高永峰，吳房勝，于進杰

摘 要：近年來，我國煤礦事故頻發(fā)，煤礦安全讓人擔(dān)憂。礦井中井下人員的管理非常困難，地面工作人員不能隨時了解井下人員的分布情況及作業(yè)情況，很難進行人員定位，一旦事故發(fā)生，對井下人員的搶救非常困難。針對此問題，本文研究了一款基于 ZigBee 的井下人員無線定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)以 CC2430/CC2431芯片為核心，利用 RSSI 定位算法，實現(xiàn)井下工作人員的實時定位，使地面人員隨時了解井下作業(yè)人員的分布狀態(tài)、作業(yè)情況等，使井下人員定位管理的有效性與可靠性大大提高，具有極大的市場經(jīng)濟價值。

關(guān)鍵詞：ZigBee；井下；定位；RSSI算法

0 引言

本文以ZigBee 技術(shù)為核心技術(shù)，對系統(tǒng)開發(fā)進行了說明，并闡述了人員定位系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖、軟硬件系統(tǒng)設(shè)計方案以及上位機設(shè)計方案。最后組建了一套仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了實時定位的效果。本系統(tǒng)在 ZigBee 架構(gòu)下，以 CC2430/2431 單芯片為核心，開發(fā)出的無線定位網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有定位準(zhǔn)確、造價低廉、便于攜帶、體積微小、結(jié)構(gòu)簡單等特點，能夠很好地解決井下作業(yè)人員的位置信息問題。

1 定位原理及系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 定位原理

本系統(tǒng)采用RSSI（接收信號強度指示）定位算法，該算法測距是節(jié)點最實用的測距方法之一，不需要另加硬件設(shè)備，方法實現(xiàn)簡單。其工作原理是在已知發(fā)射節(jié)點信號功率的前提下，獲取接收節(jié)點的接收到的功率，利用測量接收到的信號功率來計算定位節(jié)點距參考節(jié)點的長度，并算出傳輸過程中的功率損耗，通過信號傳播衰減模型將傳輸損耗轉(zhuǎn)換成節(jié)點之間的長度，進一步采用三邊定位法測出定位節(jié)點的位置。

定位原理圖如圖1所示，CC2431無線定位引擎是以RSSI定位技術(shù)為基礎(chǔ)，由參考節(jié)點與定位節(jié)點兩部分構(gòu)成。參考節(jié)點是已知位置的靜態(tài)節(jié)點，這個節(jié)點知道自己的位置并能夠?qū)⑵湮恢靡詳?shù)據(jù)包形式通知給其他的節(jié)點。定位節(jié)點獲取參考節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)包信號，以參考節(jié)點位置坐標(biāo)以及相應(yīng)的RSSI值為參考，將其寫進定位引擎，然后由定位引擎計算得到自身的位置。參考節(jié)點傳輸給定位節(jié)點的數(shù)據(jù)一般由參考點的坐標(biāo)參數(shù)豎直位置 Y和水平位置 X構(gòu)成，而RSSI值由定位節(jié)點計算得到。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

結(jié)合礦井現(xiàn)場環(huán)境，采用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和RSSI精確定位算法，本系統(tǒng)的井下人員定位由監(jiān)控中心、參考節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點、通信模塊以及定位節(jié)點等部分構(gòu)成，井下人員定位結(jié)構(gòu)體系如圖2所示。下面將對其各個模塊進行簡要說明。

（1）監(jiān)控中心

定位系統(tǒng)中最高層是監(jiān)控室的監(jiān)控電腦。一般監(jiān)控室與礦井的距離比較遠，所以監(jiān)控電腦通常利用以太網(wǎng)與井下每個節(jié)點互相聯(lián)通。利用監(jiān)控電腦上運行的監(jiān)控軟件，監(jiān)控人員可與井下每個節(jié)點實時通信，準(zhǔn)確獲取井下各節(jié)點的設(shè)備參數(shù)、環(huán)境以及分布狀況等信息。一旦獲取到的節(jié)點數(shù)據(jù)有異常情況，監(jiān)控軟件便馬上報警，監(jiān)控人員可馬上通知井下工作人員，組織井下工作人員迅速撤離。監(jiān)控軟件將獲取的井下各節(jié)點數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，對采集的數(shù)據(jù)進行分析與處理，對事故進行準(zhǔn)確的預(yù)判。

