李明學(xué)，展影清，田由輝，張雅君

（黑龍江科技學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150027）

隨著井下開采的快速進(jìn)行，井下安全生產(chǎn)仍存在很多安全隱患，導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。急需建立一套完善的井下人員定位系統(tǒng)來確認(rèn)井下工作人員在井下的動(dòng)向及保證其生命安全。而ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的可靠性高、傳輸速率低、距離短、功耗低等特點(diǎn)恰好是用于井下人員定位系統(tǒng)的最優(yōu)選擇。

1 井下人員定位系統(tǒng)簡(jiǎn)介

煤礦井下人員定位系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)井下人員的位置及進(jìn)行人員管理的系統(tǒng)?！秶?guó)家煤礦安全監(jiān)察局關(guān)于完善煤礦井下安全避險(xiǎn)“六大系統(tǒng)”的通知（安監(jiān)總煤裝［2010］146號(hào)）》中明確要求建設(shè)并完善煤礦井下人員定位系統(tǒng)，發(fā)揮井下人員定位系統(tǒng)在定員管理和應(yīng)急救援工作中的作用。

井下人員定位系統(tǒng)應(yīng)具備的優(yōu)點(diǎn)有:

1）系統(tǒng)要有報(bào)警功能，對(duì)下井超時(shí)人員及危險(xiǎn)地區(qū)進(jìn)行警示。

2）安全、可靠，可以在惡劣環(huán)境下24 h正常工作。在搶險(xiǎn)工作中，可以為事故搶險(xiǎn)提供人員分布數(shù)據(jù)依據(jù)。

3）可以自動(dòng)檢測(cè)并查詢下井人員的人數(shù)，對(duì)于井下工作人員的分布情況進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)控。并將井下人員的分布情況及時(shí)反饋到地面監(jiān)控中心，有利于地面管理人員進(jìn)行合理的調(diào)度管理。

4）可以實(shí)現(xiàn)考勤管理功能，便于查詢一人或多人在任一時(shí)間段的活動(dòng)軌跡，獲取員工出勤率。

2 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

ZigBee技術(shù)伴隨工業(yè)自動(dòng)化對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的需求產(chǎn)生，工作周期短，傳輸速率低，采用休眠機(jī)制，省電，通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延均非常短，可工作在2.4 GHz（全球）、868 MHz（歐洲）和915 MHz（美國(guó)）3個(gè)頻段上，分別具有最高250 kbit/s，20 kbit/s和40 kbit/s的傳輸速率，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有以下三種:協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。其中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的中心控制，路由器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，而終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)信息采集，節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多。每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅可以作為監(jiān)控對(duì)象，與其他節(jié)點(diǎn)或傳感器連接直接進(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。另外，每個(gè)Zig-Bee網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)在自己的信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)，可以和多個(gè)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線連接。

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)具有自動(dòng)組織、自動(dòng)愈合和自動(dòng)節(jié)能的能力。

3 ZigBee協(xié)議棧

ZigBee技術(shù)是一組基于 IEEE（institute of electrical and electronics）的802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范而研制開發(fā)的組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（圖1）。

ZigBee協(xié)議棧以IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義的物理層（PHY）和介質(zhì)訪問控制層（MAC）規(guī)范為基礎(chǔ)，定義了網(wǎng)絡(luò)層（network layer，NWK）和應(yīng)用層（application layer，APL）。在應(yīng)用層中還提供了應(yīng)用支持子層（application support sub-layer，APS）和 ZigBee 設(shè)備對(duì)象（ZigBee device objects，ZDO）和用戶自定義的應(yīng)用對(duì)象（manufacturer-defined application objects，MDAO）。

圖1 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

物理層（PHY）定義了物理無線信道和MAC層間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)。PHY的主要功能是:ZigBee激活、當(dāng)前信道的能量檢測(cè)、接收信道鏈路的服務(wù)信息、ZigBee信道接入和信道頻率選擇及數(shù)據(jù)傳輸和接收。

介質(zhì)訪問控制層（MAC）主要負(fù)責(zé)處理所有的物理無線信道訪問、產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信號(hào)和同步信號(hào)、支持PAN的連接和分離、為兩個(gè)對(duì)等MAC實(shí)體提供可靠鏈路。其功能主要有:ZigBee協(xié)調(diào)器產(chǎn)生信標(biāo)、與信標(biāo)同步、PAN鏈路的建立和斷開、安全性支持、信道介入放肆采用CSMA/CA機(jī)制、處理并維護(hù)保護(hù)時(shí)隙（GTS）機(jī)制等。

