汝彥冬

(黑龍江科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，哈爾濱150027)

1 基于ZigBee井下人員定位的意義

我國(guó)的煤炭生產(chǎn)量和煤炭使用量位居世界第一，煤炭的安全生產(chǎn)一直是相關(guān)部門工作的重點(diǎn)，采取切實(shí)有效的管理和技術(shù)手段來(lái)保障井下工作人員的生命安全一直是煤礦生產(chǎn)的重中之重.井下人員定位系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)中優(yōu)先建設(shè)的重要系統(tǒng)之一，是井上人員掌握井下人員具體工作狀態(tài)和工作位置的重要手段之一，同時(shí)也能提供精準(zhǔn)的人員定位數(shù)據(jù)，為礦井災(zāi)害事前預(yù)警和災(zāi)后人員救援順利進(jìn)行提供保障.

常見的煤礦井下定位系統(tǒng)主要是基于RFID技術(shù)的，該技術(shù)定位精度不高，大概10 m左右，實(shí)現(xiàn)不了井上人員對(duì)井下工作人員的精準(zhǔn)定位，漏檢現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，定位成功率不高，同時(shí)功率消耗較大，難以較長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作.GPS、CDMA、GSM等定位技術(shù)則受制于信號(hào)覆蓋和經(jīng)濟(jì)成本，很難應(yīng)用在煤礦.而ZigBee作為一種能量消耗低、較底的使用成本、大容量網(wǎng)絡(luò)、節(jié)點(diǎn)自組織性能優(yōu)越、信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)的無(wú)線通信技術(shù)[1]，恰恰決定了它在以人員識(shí)別和位置探測(cè)為基礎(chǔ)的井下人員定位系統(tǒng)應(yīng)用中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì).本文采用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)井下人員定位，無(wú)線覆蓋范圍廣，具有自恢復(fù)功能，實(shí)現(xiàn)了井下人員的3 m高精度定位，ZigBee無(wú)線通信技術(shù)具有特殊的碰撞避免策略和靈活的隨機(jī)算法可以保證不漏檢，可以作為人員定位系統(tǒng)被采用.

2 井下人員定位的硬件實(shí)現(xiàn)

圖1 人員定位系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

井下人員定位系統(tǒng)需要完成的任務(wù)是:利用井下的人員定位網(wǎng)絡(luò)，采集井下工作人員的信號(hào)強(qiáng)度，確定人員的位置信息，將人員的位置信息進(jìn)行編碼計(jì)算處理后，通過傳輸基站傳輸給地面的控制中心.控制中心將人員的位置信息和預(yù)存的礦井地理信息進(jìn)行綜合，顯示人員所在礦井的具體位置，人員定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由井上和井下兩部分組成，井下部分由傳輸部分，信息采集部分組成、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在井下移動(dòng)，以參考節(jié)點(diǎn)作為參考，和參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信比較，最后確定和參考節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置，進(jìn)而確定自己的位置[2].由參考節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)電三部分共同完成人員定位，傳輸基站負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)信息給井下交換機(jī)，進(jìn)而將信息傳輸?shù)骄峡刂浦行?

2.1 參考節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

本定位系統(tǒng)中，參考節(jié)點(diǎn)是被預(yù)先布設(shè)在井下的作為位置參考的固定設(shè)備，它完成的功能是:周期性地對(duì)移動(dòng)節(jié)電和協(xié)調(diào)器發(fā)送通信信號(hào)，接收移動(dòng)節(jié)電的入網(wǎng)或離網(wǎng)要求，并為其入網(wǎng)或離網(wǎng)提供配置服務(wù)，實(shí)時(shí)檢測(cè)移動(dòng)節(jié)電的無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度，建立無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度參考表作為定位參考，將檢測(cè)結(jié)果直接或者通過其它相鄰節(jié)點(diǎn)逐跳發(fā)送給協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器將信息發(fā)送到傳輸基站，最綜傳輸?shù)骄峡刂浦行腫3].