（2）參考節(jié)點

定位裝置的參考節(jié)點分為主控芯片模塊、供電模塊、傳感器模塊和無線通信模塊。其中，無線通訊模塊、供電模塊以及處理器模塊與網(wǎng)關(guān)節(jié)點中與其對應(yīng)的模塊的作用大致一樣。傳感器模塊主要采集監(jiān)控區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)（如瓦斯氣體濃度）并將其轉(zhuǎn)化成固定格式的數(shù)據(jù)，傳輸給監(jiān)控中心。

（3）網(wǎng)關(guān)節(jié)點

定位裝置的網(wǎng)關(guān)節(jié)點分為處理器模塊、供電模塊、串口模塊以及無線通信模塊。其中，處理器模塊為主控模塊，主要控制節(jié)點的功耗、同步定位執(zhí)行以及ZigBee的路由協(xié)議等。

（4）通信模塊

通信模塊處于中間層，傳輸模式為無線和有線相結(jié)合。無線傳輸是利用ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)定位節(jié)點、參考節(jié)點與網(wǎng)關(guān)節(jié)點三者之間的通信。定位系統(tǒng)有線傳輸是通過串口轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)和監(jiān)控主機互相連通，該模塊是將多路串口采集的數(shù)據(jù)利用以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)傳輸給監(jiān)控中心，或者將來自監(jiān)控主機的數(shù)據(jù)通過串口轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)節(jié)點。

（5）定位節(jié)點

定位節(jié)點是由主控芯片模塊、供電模塊以及無線通信模塊組成。通常是將電子標(biāo)簽嵌入到礦工安全帽中或者制成便攜式卡片。

2 硬件設(shè)計

井下定位系統(tǒng)包括下位機與上位機兩個主要部分。上位機監(jiān)控軟件安裝在地表的監(jiān)控電腦上。下位機的定位系統(tǒng)利用CC2430模塊實現(xiàn)。下位機和上位機之間通過以太網(wǎng)進行連接。CC2430是全球第一個滿足ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz射頻芯片，該芯片兼容IEEE802.15.4 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)嵌51系列單片機的核，并將ZigBee RF前端、存儲器以及微控制器集于一身。ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其無線網(wǎng)絡(luò)包括定位節(jié)點、參考節(jié)點以及網(wǎng)關(guān)節(jié)點三種設(shè)備，其中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，是無線定位系統(tǒng)的核心，CC2430網(wǎng)關(guān)射頻模塊電路如圖3所示。

3 軟件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)是整個ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的核心主要完成信息的無線接收和發(fā)送；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立；接收上位機發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)給各個節(jié)點，故本文主要介紹網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計，網(wǎng)關(guān)的工作流程如圖4所示。網(wǎng)關(guān)利用以太網(wǎng)與地表上的監(jiān)控主機相連。首先接收由監(jiān)控主機提供各個節(jié)點的配置信息，并將接收到的數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的節(jié)點實現(xiàn)初始化；另外，接收各節(jié)點反饋的有效信息并利用以太網(wǎng)傳送到地表上的監(jiān)控主機。管理人員通過監(jiān)控主機能夠掌握每個工作人員的具體位置以及每個節(jié)點的性能狀況。

4 系統(tǒng)測試

為了完善的開發(fā)和設(shè)計完整的井下人員定位系統(tǒng)，本文建立了一個簡單的無線定位仿真系統(tǒng)，并進行了定位系統(tǒng)的測試，本系統(tǒng)下位機的開發(fā)軟件采用 IAR Embedded Workbench 嵌入式集成開發(fā)軟件。

