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        基于ZigBee的井下人員定位系統(tǒng)研究

        2015-05-30 10:48:04朱慶豪
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2015年33期

        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,

        34(5):49-51.

        [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。

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