徐懷芹 黃坤 楊義 朱素娜

摘要：為了準(zhǔn)確實(shí)時監(jiān)控井下的內(nèi)部環(huán)境空氣狀態(tài)變化情況，精確地實(shí)時定位井下全體工作人員的井下撤退移動位置，以及在井下遇到危險后合理地準(zhǔn)確規(guī)劃井下撤退移動路徑，研究人員設(shè)計了基于ZigBee的井下全體工作人員的全自動化撤退定位系統(tǒng)。該傳輸系統(tǒng)主要使用ZigBee無線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)冗余的無線化和網(wǎng)絡(luò)化方便地進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)。ZigBee井下定位系統(tǒng)的組成部分主要有井下定位檢測站、身份信息標(biāo)志顯示卡、集中器和井下監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)等，以便于實(shí)現(xiàn)井下工作人員實(shí)時所在位置的井下信息實(shí)時采集，并通過井下集中器直接向上層定位機(jī)進(jìn)行傳輸，為及時預(yù)防井下事故、排除安全隱患、搶險救災(zāi)等井下工作人員活動提供方便。該文主要對RSSI算法進(jìn)行改進(jìn)，提高了人員定位的速度和精確度。

關(guān)鍵詞：井下;人員定位;改進(jìn)的RSSI算法

中圖分類號：TP391? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）04-0123-02

1 定位系統(tǒng)總體框架

在基于ZigBee的井下定位工作人員的全自動化井下定位檢測監(jiān)控管理系統(tǒng)中，包括自動監(jiān)測站、移動監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、參考站和網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器、Web服務(wù)器等。井下人員對基站進(jìn)行定位信息系統(tǒng)的一個基本原理就是把無線基站預(yù)先地分配好，并且將基站的位置通過測量器存儲到電腦中。而且一般在井下工作的人員都可以隨身攜帶一張身份證卡，身份卡會不斷發(fā)送射頻信號，其中包含員工的基本信息和所在位置。通過線路傳輸?shù)骄嚯x最近的上級定位點(diǎn)，然后逐級傳遞，直到傳到地面控制中心處理點(diǎn)結(jié)束。管理工作人員可以通過系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時定位，對井下人員進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。井上的呼叫可以通過設(shè)備立即送到井下，在緊急情況下，井下操作員可以隨時呼叫井上的經(jīng)理或值班人員，這是雙向、實(shí)時的?；窘邮盏降男盘柺菑?qiáng)度指示信息，為了能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的井下工作人員自動定位，系統(tǒng)可以通過對信號強(qiáng)度確切地計算得出基站工作人員和井下基站之間的距離，系統(tǒng)不間斷地運(yùn)行，確保了工作人員的地理位置和信息進(jìn)行了實(shí)時的更新，實(shí)現(xiàn)對井下工作人員的自動跟蹤和定位。

2.定位系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1參考節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計

參考節(jié)點(diǎn)是一種坐標(biāo)學(xué)上已知的固定裝置，并且它們分布在井中的各個關(guān)鍵位置。它的作用就是在整個井下網(wǎng)絡(luò)中完成路由的功能，并且可以在每一個節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送。參考節(jié)點(diǎn)周期性對外發(fā)射信號的同時，接收移動節(jié)點(diǎn)發(fā)射的位置信號。移動節(jié)點(diǎn)無線信號強(qiáng)度的實(shí)時監(jiān)測，監(jiān)測分析結(jié)果可以直接影響或者間接通過學(xué)習(xí)其他相鄰參考節(jié)點(diǎn)逐條發(fā)送給協(xié)調(diào)器。參考位置節(jié)點(diǎn)組成部分如圖2，主要包括：

（1）電池電源：為參考節(jié)點(diǎn)提供電源;

（2）ZIgBee模塊：CC2530;

（3）三個指示設(shè)備：具有信號接收、處理和記錄等功能的設(shè)備;

（4）ZigBee無線功率放大器：增強(qiáng)發(fā)射功率;

（5）數(shù)據(jù)存儲模塊：存儲進(jìn)入該參考節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)用戶ID，同時記錄定位結(jié)果。

2.2移動節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計

移動的節(jié)點(diǎn)不是固定的，能夠隨意在井下移動。為了確定每一個移動節(jié)點(diǎn)的位置和坐標(biāo)，移動節(jié)點(diǎn)會將定位到該區(qū)域內(nèi)所有探測站的 RSSI值，通過定位算法進(jìn)行測量并多次平均的計算方法進(jìn)行測算其中各個坐標(biāo)的位置。移動節(jié)點(diǎn)卡是一種由工作人員自己攜帶的身份證卡體積小、質(zhì)量輕、方便攜帶并具備了報警功能。通過聲光的形式對指示燈進(jìn)行報警，當(dāng)發(fā)生聲光時Led 指示燈的顏色會閃爍并且發(fā)出聲音。而且通過LED燈的顏色不同判斷工作人員所處的狀態(tài)。CPU選用成都天龍公司的 CC2431 芯片，CC2431具有 Motorola 國際擁有執(zhí)照的定位軟件進(jìn)行檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計核心定位精度為0.25米。與CC2430相比，其結(jié)構(gòu)增加了一個定位引擎，使用參考節(jié)點(diǎn)和RSSI坐標(biāo)，通過三次測量，誤差控制小于5%，確定移動節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置。然而由 CC2431 制作的定位系統(tǒng)必須要求至少八個參照節(jié)點(diǎn)構(gòu)建一個無線定位網(wǎng)絡(luò)。

