基于ZigBee無線網絡的井下人員定位系統的設計

劉明亮

（淮南礦業集團顧橋礦綜采二隊,安徽 淮南 232001）

0 引言

目前，煤炭在我國的能源組成中占據著十分重要的地位，煤炭開采過程中井下環境復雜，生命財產安全問題存在隱患，如果能夠獲得井下人員的具體位置，這將對接下來的救援工作有著重大的意義。現有一些煤礦利用藍牙技術、射頻識別等技術來實現通信和獲取井下人員的位置信息，存在傳輸距離短和精度低的缺點以及井下的實際環境復雜等因素，較難獲得井下人員的精準位置信息。基于ZigBee的無線網絡的井下人員定位系統能夠解決上述不足，能夠很好地完成井下的監測任務和調度工作。

1 ZigBee技術簡介

ZigBee協議是基于IEEE802.15.4標準的無線通信設備，旨在創建一種無線分布網絡，并且以成本低、功耗低、方便使用等特點贏得了市場。ZigBee擁有自己一套完整的協議，它們分別是物理層、介質訪問層、數據鏈路層、網絡層和應用層，相比較而言，ZigBee協議棧結構簡潔且容易實現，降低了芯片的成本費用。一個ZigBee網絡所包含的網絡節點個數不高于255個，一個是主設備，剩下都是從設備。如果使用Network Coordinator，可將ZigBee網絡節點擴展多達至65000個，眾多的節點數量使得傳輸距離大大增加。

2 基于 Zigbee 無線網絡的井下人員定位系統

2.1 人員定位系統的結構框架

煤礦井下的信息通過傳感器等設備獲得，而后經由ZigBee無線網絡和RS232串口傳到地上的監控系統，然后操作系統利用計算機對數據進行一系列的分析處理，井下工作人員的具體位置將在顯示屏上顯現出來，完成跟蹤定位工作。

2.2 井下人員定位系統的功能作用

系統除了定位功能外，還具有對井下工作人員進行查勤的功能，因為井下人員下井和回到地面的時間都會被記錄下來，因此可以作為工作人員出勤率狀況的參考。在工作期間，井下工作人員都會持有定位點，系統能夠實時跟蹤到他們的具體位置，這些可作為工作質量的審核依據。

2.3 定位系統的工作原理

井下工作人員在下井之前都隨身帶有一個終端節點即定位點，這個定位點能夠按照程序設定好的時間，定時地發出一種信息包，就近的路由節點會接收這個的信息包，經處理后連同自己的網絡地址信息借助于其他的路由節點一并上傳至協調器，接著協調器開始處理這些信息，然后借助于RS232將處理過的信息傳輸至地上的監控中心，完成了井下人員定位的功能。地上監控中心的PC機上建有超大容量的數據庫，并配備有一張顯示井下每個ZigBee節點具體位置的信息圖。井下巷道內壁上路由節點的位置在信息圖上已經固定，當監控中心收到來之井下傳來的信息，就可以確定定位點具體是在哪些路由節點附近，井下人員的具體位置基本上就能被確定下來。

2.4 ZigBee模塊的硬件設計

CC2430根據內置閃存容量的不同，分為三個版本，分別是32KB、64KB和128KB，其中128KB的內存較好的符合系統的設計需求，因此被選取作為整個網絡各類節點模塊的主芯片。由于CC2430本身擁有一套完整的結構體，并不需要外接很多元器件做輔助來實現系統的目的，這就大大降低了設計難度、簡化了電路。

2.5 ZigBee模塊的軟件設計

系統工作時首先對CC2430進行初始化，然后對協議棧進行初始化，打開中斷。隨后對一個網絡進行格式化，若成功，就能看到被格式化網絡的信息，借助于串口調試助手能夠獲取網絡協調器的物理地址、新建網絡的ID號以及頻道號等。然后，程序進入應用層，完成函數aps-FSM（）的處理以及對ZigBee信號的監測。若此時有節點加入網絡，將在串口輸出的地方顯示出來，且顯示待加入節點的物理地址，隨之，網絡節點被分配網絡地址。

3 定位系統的運行環境

3.1 軟件環境

本文所提出的系統是在 Windows XP 操作系統下開發的，具體開發軟件是VB.net，Oracle 數據庫系統是后臺數據庫的來源。

3.2 硬件環境

較好地完成對井下人員進行跟蹤定位，需要較高配置的計算機作為硬件支撐。本系統所采用的計算機配置為CPU 主頻2.7 GHz，2G內存，500G硬盤，1G獨顯，顯示器不小于19英寸。

3.3 模擬測試結果

本系統提出以后，在校園樓道內對之進行了模擬。模擬中，安裝了16個路由模塊，4個終端模塊在場地區域內隨意移動，根據具體情況安裝定位系統。PC機、電源、電纜等準備就緒后，在PC機上安裝相關定位跟蹤的軟件。存儲井下人員的相關信息，相關設備開始進行工作。4個終端節點在區域范圍內自由移動，隨著節點位置的改變，對應在顯示屏上出現在不同的固定路由節點附近。多次模擬實驗表明：該系統反應較快，在終端節點“群入”時精確性能較高。

4 結語

由于ZigBee本身特有的性質，使之非常適合工作于環境復雜、布線困難的礦井下。井下工作人員隨身攜帶的終端設備通過中轉站（即路由節點）和協調器建立起連接；RS232主要職責是將ZigBee協調器以及地面的數據送給地上的監控中心，實時跟蹤井下人員的地理位置，為工人安全提供保障。在實際中，由于資金、環境等方面資源的不足，本文所提出的系統僅僅在地上進行了模擬，雖然某些方面還存在一定的不足，但總體來說，大體上的功能都能夠實現。

[1]瞿雷,劉盛德.ZigBee 技術及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007.

[2]常青,丁亮,梁穎.基于ZigBee技術的井下人員定位系統[J].煤礦機電,2013(06):65-68.