基于Zigbee的煤礦井下人員定位控制系統的設計與優化

李國龍

（太原理工大學 電氣與動力工程學院，山西 太原 030024）

1.引言

煤炭作為世界基礎能源，每年的開采量都十分巨大，由于優質煤炭大部分處于深層礦帶，而現有的深井作業技術多向快速高效的方向發展，極少有對井下環境監控、安全預警、地質監察等方向入手。如果能夠有一套行之有效的安全監管系統，可以實時監控井下環境，對安全隱患進行提示，對安全事故提前預警并能夠根據環境評定是否安全開采等工作，這顯然可以大量降低安全風險，并能夠進行安全開采指導和風險排除，無論從成本上還是安全上都是極其有意義的。

2.系統研究環境及背景

大同煤礦集團永定莊煤業有限責任公司，井田位于大同市西南的23.5 km處，井田邊界范圍：東西長約9.2 km，南北寬2.15 km，井田面積為19.8 km2，生產能力為200萬噸/年，為低瓦斯礦井。礦井水文地質類型劃分為中等，礦井的開拓方式為斜井、立井混合開拓，通風方式為中央式，通風方法為抽出式通風。礦井供電電源巖嶺35kV變電站，井下有5個變電峒室，其中副井底變電共7臺BJP-6型高壓開關、一臺KBSG-200干式變壓器、3臺KBZ-200型饋電開關、兩臺ZBZ-4型照明綜合保護。

3.系統實用性和可行性分析

3.1 系統實用性分析

系統設計上，采用無線數據傳輸與采集的方式，實時對人員的井下活動軌跡進行定位，可以隨時掌握井下作業人員的位置信息[1]，該系統主要由無線傳感器網絡、后臺服務系統、無線數據傳輸技術平臺及用戶界面幾部分組成，能夠實現告警信息的及時傳遞，查看實時網絡數據，實現對歷史數據的分析，保障了煤礦安全管理的實時化和移動化。

3.2 系統可行性分析

由于井下空間有限，人員活動頻繁，所以井下通信必須采用體積小、質量輕、便于攜帶的設備，無線通線是最佳的技術方案。巷道是否傾斜、道路是否平直等井下環境對信號的衰減及傳輸距離都有一定的要求，重要的是系統容量要大且易于擴充。根據以上對井下信道環境影響的分析，Zigbee無線通信技術是最佳通信技術選擇，Zigbee技術信號頻率為2.4GHz，功耗低、抗干擾能力強、自組網能力強、成本低，完全滿足以上需求的分析，適合煤礦井下大規模使用，滿足井下信息采集和人員定位的需求。

4.設備硬件部分設計

4.1 硬件部分架構設計

圖1 節點整體框圖設計

Zigbee技術發展前景廣闊，在目前的市場中得到了極大的發展。整個井下系統由多個Zigbee終端節點和Zigbee協調器節點組成，主要研究內容為基于CC2530的無線終端節點和基于ARM9的井下定位分站兩部分。該系統的硬件總體拓撲結構及設計方案如下圖1所示。N個終端節點通過Zigbee 無線網絡互相聯通，最后將采集到的終端信息傳送給協調器節點，協調器節點再通過網絡將信息傳送給上位機PC機，實現自組網絡內信息的傳遞。

4.2 Zigbee無線傳輸節點控制設計

協調器是Zigbee網絡組織的管理者，對于一個Zigbee網絡而言，協調器節點是必須存在的，它的主要作用是根據掃描情況選擇合適的參數，建立一個網絡，它是整個網絡的維護者，具有最高的網絡權限。本系統的協調器節點選擇使用基于ARM的32位新一代微控制器STM32F103C8T6作為核心處理器。

STM32F103C8T6擁有完整的上電復位和掉電復位電路，該芯片的工作電壓為2.0-3.6V，VCC3.3V是電源正極引腳，共有5個VDD引腳。STM32是低電平復位，復位就是重啟。STM32有兩組晶振，一組用來提供主時鐘，8M、12M、16M都可以選擇，該裝置經過測試選自8M，一組用來給RTC提供時鐘，需要連接32.768K晶振。STM32有兩個BOOT引腳，決定了單片機的啟動和運行方式。

4.3 終端節點硬件部分設計

控制芯片的選擇與設計：CC2530是一款專門針對Zigbee應用的片上系統解決方案，經濟且功耗低。它整合了全集成的高射頻收發機及業界標準的增強型8051微控制器[2]。支持電源管理、RESET、定時器、ADC、UART等多種外設，它實施了IEEE802.15.4標準，是一款通用性極強的芯片，在居家與樓宇自動化、工業控制與監控、遠程控制等領域應用廣泛。CC2530的主要特點如下：高達256KB的閃存和20KB的擦除周期；8KB RAM可用于更加復雜的Zigbee應用；可編程輸出功率打+4dBm；在掉電模式下，只有睡眠和定時器運行時，僅有不到1uA的電流損耗；具有強大的地址識別和數據包處理引擎。