本系統(tǒng)仿真系統(tǒng)由5 個CC2430模塊組成，其中包含網(wǎng)關(guān)1個、參考節(jié)點4個；1 個CC2431模塊作為盲節(jié)點。CC2430/ CC2431模塊實物圖如圖5所示。為了正常的運行和調(diào)試 IAR 軟件所編寫的程序，該仿真系統(tǒng)采用的ZigBee 調(diào)試器為SmartRF04EB 調(diào)試器。

在系統(tǒng)啟動之前前，首先要在電腦上安裝協(xié)議棧ZStack-1.4.2-1.1.0，然后用IAR軟件打開已經(jīng)編好的程序編譯，利用USB線纜將主機與SmartRF04EB協(xié)議分析器連接，然后利用分析器的JTAG接口用專用線纜連接到CC2430模塊上，將程序燒錄到模塊芯片中，再進行參數(shù)的配置，實現(xiàn)系統(tǒng)的搭建其中IAR編程界面如圖6所示。

上位機采用美國TI公司的Z-Location Engine監(jiān)控軟件對每個節(jié)點測試，打開實驗平臺的定位軟件，使用Chipcon公司提供的定位引擎對下位機進行測試，實驗結(jié)果如圖7所示。

參考文獻：

[1]李燕濤. 基于ZigBee的井下人員定位系統(tǒng)的研究[J]. 西安科技大學(xué)碩士論文，2012（6）.

摘 要：近年來，我國煤礦事故頻發(fā)，煤礦安全讓人擔(dān)憂。礦井中井下人員的管理非常困難，地面工作人員不能隨時了解井下人員的分布情況及作業(yè)情況，很難進行人員定位，一旦事故發(fā)生，對井下人員的搶救非常困難。針對此問題，本文研究了一款基于 ZigBee 的井下人員無線定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)以 CC2430/CC2431芯片為核心，利用 RSSI 定位算法，實現(xiàn)井下工作人員的實時定位，使地面人員隨時了解井下作業(yè)人員的分布狀態(tài)、作業(yè)情況等，使井下人員定位管理的有效性與可靠性大大提高，具有極大的市場經(jīng)濟價值。

關(guān)鍵詞：ZigBee；井下；定位；RSSI算法

0 引言

本文以ZigBee 技術(shù)為核心技術(shù)，對系統(tǒng)開發(fā)進行了說明，并闡述了人員定位系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖、軟硬件系統(tǒng)設(shè)計方案以及上位機設(shè)計方案。最后組建了一套仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了實時定位的效果。本系統(tǒng)在 ZigBee 架構(gòu)下，以 CC2430/2431 單芯片為核心，開發(fā)出的無線定位網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有定位準(zhǔn)確、造價低廉、便于攜帶、體積微小、結(jié)構(gòu)簡單等特點，能夠很好地解決井下作業(yè)人員的位置信息問題。

1 定位原理及系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 定位原理

本系統(tǒng)采用RSSI（接收信號強度指示）定位算法，該算法測距是節(jié)點最實用的測距方法之一，不需要另加硬件設(shè)備，方法實現(xiàn)簡單。其工作原理是在已知發(fā)射節(jié)點信號功率的前提下，獲取接收節(jié)點的接收到的功率，利用測量接收到的信號功率來計算定位節(jié)點距參考節(jié)點的長度，并算出傳輸過程中的功率損耗，通過信號傳播衰減模型將傳輸損耗轉(zhuǎn)換成節(jié)點之間的長度，進一步采用三邊定位法測出定位節(jié)點的位置。

定位原理圖如圖1所示，CC2431無線定位引擎是以RSSI定位技術(shù)為基礎(chǔ)，由參考節(jié)點與定位節(jié)點兩部分構(gòu)成。參考節(jié)點是已知位置的靜態(tài)節(jié)點，這個節(jié)點知道自己的位置并能夠?qū)⑵湮恢靡詳?shù)據(jù)包形式通知給其他的節(jié)點。定位節(jié)點獲取參考節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)包信號，以參考節(jié)點位置坐標(biāo)以及相應(yīng)的RSSI值為參考，將其寫進定位引擎，然后由定位引擎計算得到自身的位置。參考節(jié)點傳輸給定位節(jié)點的數(shù)據(jù)一般由參考點的坐標(biāo)參數(shù)豎直位置 Y和水平位置 X構(gòu)成，而RSSI值由定位節(jié)點計算得到。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

