圖

主機(jī)是地面計(jì)算機(jī)。在計(jì)算機(jī)上有相關(guān)的界面化軟件，便于觀察地下工作情況，同時(shí)也方便于井下工作管理及調(diào)度等，同時(shí)井下的作業(yè)信息也可以通過網(wǎng)絡(luò)傳給相關(guān)部門檢測(cè)，把相關(guān)信息進(jìn)行存儲(chǔ)。

網(wǎng)關(guān)采用CC2430 組建一個(gè)Zigbee 網(wǎng)絡(luò)，在每個(gè)區(qū)域中，網(wǎng)關(guān)擔(dān)任協(xié)調(diào)器的角色，并且把定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及外部環(huán)境參數(shù)傳給地面計(jì)算機(jī)中心。

參考節(jié)點(diǎn)采CC2430 的設(shè)計(jì)擔(dān)任路由器的角色，在定位系統(tǒng)中它由用戶指定固定坐標(biāo)，并為定位節(jié)點(diǎn)提供坐標(biāo)和RSSΙ 平均值。

定位節(jié)點(diǎn)采用帶有定位引擎的CC2431 設(shè)計(jì)，能夠根據(jù)參考節(jié)點(diǎn)的固定坐標(biāo)和RSSΙ 平均值計(jì)算出自身的坐標(biāo)位置，同時(shí)協(xié)同定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)一起發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。

3 定位系統(tǒng)算法改進(jìn)

3.1 基于RSSI 的定位算法

RSSΙ 算法是通過已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度和接收節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)強(qiáng)度，算出信號(hào)在傳播過程中損耗的強(qiáng)度值，利用理論和模型將損耗轉(zhuǎn)化為距離，最終算出節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)[3]。

接收節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度的理論值為

式中，n為信號(hào)傳播常數(shù)；d為與發(fā)射節(jié)點(diǎn)的距離；A為距發(fā)射節(jié)點(diǎn)1m 處的接收信號(hào)強(qiáng)度。

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)（x,y）相對(duì)于固定節(jié)點(diǎn)（x1,y1），（x2,y2），（x3,y3）…（xn,yn）的距離為d1，d2，d3…dn，可得

根據(jù)線性方程變換AX B= ，其中：

采用最小二乘法可得出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為

3.2 算法的改進(jìn)

為了減少RSSΙ 算法的誤差影響，提高RSSΙ 定位算法精度，以三邊定位算法為基礎(chǔ)，分別對(duì)個(gè)體差異差分系數(shù)、距離差分系數(shù)和距離差分定位方程進(jìn)行了定義，把離目標(biāo)節(jié)點(diǎn)最近的固定節(jié)點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)，對(duì)基于RSSΙ 的測(cè)距進(jìn)行差分修正[4]。差分實(shí)現(xiàn)過程如圖3所示，固定節(jié)點(diǎn)R0(x0,y0)，R1(x1,y1)，…，Rn(x n,yn)，其中R0是離移動(dòng)節(jié)點(diǎn)M(x,y)最近的固定節(jié)點(diǎn)，令R0為差分參考節(jié)點(diǎn)，1R，2R，…，nR到0R的距離為D1，D2，…，Dn，R1，R2，…，Rn到M的距離為d1，d2，…，dn。

圖3 差分修正方法圖

固定節(jié)點(diǎn)RSSΙ 個(gè)體差異修正系數(shù)的定義：

式中，D′i為參考節(jié)點(diǎn)與第i個(gè)固定節(jié)點(diǎn)之間的測(cè)量距離，Di為實(shí)際距離，n為參與定位的固定節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

對(duì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)到第i個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離差分系數(shù)的定義

式中，λ為比例調(diào)整因子，di'為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與第i個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的實(shí)測(cè)距離，n值同上。

對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到第i個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的距離差分定位方程的定義

式中，di為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與第i個(gè)固定節(jié)點(diǎn)的修正距離，固定節(jié)點(diǎn)測(cè)量誤差ei=d i′-di。n值同上。