傳輸路徑選擇算法設計：ZigBee無線傳輸通訊技術中，對傳輸路徑選擇合適的無線電傳播路徑損耗模型至關重要；基于RSSI 的測距定位技術的原理是根據接收到的信號強度，并用一定的算法計算出接收信號節點與發送信號節點間的距離。常用的無線電傳播路徑損耗模型是：自由空間傳播模型、對數距離分布模型、對數-正態分布模型、Hata模型等；無線電傳播自由空間傳播模型如下面公式（1）所示：

其中，參考距離d通常為米，為波長，單位為米，Gt和Gr分別為發射天線和接收天線的增益。

4.4 人員定位終端設計

傳統的井下定位采用RFID電子標簽技術，當井下人員經過閱讀器的時候被人員身上的標簽識別之后，就可以得知人員的位置信息，人員定位模塊是指根據固定的Zigbee節點和人員隨身所攜帶的定位終端組成的自組織網絡，當人員進入固定區域后，Zigbee網絡發送廣播信息，將人員位置信息數據包逐級的發送給上位機監控系統，上位機系統根據傳入節點ID及該ID配備位置判斷人員位置，根據連續接收的定位信息，進行軌跡模擬[3]。由于每個傳感器節點都具備位置信息采集功能，因此無需增加成本，另外傳感器節點較多，對定位相對準確。整個數據傳輸過程可靠穩定，利于數據連續采集和軌跡繪制。如下圖2所示，為人員定位終端芯片結構圖。

圖2 人員定位終端實物示意圖

5.系統軟件部分設計

5.1 主控流程設計

網絡建立成功后，作為網內所有節點通信的發起者，協調器節點開始接收子節點加入網絡。當一個節點想加入指定的Zigbee網絡時，同協調器節點建立網絡方法類似，節點首先通過信道掃描來確認是否存在可加入的協調器，如果有則發送關聯請求，直到接收到協調器節點的回復幀，同時協調器節點會為新加入的節點分配16位的短地址，以供節點和協調器節點進行連接，并根據入網設備類型保存新請求節點信息。

5.2 Zigbee終端節點軟件流程設計

終端節點是無線傳感器網絡中最底層的普通節點，是由Zigbee協調器控制的無線Zigbee節點[4]，它主要負責終端信息的采集與執行主控下發的任務。節點上電初始化后，根據協議搜尋網絡并請求加入主節點，入網成功后節點會主動將自身的ID發給協調器并自動建立綁定關系。在接收到數據傳送請求之后，終端節點會將采集的傳感器信息定時的傳給協調器，并根據主控命令決定自身是休眠狀態還是工作狀態。

5.3 信息采集流程設計

MQ-2氣體傳感器處在可燃性氣體環境中，它的電導率與可燃氣體濃度成正比例關系變化。MQ-2輸出的是電壓信號，所以通過A/D轉換功能進行模數轉換，把輸入的模擬電壓信號轉換為0-1023之間的數字，他的煙霧信息采集及報警流程如圖3所示。模數轉換完成后，轉換的數字越大，說明煙霧濃度越大，此時系統進行閾值判斷，當電壓值大于預設值C1=400時，打開相應排風設備進行處理，當電壓值大于預設值C2=800時，進行模塊報警[5]。

圖3 煙霧采集流程

6.系統創新點及優化

Zigbee礦井下數據傳輸控制系統，主要取得了如下幾點的設計成果：整個系統通過Zigbee組網組建局域監控采集子模塊，通過中轉中心進行數據轉發，通過上位機信息接口進行數據處理和云存儲，通過無線數據傳輸技術小程序和云服務器進行數據的展現和交換。通過無線數據傳輸技術，可以遠程監控到采集數據和人員信息，可以通過手機端調用任意區域的采集信息和任意人員的定位信息。對于第三方接入系統也可以通過系統進行相應的查看動作。為了方便部署采用了較為快捷的布線和安裝方式，供電系統采用了蓄電池和有線電纜雙支持的接口模塊，采用能耗較低的ZigBee模塊進行局域數據傳輸，大大降低了維護成本。

7.結語

系統主要有信息采集、信息處理、信息錄入、遠程查看和遠程發布幾個功能模塊，數據庫結構，接口處理，上位機信息錄入，數據發布與無線數據傳輸技術程序功能展示，通過實驗，整個系統數據傳輸穩定，具有良好的執行性，不僅滿足了井下安全生產監控的目的，也可以對整個系統進行有效的管控。通過本課題的研究，成功搭建了一個可執行、可擴展的礦井下Zigbee煤礦井下數據傳輸控制系統。