基于ZigBee的井下人員定位系統設計

孫赟

摘 要 煤礦產業是我國一個十分重要的產業，其發展具有一定的特殊性，同時，井下作業環境較為復雜，對于安全性要求較高。煤礦井下人員定位是一項重要工作，能夠實現井下人員準確定位，在發生礦井事故后能夠及時救援。但現有的井下人員定位網絡存在組網能力差、功能單一等缺陷，無法對多個移動目標實行同時定位。對此，運用ZigBee技術設計新的井下人員定位系統，更好地對井下人員進行身份識別和實時定位，對于井下人員考勤、煤礦事故救援等工作都有著重要意義。

關鍵詞 ZigBee；井下人員；定位系統；設計

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2017）197-0092-02

隨著社會經濟的不斷發展，對于煤礦資源的需求量不斷增加，因而礦井開采比重也隨之增長。在煤礦開采中，由于礦井環境較為特殊，危險性較高，因而需采取有效措施，為井下人員提供妥善的監測和保護，盡量避免發生人員

傷亡。

根據相關研究表明，在每年的礦井事故中，由于沒有得到及時救援而死亡的井下人員占比約為25%，主要原因是無法準確定位井下人員位置，因而難以快速施救。

對此，基于ZigBee的地下人員定位系統的設計，可以實現地下人員更精確的定位，對于確保井下人員安全有著重要意義。

1 ZigBee技術概述

Zigbee技術是一種雙向無線通信技術，具有低成本、低速率、低功耗、第復雜度、近距離等特點，在傳輸速率要求不高、功耗低、距離短的情況下，可實現不同電子設備的數據傳輸，以及低反應時間、間歇性、周期性數據傳輸。Zigbee技術屬于無線數傳網絡，具有較高的可靠性，與傳統GSM、CDMA網絡相似。ZigBee數據模塊，和移動網絡基站相類似。在ZigBee當中，由上萬個無線數傳模塊構成，在網絡范圍中，各個數傳模塊都可相互通信。不同于傳統GSM、CDMA網絡，ZigBee網絡的目的是滿足工業現場自動化控制數據傳輸要求，因而具有價格低、可靠性高、方便簡單等特點。ZigBee不但能夠直接監控和采集數據，還能夠對其他網絡節點傳輸數據進行自動

中轉。

因此，在煤礦井下人員定位系統設計中，運用ZigBee技術，能夠達到理想的效果。

2 定位系統總體設計

在基于ZigBee的井下人員定位系統中，主要包括了網關節點、移動節點、參考節點、Web服務器等部分。

其中，參考節點是坐標位置已知的節點。移動節點則是位置坐標不確定的節點，參考節點需要確定引用節點的位置信息，并接收移動節點的位置信息，然后將其傳輸到Web服務器。

Web服務器利用互聯網，計算機傳輸信息。系統主要具有考勤管理、人員定位、通信、Web瀏覽、實時報告等功能。可對工作人員進出井時間加以記錄，并對井下人員工作布局加以監測。在井下建立ZigBee無線通信網絡，覆蓋參考節點、定位節點。

在地面控制中心計算機，建立井下人員位置顯示界面軟件，觀察井下人員操作，位置情況。如發生井下事故，能夠準確定位人員位置，從而及時救援。

系統支持井上井下實時雙向數據通信，可在緊急情況下取得聯系。Web瀏覽運用了B/S結構模式，可以通過網頁的形式瀏覽信息。此外，能夠對環境參數、溫度、濕度、瓦斯濃度等進行實時報告。

