基于ZigBee技術的煤礦井下自組網定位系統設計

魏景新 靳文濤

(華北科技學院電子信息工程學院，河北省三河市，065201)

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基于ZigBee技術的煤礦井下自組網定位系統設計

魏景新 靳文濤

(華北科技學院電子信息工程學院，河北省三河市，065201)

分析了現有煤礦井下安全監控系統通信方式及存在問題，通過有線與無線結合的方式,采用刷卡標記節點的方法提出了一套基于ZigBee無線通信的煤礦井下自組網定位系統，詳細介紹了該定位系統的系統硬件設計和系統軟件設計。實驗結果表明，該定位系統能夠實時監測煤礦井下的各個環境參數，定位較為準確，有較高的實用價值。

ZigBee 煤礦井下定位系統 無線傳感器網絡 自組網

1 安全監控系統通信方式及存在的問題

目前，用于地面監測站和井下監控的煤礦安全監控系統主要為有線和無線兩種通信方式。有線方式主要是基于CAN總線、串口RS485或者串口RS232，通過將巷道中各個設備的通訊線掛接在連通到地面監測站的總線上，以實現井上和井下的數據傳輸。有線方式存在的問題是井下的施工布線繁瑣、礦井的監測范圍局限、維護困難和成本高。無線方式包括無線電漏泄技術、紅外線技術以及RFID射頻識別接收技術。無線電漏泄技術集合了有線和無線兩種通信方式，但是存在抗干擾能力差和穩定性差等問題；紅外線技術在測量瓦斯濃度和地表溫度方面雖然比較成熟，但是存在通信距離短等問題，阻礙了該技術在煤礦開采行業的廣泛應用；射頻識別技術RFID利用射頻信號和空間耦合傳輸特性來實現人員的自動識別，但是存在價格高、精度差、識別速度慢以及兼容性差等缺陷。

無線傳感器網絡是集無線通訊、數據采集和信息處理功能于一體的新型分布式自組織數據采集網絡，ZigBee技術是一種新興的最具代表性的無線傳感網絡，具有統一技術標準、低成本、低功耗、可靠性高、兼容性強和定位精度高等特點。本文設計了一套基于ZigBee無線通信的井下自組網定位系統，用于監測井下的各個環境參數和工作人員情況，當煤礦井下出現異常情況時，系統能夠及時地定位異常位置，并給相關工作人員及時警報，提醒工作人員及時做好安全措施。無線通信方式參數對比見表1。

表1 無線通信方式參數對比

2 ZigBee無線組網技術

ZigBee是一種低速無線個域網技術，是基于局域網協議-IEEE802.15.4 的一種新型通信協議，ZigBee技術具有以下幾個顯著特點：

(1)完全開源的完整協議棧。協議棧的源碼和使用授權都是完全開放的，并且協議棧的更新和升級免費。

(2)高度可靠性。ZigBee技術采用了沖突避免多載波信道接入方式，即使在發送數據時發生沖突和競爭，也能夠很好地得到解決。同時，ZigBee在無線通信過程中有著完善的應答協議體系，保證了通信的可靠和暢通。

(3)良好的安全性能。ZigBee技術采用了128位長度的加密算法，對傳輸的數據都進行了嚴謹的加密處理，保證了ZigBee設備之間通信的安全和保密。

(4)低功耗、低成本。每個ZigBee設備的發射功率較低，正常工作情況下，兩節5號電池作為ZigBee的供電電源就可以使用0.5～2 a的時間，遠遠超出了目前市面上大部分的無線通信技術的功耗。ZigBee設備成本也較低，單個芯片(如CC2530)售價在10元左右。