3 定位系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1參考節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計

參考節(jié)點(diǎn)指的是在位置上已經(jīng)知道且固定的節(jié)點(diǎn)，必須進(jìn)行正確地配置并且分布在不同區(qū)域地理位置中。協(xié)調(diào)器首先需要通過配置參考節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，其次需要設(shè)置移動節(jié)點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)。將參考節(jié)點(diǎn)作為移動節(jié)點(diǎn)的位置參考節(jié)點(diǎn)，通過多次采集這些信號的 RSSI 值，過濾去除一些分離群節(jié)點(diǎn)，將其平均值和自身的坐標(biāo)信息存儲在數(shù)據(jù)包中，再發(fā)送到相應(yīng)的參考節(jié)點(diǎn)。其實(shí)現(xiàn)的特征包括：自動地發(fā)現(xiàn)和加入網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送 RSSI值的信息包和一個包含自己位置[x]、[y]坐標(biāo)給移動節(jié)點(diǎn)。轉(zhuǎn)發(fā)定位網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息，具備在斷電后對其進(jìn)行保留信息的記錄功能。

3.2移動節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計

移動節(jié)點(diǎn)上電后，系統(tǒng)初始化完成。移動節(jié)點(diǎn)周期性地將位置請求發(fā)送到周圍的參考節(jié)點(diǎn)，等待其他參考節(jié)點(diǎn)做出響應(yīng)。參考節(jié)點(diǎn)如果檢測到有移動節(jié)點(diǎn)進(jìn)入其覆蓋區(qū)域，就與其建立通訊關(guān)系，向移動節(jié)點(diǎn)發(fā)送返回值。如果移動節(jié)點(diǎn)不能正常接收發(fā)送給它的返回值，就會自動繼續(xù)向周圍的一個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行發(fā)送并對定位后的信息發(fā)出請求。如果一個正在移動的接收節(jié)點(diǎn)的接收器看不到它的返回值，則認(rèn)為已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)。CC2431利用定位引擎計算出移動網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點(diǎn)之間的位置。在該程序中使用了一個定位導(dǎo)航引擎后，移動四個節(jié)點(diǎn)先從參考四個節(jié)點(diǎn)上讀出坐標(biāo)[x]和[y]，然后從四個參考節(jié)點(diǎn)讀出坐標(biāo)后再從目的地讀出標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)（a，n，RSSI）。所有的參數(shù)在被寫入到一個定位器引擎中后，通過對計算器輸出的移動節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)參考節(jié)點(diǎn)之間的信號強(qiáng)度，3次計算從移動到參考節(jié)點(diǎn)的距離。把一個含有移動節(jié)點(diǎn)ID和定位數(shù)據(jù)的一個數(shù)據(jù)包分別發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中，完成了對距離的測量。圖5描述了CC2431定位引擎的定位過程。

經(jīng)過改良的 RSSI算法大大增強(qiáng)了定位準(zhǔn)確性，在保持參考節(jié)點(diǎn)與移動節(jié)點(diǎn)之間的距離基礎(chǔ)上增設(shè)了一個固定的節(jié)點(diǎn)，并針對其中的距離值進(jìn)行計算，其主要目的是使用一個可以校正得到檢測出來的 RSSI值。則可有關(guān)系式：

P1=10RSSI1/10，p2=10RSSI2/10? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

如果N和B1相隔距離為f1，B1和B2相隔距離為f2，則有關(guān)系式：

P2/P1=（f1/f2）n? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

即? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?f1=（p2/p1）1/n*f2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

把公式（1）代入公式（3）可得：

f1=[10（RSSI2-RSSI1）/10]1/n*f2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

4 結(jié)論

本文對ZigBee井下定位系統(tǒng)進(jìn)行了研究與設(shè)計，提高煤礦井下開采作業(yè)的質(zhì)量和效率，減輕人員傷亡，提高作業(yè)安全性。使用 ZigBee 定位系統(tǒng)的成本較低，并且可以更精準(zhǔn)地將其定位到所有的人員位置，減少了工作時間和費(fèi)用，提高了實(shí)際的工作效率。但現(xiàn)階段ZigBee技術(shù)在煤礦井下定位信息系統(tǒng)中仍然有很大的改進(jìn)工作空間，相信以后ZigBee技術(shù)在井下定位方面的應(yīng)用一定會得到更好發(fā)展。

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收稿日期：2021-10-15

基金項目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目名稱：基于RSSI算法改進(jìn)的Zigbee井下定位系統(tǒng)研究與設(shè)計 （項目編號：202010959005 ）

作者簡介：徐懷芹（2000—），女，安徽鳳臺人，學(xué)生，學(xué)士，主要研究方向?yàn)闊o線通信;黃坤（1981——），男，安徽合肥人，小高，大專，主要研究方向?yàn)橛嬎銠C(jī)、教育管理;楊義（2000—），男，安徽宿州人，學(xué)生，學(xué)士，主要研究方向?yàn)闊o線通信;朱素娜（1996—），女，安徽壽縣人，學(xué)生，學(xué)士，主要研究方向?yàn)闊o線通信。