結(jié)合礦井現(xiàn)場環(huán)境，采用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和RSSI精確定位算法，本系統(tǒng)的井下人員定位由監(jiān)控中心、參考節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點、通信模塊以及定位節(jié)點等部分構(gòu)成，井下人員定位結(jié)構(gòu)體系如圖2所示。下面將對其各個模塊進行簡要說明。

（1）監(jiān)控中心

定位系統(tǒng)中最高層是監(jiān)控室的監(jiān)控電腦。一般監(jiān)控室與礦井的距離比較遠，所以監(jiān)控電腦通常利用以太網(wǎng)與井下每個節(jié)點互相聯(lián)通。利用監(jiān)控電腦上運行的監(jiān)控軟件，監(jiān)控人員可與井下每個節(jié)點實時通信，準(zhǔn)確獲取井下各節(jié)點的設(shè)備參數(shù)、環(huán)境以及分布狀況等信息。一旦獲取到的節(jié)點數(shù)據(jù)有異常情況，監(jiān)控軟件便馬上報警，監(jiān)控人員可馬上通知井下工作人員，組織井下工作人員迅速撤離。監(jiān)控軟件將獲取的井下各節(jié)點數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，對采集的數(shù)據(jù)進行分析與處理，對事故進行準(zhǔn)確的預(yù)判。

（2）參考節(jié)點

定位裝置的參考節(jié)點分為主控芯片模塊、供電模塊、傳感器模塊和無線通信模塊。其中，無線通訊模塊、供電模塊以及處理器模塊與網(wǎng)關(guān)節(jié)點中與其對應(yīng)的模塊的作用大致一樣。傳感器模塊主要采集監(jiān)控區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)（如瓦斯氣體濃度）并將其轉(zhuǎn)化成固定格式的數(shù)據(jù)，傳輸給監(jiān)控中心。

（3）網(wǎng)關(guān)節(jié)點

定位裝置的網(wǎng)關(guān)節(jié)點分為處理器模塊、供電模塊、串口模塊以及無線通信模塊。其中，處理器模塊為主控模塊，主要控制節(jié)點的功耗、同步定位執(zhí)行以及ZigBee的路由協(xié)議等。

（4）通信模塊

通信模塊處于中間層，傳輸模式為無線和有線相結(jié)合。無線傳輸是利用ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)定位節(jié)點、參考節(jié)點與網(wǎng)關(guān)節(jié)點三者之間的通信。定位系統(tǒng)有線傳輸是通過串口轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)和監(jiān)控主機互相連通，該模塊是將多路串口采集的數(shù)據(jù)利用以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)傳輸給監(jiān)控中心，或者將來自監(jiān)控主機的數(shù)據(jù)通過串口轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)節(jié)點。

（5）定位節(jié)點

定位節(jié)點是由主控芯片模塊、供電模塊以及無線通信模塊組成。通常是將電子標(biāo)簽嵌入到礦工安全帽中或者制成便攜式卡片。

2 硬件設(shè)計

井下定位系統(tǒng)包括下位機與上位機兩個主要部分。上位機監(jiān)控軟件安裝在地表的監(jiān)控電腦上。下位機的定位系統(tǒng)利用CC2430模塊實現(xiàn)。下位機和上位機之間通過以太網(wǎng)進行連接。CC2430是全球第一個滿足ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz射頻芯片，該芯片兼容IEEE802.15.4 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)嵌51系列單片機的核，并將ZigBee RF前端、存儲器以及微控制器集于一身。ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其無線網(wǎng)絡(luò)包括定位節(jié)點、參考節(jié)點以及網(wǎng)關(guān)節(jié)點三種設(shè)備，其中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，是無線定位系統(tǒng)的核心，CC2430網(wǎng)關(guān)射頻模塊電路如圖3所示。