參考節(jié)電采用CC2431作為中心控制器，由于CC2431只要很少的外部元件支持便可以正常工作，這樣就大大簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)[1].參考節(jié)點(diǎn)的硬件原理圖如圖2所示.CC2431具有Motorola的有許可證的定位檢測(cè)硬件核心，能夠?qū)崿F(xiàn)0.25 m的定位分辨率和3 m左右的定位精度，定位時(shí)間短于40 μs.但CC2431做成的定位系統(tǒng)，需要至少8個(gè)參考節(jié)點(diǎn)才能組成無(wú)線定位網(wǎng)絡(luò).參考節(jié)電周期性的自檢，如果發(fā)現(xiàn)硬件故障則報(bào)警通知工作人員，平時(shí)采用有線電源供電，如果有線電源無(wú)法供電，則通知協(xié)調(diào)器電源故障，并自動(dòng)采用備用電池供電.

圖2 參考節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

2.2 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

在定位系統(tǒng)中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)是指井下現(xiàn)場(chǎng)工作人員隨身攜帶的檢測(cè)和通信設(shè)備，用來(lái)完成井下工作人員的位置定位和人員狀態(tài)監(jiān)測(cè)，其任務(wù)是:實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作人員的生命特征，遇到緊急情況聲光報(bào)警并發(fā)送急救信號(hào)到井上，完成井下工作人員的定位功能.移動(dòng)節(jié)電實(shí)時(shí)向參考節(jié)點(diǎn)發(fā)出通信定位請(qǐng)求，或接收參考節(jié)點(diǎn)發(fā)出的通信定位請(qǐng)求;接收參考節(jié)點(diǎn)發(fā)出的通信廣播信號(hào)，并向參考節(jié)點(diǎn)返回接收到的信號(hào)強(qiáng)度作為定位參考，該信號(hào)強(qiáng)度作為定位的依據(jù);同時(shí)移動(dòng)節(jié)電也作為通信中繼路由完成信息的中繼傳輸[4].移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的核心只需使用CC2431即可.移動(dòng)節(jié)電采用電池供電，保證一次性充電至少可以維持24 h.其硬件原理如圖3所示.

圖3 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

2.3 協(xié)調(diào)器的設(shè)計(jì)

在該定位系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器的主要功能是為移動(dòng)節(jié)電和參考節(jié)電提供路由服務(wù)，實(shí)時(shí)接收參考節(jié)電和移動(dòng)節(jié)電節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來(lái)的定位信息，根據(jù)定位信息完成定位算法，定位工作完成后，將定位信息通過RS232接口傳輸?shù)絺鬏敾旧蟍5].其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示.協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采用非平衡天線，通過連接非平衡變壓器 使天線接收和發(fā)射性能更好，CPU采用三星公司的S3C44B0實(shí)現(xiàn)，主供電源采用有線供電，附帶高性能能備用電池，保證有線線路出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)能夠正常工作.同時(shí)利用RS232接口將采集到的信息傳輸給傳輸基站，當(dāng)通信中斷時(shí)，確定該協(xié)調(diào)器故障，通知井上人員維修或更換協(xié)調(diào)器[6].

圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

3 完成定位功能的各部分程序框圖

完成人員定位主要由移動(dòng)節(jié)電，參考節(jié)電和協(xié)調(diào)器三部分組成，三個(gè)節(jié)電協(xié)同工作，組建能實(shí)現(xiàn)ZigBee定位的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下工作人員的無(wú)線定位，并且完成定位信息的無(wú)線傳輸.

3.1 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的程序框圖

本定位系統(tǒng)中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)人員定位的重要組成部分之一，是被定位的目標(biāo)，它主要完成如下一些功能:自動(dòng)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)節(jié)電的入網(wǎng)和離網(wǎng)功能，并且保證移動(dòng)過程中不斷網(wǎng)，實(shí)時(shí)采集佩帶人員生命特征信息，遇到緊急情況報(bào)警并發(fā)信息向井上人員求救，向參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送定位請(qǐng)求;周期發(fā)送穩(wěn)定的無(wú)線信號(hào)供參考節(jié)電接收使用，完成部分路由的功能;可以作為信息中轉(zhuǎn)站將信息轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)預(yù)留功能擴(kuò)展接口，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要搭載瓦斯傳感器、溫度傳感器等井下常見的測(cè)量設(shè)備，實(shí)現(xiàn)部分監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境功能.見圖5.