3 井下定位算法分析與方案確定

定位方案大致可分為兩類，一類是通過ZigBee無線通信定位，另外一類是基于節點標記定位。其中通過ZigBee無線通信定位的方案中又可以分為與距離無關的定位算法和基于距離的定位算法，與距離無關的定位算法如質心算法存在著計算出來的節點坐標精度不高等缺陷，只能作為粗略定位；而基于距離的定位算法存在著需要增加相應的網絡節點設備作為輔助，導致節點耗能量較大等缺陷。綜合考慮定位的穩定性和準確性，設計中采用節點標記的方式進行定位。節點標記定位是利用礦井下所布置的ZigBee網絡系統，井下人員通過手持IC卡在ZigBee網絡中的路由器節點設備或者終端節點設備進行刷卡標記，再由節點設備把已刷卡信息發送到協調器，卡和人一一對應，實現對人員行徑的追蹤。

4 系統設計

4.1 系統硬件總體框架

由于煤礦井下的特殊性、環境的復雜性、空間的不確定性以及未知的其它干擾源，因此設計中采用MESH網狀網絡結構。系統總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖

由圖1可以看出，本系統主要由井下協調器、路由器節點、終端節點、身份識別卡和管理主機組成。協調器可以放置在井下的主干巷道上，用于與地面通信，進行數據交換，完成井下數據的上傳以及井上地面監測站的調度管理命令的下傳；路由器作為井下的數據轉發站，同時作為實現井下定位系統的參考節點，同時路由器節點上放置了多個傳感器用于監測井下的相關環境參數情況，包括溫濕度、甲烷濃度、風速等，因此路由器一般可以放置在井下巷道的合適位置，放置的密度和位置往往需要因地制宜，按照實際的巷道結構情況進行安排；終端節點(移動節點)則作為井下工作人員的隨身攜帶的設備，通過加入網絡實現人員的定位。

目前國內的煤礦井下與地面之間的通信方式主要還是通過RS232/RS485總線或者CAN總線來進行的，因此充分利用現有有線網絡，使井下的ZigBee子網和現有的有線網進行連接，使得兩種網絡得到充分利用，減小裁撤有線網工作，保證了礦井的安全有序生產。

4.2 系統硬件電路設計

4.2.1 節點硬件介紹

設計中選用TI公司的CC2530單片機作為核心控制器，該單片機基于IEEE802.15.4標準，工作頻段為2.4 GHz，具有256 KB可編程Flash和8 KB數據存儲器(RAM)，芯片內部提供3個不同的電源模式來減少電源的消耗，同時能夠兼容高性能增強型的8051微控制器。

節點硬件結構采用“核心板+功能底板”的方式，在功能底板中包含了所有相關的外圍電路模塊，其中有電源管理、復位電路、串口轉USB通信、傳感器接口、顯示電路接口、調試使用的按鍵、程序燒寫仿真接口以及預留的備用I/O接口，節點的硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 節點硬件結構框圖

4.2.2 CC2530單片機核心板

CC2530單片機最小系統的核心板上有CC2530芯片、32 MHz晶振電路、RTC時鐘電路以及RF收發天線電路，這些部分是構成CC2530單片機最小系統的必要條件。核心板上除了最小系統外，還有2個LED指示燈，由CC2530單片機的P1_0、P1_1分別控制。核心板作為最小系統的承載板，使用時還需要將其擴展開來，所以在核心板上還有一對直插雙排針，用于連接到功能底板上，完成各個功能的使用和開發。核心板電路如圖3所示。

圖3 CC2530核心板電路

4.2.3 節點USB轉串口電路設計

USB轉串口電路是CC2530單片機與計算機的USB進行通信的一個轉換模塊，能夠實現單片機和計算機完成數據交換和信息傳遞，設計選用USB轉串口芯片CP2102，該芯片是一款高度集成的USB-UART橋接器，提供一個使用最小化元件和PCB空間來實現RS232轉換USB的簡便解決方案， USB轉串口模塊電路原理圖如圖4所示。

圖4 USB轉串口模塊電路原理圖路

4.3 系統軟件設計

設計中選用IAR公司的IAR Embedded Workbench編譯IDE(以下簡稱EW)。EW集成了IAR AVR C/C++ 優化編譯器、匯編器、鏈接定位器、庫管理員、C-SPY 調試器和項目管理器等多種工具，使用該軟件編譯器生成的代碼比較緊湊和優化，有效降低硬件成本，整個系統流程如圖5所示。