3 軟件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)是整個ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的核心主要完成信息的無線接收和發(fā)送；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立；接收上位機發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)給各個節(jié)點，故本文主要介紹網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計，網(wǎng)關(guān)的工作流程如圖4所示。網(wǎng)關(guān)利用以太網(wǎng)與地表上的監(jiān)控主機相連。首先接收由監(jiān)控主機提供各個節(jié)點的配置信息，并將接收到的數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的節(jié)點實現(xiàn)初始化；另外，接收各節(jié)點反饋的有效信息并利用以太網(wǎng)傳送到地表上的監(jiān)控主機。管理人員通過監(jiān)控主機能夠掌握每個工作人員的具體位置以及每個節(jié)點的性能狀況。

4 系統(tǒng)測試

為了完善的開發(fā)和設(shè)計完整的井下人員定位系統(tǒng)，本文建立了一個簡單的無線定位仿真系統(tǒng)，并進行了定位系統(tǒng)的測試，本系統(tǒng)下位機的開發(fā)軟件采用 IAR Embedded Workbench 嵌入式集成開發(fā)軟件。

本系統(tǒng)仿真系統(tǒng)由5 個CC2430模塊組成，其中包含網(wǎng)關(guān)1個、參考節(jié)點4個；1 個CC2431模塊作為盲節(jié)點。CC2430/ CC2431模塊實物圖如圖5所示。為了正常的運行和調(diào)試 IAR 軟件所編寫的程序，該仿真系統(tǒng)采用的ZigBee 調(diào)試器為SmartRF04EB 調(diào)試器。

在系統(tǒng)啟動之前前，首先要在電腦上安裝協(xié)議棧ZStack-1.4.2-1.1.0，然后用IAR軟件打開已經(jīng)編好的程序編譯，利用USB線纜將主機與SmartRF04EB協(xié)議分析器連接，然后利用分析器的JTAG接口用專用線纜連接到CC2430模塊上，將程序燒錄到模塊芯片中，再進行參數(shù)的配置，實現(xiàn)系統(tǒng)的搭建其中IAR編程界面如圖6所示。

上位機采用美國TI公司的Z-Location Engine監(jiān)控軟件對每個節(jié)點測試，打開實驗平臺的定位軟件，使用Chipcon公司提供的定位引擎對下位機進行測試，實驗結(jié)果如圖7所示。

參考文獻：

[1]李燕濤. 基于ZigBee的井下人員定位系統(tǒng)的研究[J]. 西安科技大學(xué)碩士論文，2012（6）.

摘 要：近年來，我國煤礦事故頻發(fā)，煤礦安全讓人擔(dān)憂。礦井中井下人員的管理非常困難，地面工作人員不能隨時了解井下人員的分布情況及作業(yè)情況，很難進行人員定位，一旦事故發(fā)生，對井下人員的搶救非常困難。針對此問題，本文研究了一款基于 ZigBee 的井下人員無線定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)以 CC2430/CC2431芯片為核心，利用 RSSI 定位算法，實現(xiàn)井下工作人員的實時定位，使地面人員隨時了解井下作業(yè)人員的分布狀態(tài)、作業(yè)情況等，使井下人員定位管理的有效性與可靠性大大提高，具有極大的市場經(jīng)濟價值。

關(guān)鍵詞：ZigBee；井下；定位；RSSI算法

0 引言

本文以ZigBee 技術(shù)為核心技術(shù)，對系統(tǒng)開發(fā)進行了說明，并闡述了人員定位系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖、軟硬件系統(tǒng)設(shè)計方案以及上位機設(shè)計方案。最后組建了一套仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了實時定位的效果。本系統(tǒng)在 ZigBee 架構(gòu)下，以 CC2430/2431 單芯片為核心，開發(fā)出的無線定位網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有定位準(zhǔn)確、造價低廉、便于攜帶、體積微小、結(jié)構(gòu)簡單等特點，能夠很好地解決井下作業(yè)人員的位置信息問題。