網(wǎng)絡(luò)層（NWK）是ZigBee協(xié)議棧的核心部分，它主要實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的加入或離開網(wǎng)絡(luò)、接收或拋棄其他節(jié)點(diǎn)及路由查找和傳送數(shù)據(jù)等功能。NWK層的功能主要有:網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)和形成、允許設(shè)備連接、路由器初始化、設(shè)備同網(wǎng)絡(luò)連接、斷開網(wǎng)絡(luò)、重新復(fù)位設(shè)備、接收機(jī)同步及信息庫(kù)維護(hù)等。

應(yīng)用層（APL）包括應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO），ZigBee應(yīng)用框架（application framework，AF），ZigBee設(shè)備模板及制造商定義的應(yīng)用層對(duì)象等。

4 ZigBee定位技術(shù)

ZigBee定位技術(shù)通過CC2431定位跟蹤引擎來實(shí)現(xiàn)，CC2431是Chipcon公司推出的用來實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)SoC，是世界上首個(gè)真正的ZigBee單芯片解決方案，具有芯片可編程閃存，支持全球通用頻段2.4 GHz的 IEEE 802.15.4/ZigBee 協(xié)議，滿足高性能、高可靠性、低成本、低功耗的要求。

ZigBee無線定位網(wǎng)絡(luò)由ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器及ZigBee終端設(shè)備組成。無線定位網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。CC2431定位引擎基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示（received signal strength indicator，RSSI）技術(shù)，根據(jù)已知ZigBee路由器位置和RSSI準(zhǔn)確計(jì)算出ZigBee移動(dòng)終端，然后將位置信息發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器。在日常應(yīng)用中，CC2431定位精度為35 m，分辨率為0.25 m。

圖2 無線定位網(wǎng)絡(luò)示意圖

RSSI指節(jié)點(diǎn)接收到的無線信號(hào)的強(qiáng)度大小。用RSSI測(cè)距法來測(cè)量距離不需要額外的硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，且具有低功率和廉價(jià)的特點(diǎn)。但是，用RSSI估算節(jié)點(diǎn)距離時(shí)，RSSI的值會(huì)隨著距離的增加而減小，而且受環(huán)境的影響較大，但是，RSSI值與距離之間不存在嚴(yán)格的函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，在使用RSSI進(jìn)行定位時(shí)，ZigBee路由器已知信號(hào)發(fā)射強(qiáng)度，ZigBee終端設(shè)備根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)度可以計(jì)算出信號(hào)的傳播損耗，然后，使用信號(hào)傳播模型計(jì)算出實(shí)際距離，最后通過定位算法確定ZigBee移動(dòng)終端的位置。

式中:d—ZigBee移動(dòng)終端與ZigBee路由器之間的距離;

d0—參考距離，一般取1 m;

n—路徑損耗指數(shù)，這個(gè)指數(shù)的變化依賴于建筑物和周圍環(huán)境的類型，表示路徑損耗隨距離增加而增大的快慢程度。巷道中一般取24;

Xσ—高斯隨機(jī)噪聲變量，單位是dB，其均值為，方差為σ;

PL（d0）—距離ZigBee移動(dòng)終端距離為d0處節(jié)點(diǎn)接收到的接收信號(hào)強(qiáng)度值，可以通過實(shí)驗(yàn)或硬件規(guī)范協(xié)議中得出;

PL（d）—距離ZigBee移動(dòng)終端距離為d處節(jié)點(diǎn)接收到的接收信號(hào)強(qiáng)度值。

信號(hào)接收端ZigBee路由器的信號(hào)強(qiáng)度為:

式中:Pr（d）—ZigBee路由器接收功率，也可以表示為接收信號(hào)強(qiáng)度RSSI（d），單位dBm;

Pt—ZigBee移動(dòng)終端的信號(hào)發(fā)射功率，單位dBm;

這樣，已知發(fā)射功率和接收功率，即可得出PL（d）。

或者，運(yùn)用以下方法也可得出PL（d）。

已知PL（d0）后，可計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度值，設(shè)為A，則得出:

則式（1）可轉(zhuǎn)換為:

由此可得，所測(cè)距離為:

接收信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）的理論值是發(fā)射功率和發(fā)送接收之間距離的函數(shù)，并隨距離的增加而減小。如式（10）:

使用RSSI定位易受環(huán)境影響，相同的距離在巷道內(nèi)多徑傳播、反射、人員流動(dòng)等情況下會(huì)產(chǎn)生不同的傳播損耗;而傳播損耗相同時(shí)，距離也會(huì)有很大差別，因此，測(cè)距時(shí)，要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，避免RSSI值的不穩(wěn)定性，確保RSSI能更精確地體現(xiàn)出無線網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)傳播距離。

5 井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中主要包括:ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器及井下人員攜帶的ZigBee終端設(shè)備等。在芯片選擇中，ZigBee協(xié)調(diào)器選用的是CC2430，ZigBee路由器和ZigBee終端移動(dòng)節(jié)點(diǎn)選用的是ZigBee片上系統(tǒng)芯片CC2431。

CC2430/CC2431芯片和ZigBee協(xié)議棧Z-Stack共同提供了最具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的ZigBee解決方案。CC2430/CC2431芯片的主要區(qū)別在于CC2431有定位引擎，可以實(shí)現(xiàn)定位功能，而CC2430無。CC2430的接收信號(hào)強(qiáng)度高達(dá)-92 dBm，最大發(fā)射功率為+0.6 dBm，而最大傳送速率為250 bit/s。它可以在極短時(shí)間內(nèi)從休眠模式轉(zhuǎn)到活動(dòng)模式。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是:在礦井下安裝ZigBee協(xié)調(diào)器和Zig-Bee路由器，由井下人員攜帶ZigBee終端設(shè)備進(jìn)入巷道建立完整的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。ZigBee路由器向ZigBee終端設(shè)備發(fā)射自身的信號(hào)強(qiáng)度，ZigBee終端設(shè)備接收后經(jīng)過分析整理獲取ZigBee路由器的位置信息，并將位置信息傳輸給ZigBee協(xié)調(diào)器，由ZigBee協(xié)調(diào)器通過光纖以太網(wǎng)將井下人員的位置信息傳輸?shù)降孛婵刂浦行摹igBee協(xié)調(diào)器之間通過CAN總線相連，可以快速的將采集到的信息匯總，從而更好的實(shí)現(xiàn)井下人員的實(shí)時(shí)定位。同樣，地面監(jiān)控中心也可以將數(shù)據(jù)或報(bào)警信息傳輸給井下工作人員。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

6 語(yǔ)結(jié)

針對(duì)井下工作人員的復(fù)雜工作環(huán)境及國(guó)家對(duì)安全生產(chǎn)的嚴(yán)格要求，提出以CC2431定位跟蹤引擎來進(jìn)行定位的ZigBee井下人員定位系統(tǒng)，加強(qiáng)井下人員的管理及其生命安全的保障。

圖3 井下人員定位系統(tǒng)示意圖

［1］謝曉佳，程麗君，王勇.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的井下人員跟蹤定位系統(tǒng)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2007，8.

［2］張奇松，尹航.Z-Stack剖析及其在無線測(cè)溫網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用.2009（2）:103-105.

［3］顏一多.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.長(zhǎng)沙:湖南科技大學(xué)，2010，5.

［4］呂舟.基于ZigBee的無線定位網(wǎng)絡(luò)的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2009，5.

［5］吳飛，崔建明，商艷蘭.基于ZigBee的礦井無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.電氣技術(shù)，2010，4.

［6］呂治安.ZigBee網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用開發(fā)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［7］張潔穎.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的定位跟蹤研究與實(shí)現(xiàn)［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2007，3.

［8］趙剛.基于ZigBee技術(shù)礦井下人員定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.沈陽(yáng):遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2008，12.

［9］耿曉立，邱選兵，魏計(jì)林.基于ZigBee技術(shù)的井下人員定位系統(tǒng)的研究［J］.應(yīng)用技術(shù)-太原科技，2008，1.

［10］李潤(rùn)求，施式亮，彭新.基于ZigBee技術(shù)的煤礦井下人員跟蹤定位系統(tǒng)研究［J］.試驗(yàn)研究，2008，11（112）.