摘 要：為了準(zhǔn)確掌握煤礦井下人員的數(shù)量和位置、遇險(xiǎn)后撤退路線、井下的環(huán)境監(jiān)測等情況，文章研究設(shè)計(jì)了井下人員定位系統(tǒng)。系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)，實(shí)現(xiàn)冗余無線自組網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)由井下檢測站、身份識別卡、集中器和管理主機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)對井下人員位置等信息采集，并通過集中器傳輸給上位機(jī)，為預(yù)防事故、排查隱患、搶險(xiǎn)救援等提供了方便。

關(guān)鍵詞：ZigBee；定位系統(tǒng)；身份識別

煤礦迫切需要利用相應(yīng)的礦井人員跟蹤定位設(shè)備，全天候?qū)γ旱V入井人員進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)跟蹤和考勤，隨時(shí)掌握每個(gè)員工在井下的位置及活動(dòng)軌跡、全礦井下人員的位置分布情況以及井下人員位置。在此背景下，筆者等人和山東某礦業(yè)集團(tuán)公司共同開發(fā)了基于ZigBee的井下人員定位系統(tǒng)。[1]

本系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)，選用Chipcon公司的無線收發(fā)模塊CC2430和CC2431，具有低功耗、體積小、低成本等特點(diǎn)；采用冗余無線自組網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，適用于復(fù)雜多變的環(huán)境、不方便鋪設(shè)傳輸線纜的礦井。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由井下檢測站、身份識別卡、集中器和管理主機(jī)組成，檢測站和身份識別卡可以看作ZigBee網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)[2]，整個(gè)系統(tǒng)中檢測站是固定的，而身份識別卡則是移動(dòng)的，身份識別卡在移動(dòng)過程中與各檢測站進(jìn)行組網(wǎng)。

其中集中器負(fù)責(zé)把通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為TCP/IP協(xié)議接入以太網(wǎng)，以太網(wǎng)內(nèi)的管理主機(jī)通過TCP/IP協(xié)議接收數(shù)據(jù)；或者將上位機(jī)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)傳送給各檢測站。

檢測站負(fù)責(zé)對識別卡的信息采集和跟蹤定位，采用無線自組網(wǎng)技術(shù)和優(yōu)化的路由算法，使檢測站采集到的識別卡信息和跟蹤定位數(shù)據(jù)按優(yōu)化的路由路徑傳到鄰近的檢測站，然后傳到集中器。

身份識別卡由井下人員攜帶（可安裝在礦燈上），用于存儲人員基本信息，在移動(dòng)過程中與監(jiān)測站進(jìn)行自組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)人員定位。

管理主機(jī)通過軟件處理收到的定位數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示井下人員的位置和其他相關(guān)信息；管理軟件既可查看井下人員定位信息及考勤記錄情況，也可實(shí)時(shí)顯示井下人員的所在位置及活動(dòng)記錄等。

2 系統(tǒng)各單元設(shè)計(jì)

2.1 集中器設(shè)計(jì)

集中器的核心模塊選用CC2430，它一方面負(fù)責(zé)接收由上位機(jī)提供的檢測站和身份識別卡的配置數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同的方式發(fā)送給相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)（檢測站或身份識別卡）；一方面接收各檢測站反饋的有效數(shù)據(jù)并傳輸給上位機(jī)。程序中要處理檢測站和身份識別卡的配置數(shù)據(jù)[3]，包括操作系統(tǒng)值、各節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址、有效數(shù)據(jù)長度、坐標(biāo)數(shù)據(jù)長度和坐標(biāo)數(shù)據(jù)等，其程序設(shè)計(jì)流程圖見圖1。

2.2 檢測站設(shè)計(jì)

檢測站為固定節(jié)點(diǎn)，其坐標(biāo)位置（X、Y值）是固定的，核心模塊選用CC2431，6個(gè)檢測站為一組確定一個(gè)區(qū)域的定位，可正確地配置在定位區(qū)域中的位置。它可以提供一個(gè)包含自己位置X、Y坐標(biāo)和RSSI值的信息包給身份識別卡。程序設(shè)計(jì)部分處理的數(shù)據(jù)包括四個(gè)部分內(nèi)容，分別是：RSSI請求（發(fā)送收集的RSSI值平均值給身份識別卡）、檢測站信息配置（根據(jù)集中器發(fā)送的數(shù)據(jù)配置檢測站的坐標(biāo)，配置后數(shù)據(jù)將寫入Flash中）、檢測站請求配置（發(fā)送檢測站自身配置信息坐標(biāo)給集中器）、收集RSSI值（多次收集自身和身份識別卡之間的RSSI值）。[4]其程序設(shè)計(jì)流程圖見圖2。