1 定位原理及系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 定位原理

本系統(tǒng)采用RSSI（接收信號強度指示）定位算法，該算法測距是節(jié)點最實用的測距方法之一，不需要另加硬件設(shè)備，方法實現(xiàn)簡單。其工作原理是在已知發(fā)射節(jié)點信號功率的前提下，獲取接收節(jié)點的接收到的功率，利用測量接收到的信號功率來計算定位節(jié)點距參考節(jié)點的長度，并算出傳輸過程中的功率損耗，通過信號傳播衰減模型將傳輸損耗轉(zhuǎn)換成節(jié)點之間的長度，進一步采用三邊定位法測出定位節(jié)點的位置。

定位原理圖如圖1所示，CC2431無線定位引擎是以RSSI定位技術(shù)為基礎(chǔ)，由參考節(jié)點與定位節(jié)點兩部分構(gòu)成。參考節(jié)點是已知位置的靜態(tài)節(jié)點，這個節(jié)點知道自己的位置并能夠?qū)⑵湮恢靡詳?shù)據(jù)包形式通知給其他的節(jié)點。定位節(jié)點獲取參考節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)包信號，以參考節(jié)點位置坐標(biāo)以及相應(yīng)的RSSI值為參考，將其寫進定位引擎，然后由定位引擎計算得到自身的位置。參考節(jié)點傳輸給定位節(jié)點的數(shù)據(jù)一般由參考點的坐標(biāo)參數(shù)豎直位置 Y和水平位置 X構(gòu)成，而RSSI值由定位節(jié)點計算得到。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

結(jié)合礦井現(xiàn)場環(huán)境，采用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和RSSI精確定位算法，本系統(tǒng)的井下人員定位由監(jiān)控中心、參考節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點、通信模塊以及定位節(jié)點等部分構(gòu)成，井下人員定位結(jié)構(gòu)體系如圖2所示。下面將對其各個模塊進行簡要說明。

（1）監(jiān)控中心

定位系統(tǒng)中最高層是監(jiān)控室的監(jiān)控電腦。一般監(jiān)控室與礦井的距離比較遠，所以監(jiān)控電腦通常利用以太網(wǎng)與井下每個節(jié)點互相聯(lián)通。利用監(jiān)控電腦上運行的監(jiān)控軟件，監(jiān)控人員可與井下每個節(jié)點實時通信，準(zhǔn)確獲取井下各節(jié)點的設(shè)備參數(shù)、環(huán)境以及分布狀況等信息。一旦獲取到的節(jié)點數(shù)據(jù)有異常情況，監(jiān)控軟件便馬上報警，監(jiān)控人員可馬上通知井下工作人員，組織井下工作人員迅速撤離。監(jiān)控軟件將獲取的井下各節(jié)點數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，對采集的數(shù)據(jù)進行分析與處理，對事故進行準(zhǔn)確的預(yù)判。

（2）參考節(jié)點

定位裝置的參考節(jié)點分為主控芯片模塊、供電模塊、傳感器模塊和無線通信模塊。其中，無線通訊模塊、供電模塊以及處理器模塊與網(wǎng)關(guān)節(jié)點中與其對應(yīng)的模塊的作用大致一樣。傳感器模塊主要采集監(jiān)控區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)（如瓦斯氣體濃度）并將其轉(zhuǎn)化成固定格式的數(shù)據(jù)，傳輸給監(jiān)控中心。

（3）網(wǎng)關(guān)節(jié)點

定位裝置的網(wǎng)關(guān)節(jié)點分為處理器模塊、供電模塊、串口模塊以及無線通信模塊。其中，處理器模塊為主控模塊，主要控制節(jié)點的功耗、同步定位執(zhí)行以及ZigBee的路由協(xié)議等。

