Zigbee技術在煤礦井下人員定位系統中的應用

文/張艷紅 湖南師范大學工學院 湖南安全職業技術學院

Zigbee技術在煤礦井下人員定位系統中的應用

文/張艷紅 湖南師范大學工學院 湖南安全職業技術學院

近年來，隨著對煤炭需求的高速增長，煤炭工業得到很大發展，但是煤礦重大、特大事故時有發生，仍未實現對災害事故的有效控制。事故發生后，準確判定井下生產作業人員的受困位置、遇險人員撤退路線、井下的環境監測情況以及及時準確地制定救援方案，這對事故的救援是十分重要的。基于Zigbee技術的井下人員無線定位系統，就是在此背景下進行研究與開發的。

目前，礦井無線通信技術主要有透地通信技術、中遠距離射頻感應通信技術、漏泄通信技術以及礦井移動通信技術等。這些技術存在成本高、功耗大等缺點，很大程度上阻礙了其在礦業行業的推廣應用。本文提出的一個基于Zigbee技術的煤礦井下無線網絡通信系統能較成功地解決上述問題。

圖1 Zigbee無線網絡通訊的基礎協議棧

Zigbee技術基本協議棧

Zigbee是一種采用成熟無線通訊技術的全球統一標準的開放的無線傳感器網絡。它以IEEE 802.15.4協議為基礎，能夠在三個不同的頻段上通訊。全球通用的頻段是2.4-2.484GHz，歐洲采用的頻段是868.0 -868.66MHz，美國采用的頻段是902 -928MHz。其基本協議棧及其相互關系如圖1所示。Zigbee無線網絡通訊的基礎協議棧分若干層，其中PHY和MAC處于最底層，NWK、NVM、APL、APS等層是建立在PHY和MAC層之上，最上面的是Application層。在這些層中，除了應用層外都屬于協議層，在協議層中又有所不同，PHY、MAC與底層硬件相關，而NWK、NVM、APL和APS則脫離了硬件的影響。因此，將Zigbee協議及其應用程序從一個硬件平臺移植到另外一個硬件平臺，只需修改最底層的MAC和PHY，待其硬件驅動程序完成后向上提供程序接口，NWK、NVM、APL、APS等層可以在不同的硬件平臺上直接運行。

圖2 礦井定位系統總體方案

Zigbee在煤礦井下人員定位系統中的方案設計

在Zigbee無線網絡中，網絡節點包括兩類，即參考節點和移動節點。基本原理是定位網絡中移動目標節點可將無線信號強度值和參考節點的距離換算，來獲得移動目標節點自身的位置信息，傳輸給鄰近的參考節點，參考節點將接收到的移動目標節點信息(無線信號強度RSSI和無線信號質量LQI)，以無線方式通過無線網關節點和以太網傳送到中心控制機作最終處理。具體布局見圖2。井下部分通過Zigbee無線網絡組網，參考節點根據實際需要，沿坑道每隔50～200 m距離（工作面距離則可降低為50m），在坑道礦燈適當位置設置一個Zigbee參考節點(采用固定礦燈電源供電)，同時在需要定位和網絡連接的地方，也安置Zigbee參考節點；而移動節點由下井礦工攜帶，鋰電池供電。為避免井下環境對無線信號的干擾，所有無線網絡節點使用的都是抗干擾的直序擴頻通信方式，具有唯一標識的地址。在布置參考節點的位置時，注意應使每個移動節點至少可與2個以上的參考節點進行通信，即避免“單線通信聯系”，以保證Zigbee網絡通信的可靠性。因為Zigbee網絡節點體積很小，而且網絡節點之間的通信不需要使用額外的光纖或通信電纜來進行連接，組網非常方便靈活。井上部分由以太網方式與外界組網。

本定位跟蹤系統是在網絡的平臺上搭建起來的，移動節點定位通過CC2431內部集成的硬件定位引擎而實現，硬件設備包括網關設備、參考節點和移動節點組成。其中網關和參考節點的主控芯片選用的是TI公司的CC2430，移動節點為TI公司的CC2431。CC2430/CC2431芯片內部使用1個8位MCU（8051），具有128 KB的可編程閃存和8KB的RAM，還包含模擬數字轉換器(ADC)、幾個定時器（Timer）、AES128 協同處理器、看門狗定時器（Watchdog timer）、32 kHz 晶振的休眠模式定時器、上電復位電路(PowerOn Reset)、掉電檢測電路(Brown out detection)，以及21 個可編程I/O引腳。CC2430與CC2431最大的區別是CC2431有跟蹤定位引擎而CC2430無跟蹤定位引擎，除此之外，兩款芯片無其它差別。因此，從節約成本的角度考慮，對網關、參考節點和移動節點所選芯片作上述安排。

CC2431定位引擎基于RSSI技術 ，定位系統由參考節點和定位節點組成。參考節點是一個位于已知位置的靜態節點，這個節點知道自己的位置并可以將其位置通過發送數據包通知其它節點。定位節點從參考節點處接收數據包信號，獲得參考節點位置坐標及相應的RSSI值并將其送至定位引擎，然后可以讀出由定位引擎計算得到的自身位置。由參考節點發送給定位節點的數據包至少包含參考節點的坐標參數水平位置X和豎直位置Y，而RRSI值可由接收節點計算獲得。

本文提出了一種基于Zigbee技術的井下人員無線定位系統的總體設計方案以及定位的實現，該技術能夠提高煤礦井下救援的效率，為搶救人員和財產安全爭取寶貴的時間。

責任編輯 鐘金花