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立和核心定位算法的實(shí)現(xiàn)，完成定位信息與傳輸基站的通信，管理和優(yōu)化Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)性能，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證加工;傳達(dá)上位機(jī)的數(shù)據(jù)配置命令，配置參考節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)電，作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心路由完成路由功能.程序流程圖如圖6所示

圖6 協(xié)調(diào)節(jié)電程序流程圖

3.3 參考節(jié)電的程序設(shè)計(jì)

參考節(jié)電實(shí)現(xiàn)與移動(dòng)節(jié)電的實(shí)時(shí)通信，參考節(jié)電分為常用節(jié)電和備用節(jié)電.常用節(jié)電用來(lái)實(shí)現(xiàn)與移動(dòng)節(jié)電的通信，根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)度，分析參考節(jié)電與移動(dòng)節(jié)電的距離進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定位功能[7].常用節(jié)電周期性的與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，確認(rèn)自己正常的工作狀態(tài)，傳輸與移動(dòng)節(jié)電通信測(cè)試的信號(hào)結(jié)果，備用節(jié)電周期性的與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，如果常用節(jié)電異常，則協(xié)調(diào)器喚醒備用節(jié)電代替常用節(jié)電，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)節(jié)電的定位功能[1].

4 定位算法和參考節(jié)電部署

4.1 定位算法

本設(shè)計(jì)的定位算法采用熱點(diǎn)簇中心定位算法，利用固定陣列分布的參考節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)出信號(hào)的接收的信號(hào)強(qiáng)度指示值，將測(cè)量值返回到參考節(jié)點(diǎn).建立參考節(jié)點(diǎn)數(shù)值查詢庫(kù)，用于儲(chǔ)存其信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)所有與移動(dòng)節(jié)電通信的信號(hào)接收的信號(hào)強(qiáng)度指示值，當(dāng)建立完成參考節(jié)點(diǎn)查詢庫(kù)后，利用這個(gè)該查詢庫(kù)產(chǎn)生參考節(jié)電通信信號(hào)的接收的信號(hào)強(qiáng)度指示值分布圖.當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)需要定位時(shí)，由定位區(qū)域中的多個(gè)參考節(jié)電之間互相通信，就可以生成定位區(qū)域中有信號(hào)的移動(dòng)節(jié)電的接收的信號(hào)強(qiáng)度指示值分布圖，并由此利用本算法進(jìn)行定位計(jì)算[8]，算法如圖7所示.

圖7 定位算法

4.2 節(jié)電部署原則

由于系統(tǒng)是采用參考節(jié)電進(jìn)行定位，定位算法要求至少有8個(gè)參考節(jié)點(diǎn)參與定位，參考節(jié)點(diǎn)覆蓋井下區(qū)域時(shí)必須保證區(qū)域內(nèi)所有移動(dòng)節(jié)電至少被8個(gè)以上的參考節(jié)電信號(hào)覆蓋;由于本系統(tǒng)的參考節(jié)點(diǎn)都是固定在某些位置的，一旦某一重要位置的節(jié)點(diǎn)失效或損壞，不可能通過改變網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)的方式去彌補(bǔ).所以為了保障定位的順利進(jìn)行，除了定位系統(tǒng)中所必須的參考節(jié)點(diǎn)外，還必須引入一定數(shù)量的參考冗余節(jié)點(diǎn).它們的分布依據(jù)節(jié)點(diǎn)能量損耗的的特點(diǎn)，按照距 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的距離由近到遠(yuǎn)，由密到疏布署;在 熱點(diǎn)簇中心定位算法中，定位的依據(jù)為參考節(jié)電的位置，但是礦井下的環(huán)境多變，尤其是一旦出現(xiàn)事故，很可能造成地形的完全改變，給救助救援提供障礙，這樣原有的參考節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)就不能作為定位依據(jù)了.為防止這種情況出現(xiàn)，應(yīng)在定位部署完成后留下一部分的固定參考節(jié)點(diǎn)，在平時(shí)一直保持睡眠狀態(tài)，只在出現(xiàn)緊急情況時(shí)被喚醒，不僅可以用來(lái)重新建立參考節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)，還可以幫助分擔(dān)緊急事態(tài)時(shí)的通信壓力.

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)煤礦井下人員定位系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出能滿足井下人員定位需求的人員定位系統(tǒng)，給出了定位系統(tǒng)重要三個(gè)部分的整體框圖，并且闡述了每部分的程序流程圖，最后對(duì)本項(xiàng)目采用的定位算法進(jìn)行研究，并給出了算法的運(yùn)算過程，同時(shí)針對(duì)本系統(tǒng)的工作流程，說(shuō)明了井下定位系統(tǒng)的部署原則，可以作為煤礦井下定位的參考.

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