（4）通信模塊

通信模塊處于中間層，傳輸模式為無線和有線相結(jié)合。無線傳輸是利用ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)定位節(jié)點、參考節(jié)點與網(wǎng)關(guān)節(jié)點三者之間的通信。定位系統(tǒng)有線傳輸是通過串口轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)和監(jiān)控主機互相連通，該模塊是將多路串口采集的數(shù)據(jù)利用以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)傳輸給監(jiān)控中心，或者將來自監(jiān)控主機的數(shù)據(jù)通過串口轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)節(jié)點。

（5）定位節(jié)點

定位節(jié)點是由主控芯片模塊、供電模塊以及無線通信模塊組成。通常是將電子標(biāo)簽嵌入到礦工安全帽中或者制成便攜式卡片。

2 硬件設(shè)計

井下定位系統(tǒng)包括下位機與上位機兩個主要部分。上位機監(jiān)控軟件安裝在地表的監(jiān)控電腦上。下位機的定位系統(tǒng)利用CC2430模塊實現(xiàn)。下位機和上位機之間通過以太網(wǎng)進行連接。CC2430是全球第一個滿足ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz射頻芯片，該芯片兼容IEEE802.15.4 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)嵌51系列單片機的核，并將ZigBee RF前端、存儲器以及微控制器集于一身。ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其無線網(wǎng)絡(luò)包括定位節(jié)點、參考節(jié)點以及網(wǎng)關(guān)節(jié)點三種設(shè)備，其中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，是無線定位系統(tǒng)的核心，CC2430網(wǎng)關(guān)射頻模塊電路如圖3所示。

3 軟件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)是整個ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的核心主要完成信息的無線接收和發(fā)送；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立；接收上位機發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)給各個節(jié)點，故本文主要介紹網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計，網(wǎng)關(guān)的工作流程如圖4所示。網(wǎng)關(guān)利用以太網(wǎng)與地表上的監(jiān)控主機相連。首先接收由監(jiān)控主機提供各個節(jié)點的配置信息，并將接收到的數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的節(jié)點實現(xiàn)初始化；另外，接收各節(jié)點反饋的有效信息并利用以太網(wǎng)傳送到地表上的監(jiān)控主機。管理人員通過監(jiān)控主機能夠掌握每個工作人員的具體位置以及每個節(jié)點的性能狀況。

4 系統(tǒng)測試

為了完善的開發(fā)和設(shè)計完整的井下人員定位系統(tǒng)，本文建立了一個簡單的無線定位仿真系統(tǒng)，并進行了定位系統(tǒng)的測試，本系統(tǒng)下位機的開發(fā)軟件采用 IAR Embedded Workbench 嵌入式集成開發(fā)軟件。

本系統(tǒng)仿真系統(tǒng)由5 個CC2430模塊組成，其中包含網(wǎng)關(guān)1個、參考節(jié)點4個；1 個CC2431模塊作為盲節(jié)點。CC2430/ CC2431模塊實物圖如圖5所示。為了正常的運行和調(diào)試 IAR 軟件所編寫的程序，該仿真系統(tǒng)采用的ZigBee 調(diào)試器為SmartRF04EB 調(diào)試器。

在系統(tǒng)啟動之前前，首先要在電腦上安裝協(xié)議棧ZStack-1.4.2-1.1.0，然后用IAR軟件打開已經(jīng)編好的程序編譯，利用USB線纜將主機與SmartRF04EB協(xié)議分析器連接，然后利用分析器的JTAG接口用專用線纜連接到CC2430模塊上，將程序燒錄到模塊芯片中，再進行參數(shù)的配置，實現(xiàn)系統(tǒng)的搭建其中IAR編程界面如圖6所示。

上位機采用美國TI公司的Z-Location Engine監(jiān)控軟件對每個節(jié)點測試，打開實驗平臺的定位軟件，使用Chipcon公司提供的定位引擎對下位機進行測試，實驗結(jié)果如圖7所示。

參考文獻：

[1]李燕濤. 基于ZigBee的井下人員定位系統(tǒng)的研究[J]. 西安科技大學(xué)碩士論文，2012（6）.