基于Ｚｉｇｂｅｅ協議的戰備坑道人員定位與管理系統

摘要：基于IEEE802.15.4的Zigbee協議的無線傳感器網絡戰備坑道人員定位管理系統具有低成本、低功耗、網絡規模大、傳輸距離遠、組網方式靈活等優點。在闡述Zigbee協議的基礎上，重點介紹了定位管理系統的網絡架構、通信流程、編程實現，為基于Zigbee協議的無線傳感器網絡在各定位領域的應用提供了理論參考和實踐依據。

關鍵詞：Zigbee協議；坑道；定位；管理

中圖分類號：TP315文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)08-10ppp-0c

1 引言

1.1 Zigbee技術概述

Zigbee協議主要是為自動化控制數據傳輸而建立的，是當前無線傳感器網絡通信中的主流通信協議，在無線工業控制領域得到廣泛運用。Zigbee網絡可由多達65000個網絡節點（FFD和RFD）組成，每一個網絡節點（FFD和RFD）類似移動網絡的一個基站，在整個網絡范圍內，網絡節點（FFD和RFD）之間可以進行相互通信；每兩個網絡節點間的距離可以從標準的75米，擴展到幾百米甚至幾公里；整個Zigbee網絡還可以通過互聯網與異地Zigbee網絡通信。每個Zigbee 網絡節點可以與監控對象連接直接進行數據采集和監控，還可以自動中轉別的網絡節點傳過來的數據資料；一個Zigbee全功能設備節點(FFD:Full Function Device)可在自己信號覆蓋范圍內，和多個簡約功能設備節點(RFD:Reduced Function Device)無線連接。每個Zigbee網絡節點可以支持多達31個傳感器和受控設備，每一個傳感器和受控設備可以有8種不同的接口方式，可以采集和傳輸數字量和模擬量。

1.2 Zigbee技術優點

綜合Zigbee技術，可以發現其具有以下優點：（1）功耗低，使用電池供電支持長達6個月到5年左右的使用時間（根據發射功率和頻率）。（2）可靠性高，采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避免了發送數據時的競爭和沖突；節點模塊之間具有自動動態組網的功能，信息在整個Zigbee網絡中通過自動路由的方式進行傳輸，從而保證了信息傳輸的可靠性。（3）時延短，實時性好，針對時延敏感的應用較有優勢。（4）網絡容量大，可支持達65000個節點。（5）安全保密性好，ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用通用的AES-128；64位地址編號保證地址空間容量及唯一性。

1.3 選用Zigbee技術的主要考慮

采用該技術作為坑道人員定位管理系統基礎，主要考慮一下幾點：（1）坑道范圍大，單位部門多， 需要數據采集或監控的網點多；（2）要求傳輸的數據量不大，但可靠性要求高；（3）安全保密性高；（4）維護工作量小， 設備體積很小，電池供電且供電時間長；（5）坑道 地形比較復雜，其他定位管理手段網絡覆蓋受限，是GPS定位及 現有移動通信網絡的覆蓋盲區。

戰備坑道人員定位管理系統，通過合理規劃Zigbee網絡模型，設置網絡節點，結合任務要求，編制定位監測管理軟件，實現戰備坑道人員定位管理，對于提高管理水平，提升整體指揮效能具有重要意義。

2 系統結構設計

該系統由三部分組成：（1）管理平臺(Master)部分，通過Master節點，接收網絡定位數據，分析、處理并以圖形方式直觀顯示，是系統的核心部分；（2）全功能節點(Reader)部分，接收移動節點數據并輸出RSSI(Received Signal Strength Indicator)信號和LQI(Link Quality Indication)信號，傳送到Master節點進行處理，該類節點具有路由功能；（3）為數眾多的移動節點(Tag)部分，采用簡約功能設備節點，發射信息，其范圍內的全功能節點接收信號并據此計算出信號強度數據。系統總體結構原理如圖1所示。br>

圖1 戰備坑道人員定位管理系統原理結構圖

系統功能包括：（1）實現坑道內人員定位，時刻掌握人員所處位置，提高作戰及其他軍事行動指揮效能。（2）實現人員出、入，作息等管理功能，時刻掌握人員動態，提高管理效能。（3）歷史數據統計查詢。

3 系統實現

系統采用Helicomm公司產品，采用FFD協議棧的IP-Link1221-2133型全功能設備作為Reader，適當距離（約200米）間隔地配置在各部門坑道內，保證非兩端Reader在視距內能與兩個Reader通信；Tag采用RFD協議棧的IP-Link1222-2034型簡約功能設備。系統設備簡要組成框圖2所示。

圖2 戰備坑道人員定位管理系統示意圖

系統工作流程：整個系統工作模式采用定時喚醒機制，對人員定位數據采集分時段進行，每隔一段時間采集一次數據，整個無線數據采集部分大部分時間處于休眠狀態。整個系統的一次查詢過程由Master發起數據查詢命令，并負責整個無線傳感器數據采集網絡的通信建立及維護。管理計算機向Master發送查詢命令后，Master首先將自己設為簇頭，并將簇標識設置為0，同時為該簇選擇一個未被使用的網絡標識符，形成網絡中的第一個簇；Master廣播信標幀，鄰近設備收到信標幀，申請加入該簇，設備可否成為簇成員，由Master決定，如果請求被允許，則該設備將作為簇的子設備，加入鄰居列表，新加入的設備會將簇頭作為它的父設備加入到自己的鄰居列表，網絡建立成功后，每個簇成員（傳感節點）通過 Zigbeee中繼器把當前數據傳給簇頭，數據融合到管理計算機，進行分析處理。工作流程圖3所示。

圖3 系統Zigbee網絡工作流程圖

系統整體采用Helicomm的EZ-Tracer套件，采用EZ-Tracer Utility編程實現，軟件實現界面如圖4所示。

圖4 軟件實現界面

4 結束語

IEEE802.15.4/Zigbee標準的無線傳感器網絡，具有低成本、低功耗、協議簡單、通信可靠、通信速率適中、安全保密性強、自組織網絡等優點，在GPS系統和移動通信系統無法覆蓋的地域，具有較好的通信及定位功能。戰備坑道人員定位系統，基于Zigbee網絡架構，在合理設計、選型的基礎上，通過編程實現人員定位與管理。該系統可以應用于地下防空工事、礦井、坑道等地下設施的人員定位與管理中，具有較為廣泛的應用前景。

參考文獻：

[1]陳維克.基于RSSI的無線傳感器網絡加權質心定位算法[J].武漢大學理工學報，2006.

[2]孫利民.無線傳感器網絡[M].北京：清華大學出版社，2005.