基于ZigBee的礦井無線定位系統設計

曾妍+胡鋼+曾寶國+程遠東+楊波+占海濤

摘 要：針對礦井人員和機車精確定位需求，提出了基于ZigBee的定位系統設計方案，分析了利用RSSI/TOF算法測距和雙基站協同定位的實現原理。經工程應用測試，該系統能在較遠距離范圍內實現高精度實時定位。

關鍵詞：礦井定位系統;RSSI/TOF測距;協同定位;高精度實時定位

中圖分類號：TN393.17 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? 文章編號：2095-1302（2015）09-00-03

0 ?引 ?言

建設可靠的礦井定位系統，提高對人員和機車的動態跟蹤管理，增強事故應急快速反應能力，對保障煤礦安全生產具有重要意義，相關要求已被列入國家《煤礦井下安全避險“六大系統”建設完善基本規范》。為構建適用于煤礦井下的無線定位系統，文獻[1]提出了一種基于鄰近信號強度（NSSS）指紋匹配和動態三邊測量（DTN）算法的精確測距定位方法，并通過仿真表明其在10 m以內的范圍具有高精度實時定位能力;文獻[2]提出了一種基于ToF的測距定位算法，并通過實驗測試表明其在10～100 m的范圍內具有精度高達±2 m的定位能力。四川信息職業技術學院會同四川維誠信息技術有限公司、深圳哲揚科技有限公司，在充分吸收上述研究成果的基礎上，提出了基于ZigBee和工業以太網的定位系統設計方案，通過RSSI/TOF（Received Signal Strength Indicator/Time of Flight）融合測距和雙基站協同定位算法實現了在較遠距離范圍內的高精度實時定位。

1 ?系統組成

綜合考慮煤礦井下作業環境和要求，本系統所要實現的主要功能包括：（1）實時監測功能，即能分區域實時監測井下人員和機車的精確分布情況，并在井下巷道圖上實時動態地顯示行蹤;（2）查找人員及機車當前位置功能，即輸入任意人員或機車的編號，可立即以圖形方式顯示其當前精確位置。按此功能，將本系統分為井上和井下兩部分，系統組成如圖1所示[3]。其中，井上部分包括網絡交換機、定位服務器、定位展示機;井下部分包括定位分站（基站）、地標定位儀、人員標識卡、機車定位儀。定位分站用于獲取人員和機車標識位置信號，并將隨同綜合分站的編號發送給井上處理器。地標定位儀可以自助接收標識卡信息，它以無線信道與鄰近基站建立固定的通訊鏈路，轉發各種數據信息建立雙向通信聯絡，承載著位置信息發布和無線自組網雙重任務，其中位置信息發布為精確定位算法模型提供了地理信息標桿修正機制，有效提高了定位的精度指標。無線自組網方式為整個網絡的部署及優化提供最大的便利。人員標識卡和機車定位儀具有唯一的標識號碼，用于標識人員和機車身份。

圖1 ?無線定位系統組成示意圖

系統部署時，定位分站以每300～500 m一臺的密度安裝在井下巷道里，以環形或鏈型方式構成骨干傳輸網;地標定位儀隨骨干傳輸網線路布設，彼此間隔10～25 m，并在上位機軟件中預置每臺定位分站、每個地標定位儀的分布位置;人員標識卡和機車定位儀配置在人員和機車上。定位分站與地標定位儀之間采用RS 485串行通訊，綜合通信分站、地標定位儀與人員標識卡，機車定位儀之間采用ZigBee通訊。在ZigBee傳輸網絡中，定位分站是全功能的協調器，人員標識卡和機車定位儀是簡易功能的終端，地標定位儀既可以做協調器，也可以做終端。

定位分站、地標定位儀、人員標識卡、機車定位儀之間的通信過程如圖2所示[3]。其中，人員標識卡和機車定位儀分工作和睡眠兩個工作周期并交替轉換，睡眠狀態下既不接收也不發送信息，工作期間不間斷或周期性廣播自身信息并偵聽和接收定位分站信息。定位分站一般處于接收狀態，收到人員標識卡和機車定位儀的信息后應答，并通過光纖將信息發送到上位機;如果人員標識卡和機車定位儀上傳有報警信息，分站會將報警信息加入到應答信息中。地標定位儀和定位分站一般處于接收狀態，在收到人員標識卡和機車定位儀信息后應答;與定位分站不同的是，在接收到信息后，通過無線方式轉發給定位分站。