2.3 身份識別卡設(shè)計(jì)

身份識別卡是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，可在井下任意區(qū)域移動(dòng)，通過接收定位區(qū)域內(nèi)所有檢測站的RSSI值后，經(jīng)過定位算法來計(jì)算其坐標(biāo)位置。其核心模塊由CC2431芯片實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)0.25m的定位分辨率，定位時(shí)間小于40μs。身份識別卡可以與離自己最近的檢測站通話，收集這些定位節(jié)點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)和RSSI值，并根據(jù)這些信息和輸入?yún)?shù)一起計(jì)算自己的位置信息，然后把這些信息反饋給檢測站。這部分程序設(shè)計(jì)共包含5個(gè)方面的信息：XY_RSSI請求、XY_RSSI應(yīng)答、身份識別卡發(fā)現(xiàn)請求、身份識別卡信息配置、身份識別卡請求配置等。其程序設(shè)計(jì)流程圖見圖3。

2.4 管理主機(jī)界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)管理主機(jī)界面采用模塊化設(shè)計(jì)，編程語言為VC++，主要用于設(shè)置檢測站位置信息、接收檢測站發(fā)送的身份識別卡信息、模擬井下環(huán)境、動(dòng)態(tài)顯示井下人員信息等。系統(tǒng)的主要功能模塊包括實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)查詢、身份識別卡管理、活動(dòng)軌跡管理、系統(tǒng)維護(hù)等。

每個(gè)功能模塊的具體功能是：（1）實(shí)時(shí)顯示模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理并顯示當(dāng)前井下各巷道人員分布等情況。（2）數(shù)據(jù)查詢模塊主要完成通過各種條件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索并匯總的功能，具體包括：查詢井下人員的動(dòng)態(tài)分布數(shù)量和情況，查詢每一位井下人員當(dāng)前位置或指定時(shí)間所處的位置，查詢某一指定位置的人員情況等。（3）身份識別卡管理模塊包括身份編碼分配、更新、統(tǒng)計(jì)匯總等。（4）活動(dòng)軌跡管理模塊主要是記錄井下人員活動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)對井下人員活動(dòng)范圍及軌跡、停留時(shí)間及當(dāng)前所處位置的管理，同時(shí)可生成報(bào)表打印等。（5）系統(tǒng)維護(hù)模塊主要是完成對整個(gè)管理系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作和對各種與系統(tǒng)相關(guān)的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)的功能。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)利用CC2431的定位引擎功能，在準(zhǔn)確定位的同時(shí)也能及時(shí)掌握井下人員的工作狀況，為預(yù)防事故、排查隱患、搶險(xiǎn)救援等提供了方便，極大地減少了事故發(fā)生率和人員傷亡率。[5-6]但由于井下環(huán)境較差，系統(tǒng)運(yùn)行中還存在一些不足之處，如在抗干擾、信號傳輸?shù)确矫嫘柽M(jìn)一步完善。

參考文獻(xiàn)

[1]安葳鵬，沈志廣，潘亞峰.基于ZigBee井下人員定位系統(tǒng)關(guān)鍵問題研究[J].煤礦安全，2009（5）：71-73.

[2]彭燕.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，

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[3]張玉英，龍 .基于ZigBee技術(shù)的煤礦安全檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2013（10）.

[4]王志中，董愛華.ZigBee技術(shù)及其在井下人員定位系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].煤礦安全，2008（5）：62-64.

[5]徐春妹，陳芳芳.井下人員定位系統(tǒng)[J].無線通信技術(shù)，2006（3）：52-54.

[6]謝曉佳，程麗君，王勇.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)平臺的井下人員跟蹤定位系統(tǒng)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007（8）：884-888.

作者簡介：朱慶豪（1980-），男，漢族，山東曹縣人，講師，碩士，從事自動(dòng)化、電子儀器的開發(fā)研究及教學(xué)工作。