將式（8）代入式（6）、（7）中，即可求得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的差分修正坐標(biāo)。

如果有n個(gè)固定節(jié)點(diǎn)參與定位，就可得到Cn3組移動(dòng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值，并最終求得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)

4 定位系統(tǒng)的整體流程

定位系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)。網(wǎng)關(guān)是節(jié)點(diǎn)信息匯集的地方，也是所有節(jié)點(diǎn)的控制中心。圖4是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)原理圖[5]，收集到的信息可以通過液晶顯示或者總線方式傳給計(jì)算機(jī)。

圖4 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原理圖

人員定位軟件系統(tǒng)由操作界面和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組成。當(dāng)檢測(cè)到有信號(hào)傳輸時(shí)，立即執(zhí)行相應(yīng)的程序，數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)的信息則自動(dòng)讀取并發(fā)送到通信平臺(tái)，如有控制信息也寫到指定區(qū)域，程序檢測(cè)到后發(fā)出控制命令，把相應(yīng)的信息顯示到電腦或顯示屏上，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能。

定位軟件程序流程如圖5所示。首先，發(fā)送定位請(qǐng)求。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)在接收到定位請(qǐng)求后，將發(fā)送定位響應(yīng)，包括自身的位置信息和地址。通過GetRSSΙVal（）函數(shù)獲得RSSΙ 值。來自同一個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的RSSΙ 均值，通過RSSΙ 計(jì)算方法將信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為距離。與距離較近的幾個(gè)固定節(jié)點(diǎn)構(gòu)成集合，運(yùn)用三邊定位算法，求得該節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置。對(duì)所得的位置坐標(biāo)集合，求得平均值，再運(yùn)用差分修正法進(jìn)行修正，最終確定節(jié)點(diǎn)位置。

圖5 定位軟件流程圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)采用8 個(gè)固定節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)盲節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。通過運(yùn)行上位機(jī)Z-Location 軟件，配置固定節(jié)點(diǎn)（X，Y），并配置盲節(jié)點(diǎn)（A，N）等參數(shù)，然后捕獲其坐標(biāo)值。配置固定節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)分別為（2，2）、（2，20）、（10，2）、（10，20）、（18，2）、（18，20）、（26，2）、（26，20），當(dāng)盲節(jié)點(diǎn)實(shí)際位置為（12，12）、（16，16）時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，盲節(jié)點(diǎn)在區(qū)內(nèi)移動(dòng)，可得到其坐標(biāo)，誤差坐標(biāo)小于3m。

圖6 上位機(jī)定位顯示

實(shí)驗(yàn)還對(duì)A、N值進(jìn)行了調(diào)節(jié)，A值為30～50，N值為0～30。通過試驗(yàn)得出，A值的最佳范圍為45～49，N值的最佳范圍為15～25。實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為理想。

6 結(jié)論

基于當(dāng)今最流行的Zigbee 技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了整個(gè)井下人員定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)將RSSΙ 算法進(jìn)行了改進(jìn)，提高了定位精度，擴(kuò)大了定位區(qū)域，減小了定位誤差。通過上位機(jī)測(cè)試表明，能夠用于類似礦井巷道環(huán)境中，基本符合了定位的要求，適合于井下人員定位系統(tǒng)。

[1] 瞿雷,劉勝德,胡咸斌.Zigbee 技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

[2] 李文仲,段朝玉.Zigbee2006 無線網(wǎng)絡(luò)與無線定位實(shí)戰(zhàn)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

[3] 馬曉峰,汪玉鳳.基于Zigbee 技術(shù)的煤礦井下人員定位跟蹤系統(tǒng)的研究[D].遼寧:遼寧工程技術(shù)大學(xué),2009.

[4] 李偉,崔建明.基于Zigbee 和GΙS 的井下人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D],山西:太原理工大學(xué),2010.

[5] 劉洋,楊潔明.基于CC2431 的井下人員定位方法研究[J].煤礦機(jī)械,2010(6).