圖2 ?通訊過程示意圖

2 ?部件設計

2.1 ?定位分站設計

定位分站是系統的核心設備之一，用于組建井下工業以太網傳輸平臺及定位，采用純本質安全型設計，兼具井下通信、讀卡、傳輸等功能。圖3所示為定位分站的結構框圖，集成有電源模塊、無線通信模塊、ZigBee定位模塊和天線合路器及天線、光電轉換器及光纖接口等[4]。

圖3 ?定位分站的結構框圖

2.2 ?地標定位儀設計

地標定位儀的電路組成如圖4所示。它以Atmega1280低功耗MCU為主控芯片，提供數據存儲、處理、傳輸功能。精確定位射頻主控芯片采用nanotron公司的NA5TR1，該芯片內置射頻發送模塊和基于飛行時間的TOF測距算法。射頻放大電路采用高增益2.4 G射頻放大芯片uPG2250T5N。擴展接口部分外接RS 485轉接板，把TTL數據轉換為標準的RS 485數據，并檢測本安電源AC是否斷電;RS 485部分使用LTM2881IY實現，本安電源AC檢測功能通過主控芯片IO口檢測由本安電源輸出的AC狀態腳來實現。

2.3 ?機車定位儀和人員標識卡設計

機車定位儀和人員標識卡設計的硬件組成如圖5所示，包括電源模塊、ZigBee射頻電路、天線模塊、聲光指示模塊。其中，機車定位儀由12～24 V電源供電，人員標識卡由鋰電池供電;聲光指示模塊用于告警和顯示報文數據[4]。

圖5 ?機車定位儀和人員標識卡組成框圖

3 ?定位算法

ZigBee定位算法分距離無關定位算法和基于距離的定位算法。其中，前者主要有APIT算法、質心算法、DV-HOP（Distance Vector-Hop）算法等，定位對硬件要求較低，但精度較差;后者包括TDOA（基于到達時間差）算法、AOA（基于到達角度）算法、TOF（基于信號飛行時間時間）算法、RSSI（基于信號接收強度）算法等，它們定位精度高，但對硬件要求較高[5]。本文在ZigBee感知及傳輸層采用RSSI/TOF算法，利用未知節點和定位分站的幾何關系，根據最大似然估計法求得節點距離，并根據雙基站協同判別節點方位;在上層軟件中，通過對定位數據的預處理，運用標量化拓撲測距判別模型與巷道空間坐標對應的真實位置進行計算和顯示。

3.1 ?RSSI/TOF測距及雙基站協同定位原理

實現對機車和人員的定位主要有兩層要求，一是要測量出機車和人員與地標定位儀之間的距離，二是要定位其準確的坐標。由于煤礦井下巷道呈狹長分布，只要能測量出機車和人員與指定地標定位儀的距離并判斷出左右方位，即可實現較為準確的定位。

3.1.1 ?RSSI測距原理

RSSI測距是接收節點根據接收信號強度和發射節點信號發射強度，利用信道傳輸損耗模型將傳輸損耗轉化為距離的一種測距方法。在IEEE802.15.4協議下，簡化的信道模型可用式（1）描述[6]：

（1）

式中，Pt為信號發射強度（dBm），d為傳輸距離（m）。實際應用中，傳輸模型可簡化為式（2）：

RSSI=-（10nlgd+PL0） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中，n為傳播指數，PL0為d=1 m時接收信號的強度。

由式（2）可知，信號的衰減與傳輸距離d成對數關系。d越小，RSSI偏差所產生的距離絕對誤差越小;當d大于某一閾值時，RSSI值的波動造成距離的絕對誤差明顯增大。在煤礦井下環境實際測試時，該閾值在8～10 m。由于地標定位儀的布設間距為10～25 m，使用RSSI法測距可能引起明顯誤差。要減小誤差，一是在成本允許的條件下盡量增大地標定位儀的布設密度，二是利用TOF等算法輔助測距。

3.1.2 ?TOF測距原理

TOF測距是通過測量無線信號在節點間的傳送時間來換算距離，其測距過程如圖6所示。節點A（定位分站）測量從發出數據包到節點B（標識卡）確認時間記為TRound，A，B節點測量從收到A節點數據包到B節點回應確認消息的時間記為TReplay，B，數據包在飛行中經歷的往返時間記為TRound，AB，則數據包在空中飛行時間Tprop可按式（3）計算[2]：