3 定位系統硬件設計

3.1 節點硬件設計

在移動節點和參考節點的設計中，主要包括了外圍電路、無線通信模塊、數據采集模塊、傳感器模塊等部分。

其中，網關節點需要連接到Web服務器，因此，與添加串口模塊相比，網絡連接結構和參考節點都需要連接。節點處理器芯片，使用CC2430芯片，基于ZigBee/IEEE802.15.4內存的單片機，RF，微控制器到移動節點。在芯片中，使用CC2431芯片，其結構與CC2430相比，增加了1個定位引擎，利用RSSI與參考節點坐標，通過三遍測量法，對移動節點坐標進行計算。硬件中的溫度傳感器利用了SHT11芯片，具有可靠性高、精度高、接口簡單、集成度高等優勢。

天線采用SMA頭連接2.4ghz天線，需要考慮駐波、微波反射等因素，因此可以使用與天線阻抗匹配的傳

輸線。

3.2 Web服務器硬件設計

移動節點需要將位置信息傳輸到遠程監控主機，因此應該實現遠程數據傳輸。

基于此，系統使用嵌入式Web服務器訪問網絡。Web服務器芯片使用了S3C44B0X芯片，其優勢在于全靜態設計、低功耗，能夠對功耗敏感、成本較低的情況更好的適應。以太網接口芯片使用了RTL8019AS芯片，這一以太網控制器能夠支持全雙工即插即用，同時具有RJ-45接口，可實現對10BASE-T的自動檢測。

USB接口芯片使用了ISP1161芯片，該芯片主要是為嵌入式系統實現USB HOST所設計的，能夠方便的連接數字信號處理器，RISC指令集處

理器。

4 定位系統軟件設計

4.1 節點軟件設計

在系統軟件設計中，節點軟件設計主要包括參考節點、移動節點、網關節點等。參考節點具有固定的位置坐標，在定位計算中，并不發揮作用。移動節點可以接收參考節點發送的RSSI，實現其本地化。網關節點不但要對PC發出的參考節點配置信息進行接收，還需要接收節點的相應的反饋信息。

4.2 Web服務器軟件設計

在Web服務器的設計中，使用了uClinux操作系統。該系統是以Linux內核為基礎開發的，能夠在無存儲器管理單元微控制器設計中發揮良好的作用，具有API豐富、穩定性良好等優勢。

在Web服務器的軟件設計中，首先對u-boot進行移植，然后構建交叉編譯環境，移植uClinux操作系統和Boa服務器，最后編寫相應的應用程序。在Web服務器界面結構設計中，對于定位查詢，節點是使用動態頁面配置的，每個節點都實現與不同CGI程序的鏈接，而頁面的其余部分則是使用靜態頁面設計的。

在設計中運用了HTML多框架結構，因此在“/mClinux-dist/vendors”路徑下的tmpt文件夾中，放置所有需要鏈接的圖像文件，以及全部的HTML

文件。

5 定位系統分析測試

選擇有人員流動的走廊模擬井下工作環境進行定位系統測試，走廊面積為2m×10m。在走廊兩邊設置10個參考節點，利用PC為參考節點設置坐標位置，將移動節點放置在參考節點區域，通過服務器接口檢查移動節點的位置信息，結果表明，當人流量較少的時候，能夠實現更精確的定位。這是由于人員的吵鬧、走動等，會影響RSSI。經分析測試結果表明，所有移動節點均可達到0.5m范圍內的定位誤差，系統定位精確性較為

理想。

6 結論

煤礦是當前社會中的重要資源，煤礦開采的效率對于經濟發展有著直接的影響。而在煤礦開采中，由于礦井下工作環境復雜，因而對于安全保護措施具有極高的要求。井下人員定位系統，對于保護礦井生產安全有著重要意義，基于ZigBee的井下人員定位系統，在系統總體結構基礎上，運用ZigBee技術實現硬件設計和軟件設計，能夠更加精確的實現井下人員定位，從而保證煤礦生產安全。

參考文獻

[1]于洋，張東偉.基于ZigBee技術的井下人員定位系統的設計[J].煤礦機械，2009，30（12）：19-21.

[2]王紹.基于WSN的醫院病人實時監護系統[J].計算機系統應用，2012（5）：46-48.