5 系統的實現及驗證

5.1 系統的實現

利用Mini STM32開發板模擬地面監測站的計算機，依照本次設計的沙盤模型模擬巷道形狀，沙盤中共計9個節點，節點位置為固定節點，其坐標(X，Y)是固定的，標號從1到9，其中546節點分別對應IC卡標記為A、B、C，179節點分別對應IC卡標記為E、D、F。測試中采用刷卡標記的方式將各個節點的位置標出，實現地面監測站對井下系統的監控更加形象化和具體化，協調器節點設備的OLED液晶可以顯示溫度、濕度以及人員位置等信息，Mini STM32開發板模擬的上位機界面位置示意圖如圖6所示。

圖5 系統流程圖

圖6 Mini STM32開發板模擬的上位機界面位置示意圖

5.2 實驗驗證

系統首先由協調器節點設備開始組建一個新的ZigBee網絡，然后依次啟動各個路由器節點設備加入ZigBee網絡。使用IC卡在已經加入網絡的節點設備上刷一下，在協調器節點設備上顯示相應節點上已經存在的卡，即在相應節點附近有著和卡信息對應的工作人員。同時在上位機圖形界面中閃爍顯示相應節點位置，并且閃爍節點位置標記相應的卡號信息。例如某一工作人員手持A卡來到井下的3號節點位置，刷卡后，協調器的OLED顯示界面就可以顯示A所處的節點位置為3，并且STM32模擬的計算機上位機圖形界面上3號節點閃爍。

把多個井下人員身份卡放在系統中的各個節點上，則協調器OLED液晶顯示和上位機圖形界面也會有相應的顯示結果，系統實現的效果圖如圖7所示。

圖7 井下各人員位置顯示效果圖

6 結論

(1)系統完成了ZigBee自組網功能，采用有線和無線相結合，較好地實現了對井下環境參數的監測，通過刷卡標記的方式實現了對人員的定位，經測試，系統運行穩定，定位精度較高，整個系統達到了預期設計目的。本設計為井下人員無線定位設計提供了一個新的設計思路和參考方案。

(2)煤礦井下環境的特殊性對系統的安全性、可靠性和穩定性都有很高的要求，系統測試環境為模擬環境，實際應用需進行煤礦井下真實環境下人員定位和環境參數監測，下一步需要在后期的實際測試中進行補充和完善。

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(責任編輯 路 強)

Design of underground coal mine ad-hoc network positioning system based on ZigBee technology

Wei Jingxin, Jin Wentao

(School of Electronic and Information Engineering, North China Institute of Science & Technology, Sanhe, Hebei 065201, China)

The authors analyzed existing problems of communication mode of underground coal mine safety monitoring system and put forward a set of underground coal mine ad-hoc network positioning system based on ZigBee wireless communication technology by combining the advantages of wireless network and wired network and adopting swiping card and signing node, then introduced the design of hardware and software system of the positioning system in detail. The experimental results showed that the system was able to monitor various environmental parameters of underground coal mine in real time, and it had more accurate positioning capability and higher practical value.

ZigBee, underground coal mine positioning system, wireless sensor network, ad-hoc network

廊坊市科技技術研究與發展計劃自籌經費項目(2016011006)，中央高?；究蒲袠I務費項目(3142014077)

魏景新,靳文濤. 基于ZigBee技術的煤礦井下自組網定位系統設計[J]. 中國煤炭，2017，43(3):84-88. Wei Jingxin, Jin Wentao.Design of underground coal mine ad-hoc network positioning system based on ZigBee technology[J] .China Coal，2017，43(3): 84-88.

TD65

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魏景新(1977-)，男，河北滄州人，講師，碩士，華北科技學院電子信息工程學院教師，主要從事通信網方面的研究。