基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)礦井下人員定位的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張艷紅

摘 要：該文研究了Zigbee網(wǎng)絡(luò)礦井人員定位硬件系統(tǒng)組網(wǎng)思路與設(shè)計(jì)。井下硬件擬用參考節(jié)點(diǎn)CC2430芯片，定位節(jié)點(diǎn)CC2431芯片，礦井人員定位通過(guò)無(wú)線強(qiáng)度信號(hào)衰減（RSSI）方式實(shí)現(xiàn)。井上硬件采用服務(wù)器，結(jié)合使用以太網(wǎng)Ethernet有線網(wǎng)絡(luò)和ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理。

關(guān)鍵詞：Zigbee技術(shù) CC2430/CC2431 RSSI

中圖分類號(hào)：TD76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）11（c）-0018-01

近年來(lái)，礦井重大、特大事故時(shí)有發(fā)生，事發(fā)后制定救援方案，對(duì)井下遇險(xiǎn)人員的準(zhǔn)確定位是十分重要的。針對(duì)礦井下復(fù)雜的工作環(huán)境，基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的井下人員無(wú)線定位系統(tǒng)具有十分重要的意義。Zigbee網(wǎng)絡(luò)整個(gè)系統(tǒng)是由地面有線網(wǎng)絡(luò)和井下全覆蓋的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)共同組成。井下巷道內(nèi)布置有若干個(gè)無(wú)線信標(biāo)，無(wú)線定位傳感器被植入到礦井人員的礦帽內(nèi)，無(wú)線信標(biāo)通過(guò)對(duì)無(wú)線傳感器實(shí)時(shí)信號(hào)的搜集和發(fā)射，且對(duì)礦井人員實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的定位，再由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)的信息實(shí)時(shí)的傳送至地面的計(jì)算機(jī)，地面計(jì)算機(jī)可直接收數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、計(jì)算和分析，這樣就可對(duì)井下人員進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。該文就Zigbee網(wǎng)絡(luò)對(duì)礦井人員定位的硬件系統(tǒng)進(jìn)行研究，該系統(tǒng)主要由井下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)兩大部分構(gòu)成。

1 井下硬件結(jié)構(gòu)

井下硬件結(jié)構(gòu)采用的是Zigbee網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)，它分別由移動(dòng)定位終端、基準(zhǔn)定位器、定位分站和礦用光纖等四部分組成。

移動(dòng)定位終端由zigBee網(wǎng)絡(luò)中數(shù)量龐大的RFD構(gòu)成。移動(dòng)定位終端定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)包給無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，并將查詢的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心。

基準(zhǔn)定位器使用普通或功率增強(qiáng)型Zigbee模塊，定位基準(zhǔn)器相當(dāng)于Zigbee網(wǎng)絡(luò)中路由器，為全功能設(shè)備（FFD），和井下人員攜帶的移動(dòng)定位終端進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，且根據(jù)提供信息的數(shù)據(jù)，再由RSSI計(jì)算出移動(dòng)定位終端數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送給定位分站。

定位分站作為一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，其總節(jié)點(diǎn)是由網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸構(gòu)成，也是有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的接口，且負(fù)責(zé)Zigbee網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建、維護(hù)及管理。

光纖傳輸子系統(tǒng)采用光纖以太網(wǎng)。光纖傳輸具有頻率特性好、頻帶寬、衰減小、抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，無(wú)需中繼補(bǔ)償，信號(hào)傳輸?shù)目煽啃院唾|(zhì)量都得到了提高。

2 井下硬件設(shè)計(jì)

2.1 Zigbee的選擇

該定位跟蹤系統(tǒng)是基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)構(gòu)建起來(lái)的，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位通過(guò)CC2431內(nèi)部集成的硬件定位引擎而實(shí)現(xiàn)，該芯片具有低功耗、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適應(yīng)于井下短距離的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。為了能降低成本，其中網(wǎng)關(guān)及參考節(jié)點(diǎn)的主控芯片選用CC2430，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)選用CC2431，兩款芯片的主要的差別就是CC2431有跟蹤定位引擎，而CC2430沒(méi)有跟蹤定位引擎。

2.2 CC2430/CC2431定位引擎設(shè)計(jì)

定位引擎基于RSSI技術(shù)，且它由定位節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和接入節(jié)點(diǎn)等組成。如圖1所示，分別對(duì)B1、B2和B3的定位節(jié)點(diǎn)路由路徑加以說(shuō)明；其中路由節(jié)點(diǎn)、接入節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)分別由A、甲、乙、B代表。從圖中不難看出B1處于A2和A3兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)的范圍內(nèi)，因?yàn)锽1被障礙物阻擋，只能與A2聯(lián)絡(luò)，而不能與A3聯(lián)絡(luò)，從圖1中可看出其路由路徑為：

B1--A2--A1--甲--以太網(wǎng)

B3同時(shí)處于A3和A4兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)范圍之內(nèi)，因?yàn)锽3被障礙物阻擋，只能與A4正常聯(lián)絡(luò)，而不能與A3聯(lián)絡(luò)，因此可看出其路由路徑為：

B3--A4--A5--乙--以太網(wǎng)

B2同時(shí)處于A3和A4兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)范圍之內(nèi)，由于B2沒(méi)有被任何障礙物所阻擋，因此它能同時(shí)和A3、A4同時(shí)聯(lián)絡(luò)，路由路徑為：

B2--A4--A5--乙--以太網(wǎng)

B2--A3--A2--A1--甲--以太網(wǎng)

由此可得，CC2431硬件定位引擎不需占用處理器的時(shí)間，只需寫入?yún)⒖脊?jié)點(diǎn)坐標(biāo)和測(cè)量參數(shù)，就能快速度、高精度處理數(shù)據(jù)，并計(jì)算出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)定位追蹤。

3 井上硬件結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

井口建立井端服務(wù)器，匯接井下采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分析、處理、匯總和統(tǒng)計(jì)，并接入Internet網(wǎng)，結(jié)合使用以Ethernet（IEEE802.3）有線網(wǎng)絡(luò)和Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)以太網(wǎng)關(guān)將無(wú)線信息傳送轉(zhuǎn)變?yōu)橛芯€信息的傳送。

4 結(jié)語(yǔ)

該文提出了一種基于Zigbee技術(shù)的井下人員無(wú)線定位系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為礦井事故搶救人員安全和財(cái)產(chǎn)安全爭(zhēng)取寶貴有限的時(shí)間，很大程度上提高了礦井下救援的效率。

參考文獻(xiàn)

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