（3）

計算出Tprop后，根據d=Tprop×c可以計算出標識卡到定位分站之間的距離（c代表光速，取值為3.0×108 m/s ）。

圖6 ?TOF測距過程示意圖

3.1.3 ?RSSI/TOF融合測距實現方法

經實地測試，RSSI在標識卡距定位分站距離較近時測距誤差較小，而TOF在距離較遠時測距誤差較小。因此，RSSI/TOF融合測距的方法是通過實驗測定一個RSSI的合理閾值，當RSSI值大于設定閾值并呈逐漸增大趨勢時，說明標識卡在靠近定位分站，應采用RSSI測距;反之，當RSSI值小于設定閾值并呈逐漸減小趨勢時，說明標識卡在遠離定位分站，應采用TOF測距[6]。

3.1.4 ?目標標識卡方位判別方法

由于測距只能獲得標識卡與定位分站之間的距離，不能確定標識卡在定位分站左右的位置，因此宜采用雙定位分站協同定位。以圖7所示三種情況為例，設定位分站1與定位分站2的布設距離為250 m，并設定位分站1測得它與標識卡的距離為d1、定位分站2測得它與標識卡的距離為d2。標識卡位置分布判斷方法如下：當d1>250 m>d2，說明標識卡在定位分站2的右側，如（a）所示;當d1<250 m<d2，說明標識卡在定位分站1的左側，如（b）所示;當d1<250 m、d2<250 m，說明標識卡在定位分站1、2之間，如（c）所示。

布設定位分站時，兩個定位分站天線的間距應大于精確定位的測量精度，且在兩個定位分站之間存在盲區的情況下，應增加定位分站密度來消除盲區。對于井下巷道的精確定位，兩兩配對的定位分站用作基本拓撲單元完成測距和方位判別。一個完整的井下巷道精確定位系統一般需要幾十甚至上百個定位分站方可完成信號覆蓋，實現全局或重點區域局部連續的精確定位。

圖7 ?標識卡位置判斷方法

3.2 ?上層應用軟件對定位數據的處理與展現

（1）數據預處理：對井下的環境，TOF定位算法可能產生折射、繞射等情況，所以對定位數據進行預處理，剔除失真、錯誤的數據。系統利用歷史數據，考慮人員、機車行走速度等限制，引入濾波、限幅的處理方法，使定位數據接近真實值，確保定位精度達到要求。

（2）拓撲關系：定義每個地標定位儀是定位網絡的拓撲節點，采用節點間連通性屬性描述網絡拓撲，并建立節點相鄰關系表信息。根據節點相鄰關系表，能夠獲取到定位分站的配對關系和數量，完成對目標標識卡距離和方位的判別。

（3）位置展示：位置展示一般采用標量化拓撲測距判別模型，它需要做的就是將標識卡對應的距離和方位信息傳遞給矢量化幾何地理匹配計算模型，進行與巷道空間坐標對應的真實位置計算和顯示。標量化拓撲測距判別模型中的網絡拓撲描述信息可以有多種原始輸入方式。工程上最簡單的做法，可以從基站之間的間隔距離定義關系中自動轉換獲得，從而使應用系統具有智能學習的能力，降低工程部署的技術條件和要求。

4 ?結 ?語

針對礦井人員和機車精確定位需求，利用網絡交換機、定位服務器、定位展示機、定位分站（基站）、地標定位儀、人員標識卡、機車定位儀等構建了一套基于ZigBee和工業以太網的定位系統設計方案，利用RSSI/TOF算法實現測距，利用雙定位分站協同完成目標標識卡方位判斷，從而實現在較遠距離范圍內對人員和機車的高精度實時定位。目前，該方案已在深圳哲揚、四川維誠、四川信息等企業和高校協同開發的礦井定位系統中形成產品，并已獲得了大量應用。

參考文獻

[1]黃成玉，李思敏，肖海林.基于ZigBee技術的礦井人員定位算法研究[J].通信技術，2010，43（8）：195-198.

[2]常華偉，王福豹，嚴國強，等.無線傳感器網絡的TOF測距方法研究[J].現代電子技術，2011，34（1）：35-38.

[3]李春雷，劉強，蔣楊定興，等.無線定位系統及信標卡：中國，201210069227.2[P].2013-09-18.

[4]季文濤，曹日暉，彭敏，等.無線遠程智能機車定位系統及報警儀：中國，201210051302.2[P].2013-09-11.

[5]丁輝，李波勇，艾述亮.基于移動信標的無線傳感器網絡節點定位技術綜述[J].電腦知識與技術，2011，21（7）：5080-5082，5086.

[6]趙飛.基于TOF/RSSI的公交車載節點組合定位算法研究[J].電子技術應用，2012，38（2）：8-10.