基于ZigBee的井下定位系統研究與設計

徐懷芹 黃坤 楊義 朱素娜

摘要：為了準確實時監控井下的內部環境空氣狀態變化情況，精確地實時定位井下全體工作人員的井下撤退移動位置，以及在井下遇到危險后合理地準確規劃井下撤退移動路徑，研究人員設計了基于ZigBee的井下全體工作人員的全自動化撤退定位系統。該傳輸系統主要使用ZigBee無線技術，實現冗余的無線化和網絡化方便地進行傳輸數據。ZigBee井下定位系統的組成部分主要有井下定位檢測站、身份信息標志顯示卡、集中器和井下監控系統主機等，以便于實現井下工作人員實時所在位置的井下信息實時采集，并通過井下集中器直接向上層定位機進行傳輸，為及時預防井下事故、排除安全隱患、搶險救災等井下工作人員活動提供方便。該文主要對RSSI算法進行改進，提高了人員定位的速度和精確度。

關鍵詞：井下;人員定位;改進的RSSI算法

中圖分類號：TP391? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）04-0123-02

1 定位系統總體框架

在基于ZigBee的井下定位工作人員的全自動化井下定位檢測監控管理系統中，包括自動監測站、移動監控節點、參考站和網絡移動節點、協調器、Web服務器等。井下人員對基站進行定位信息系統的一個基本原理就是把無線基站預先地分配好，并且將基站的位置通過測量器存儲到電腦中。而且一般在井下工作的人員都可以隨身攜帶一張身份證卡，身份卡會不斷發送射頻信號，其中包含員工的基本信息和所在位置。通過線路傳輸到距離最近的上級定位點，然后逐級傳遞，直到傳到地面控制中心處理點結束。管理工作人員可以通過系統對數據進行實時定位，對井下人員進行實時監控。井上的呼叫可以通過設備立即送到井下，在緊急情況下，井下操作員可以隨時呼叫井上的經理或值班人員，這是雙向、實時的。基站接收到的信號是強度指示信息，為了能夠實現精準的井下工作人員自動定位，系統可以通過對信號強度確切地計算得出基站工作人員和井下基站之間的距離，系統不間斷地運行，確保了工作人員的地理位置和信息進行了實時的更新，實現對井下工作人員的自動跟蹤和定位。

2.定位系統的硬件設計

2.1參考節點的硬件設計

參考節點是一種坐標學上已知的固定裝置，并且它們分布在井中的各個關鍵位置。它的作用就是在整個井下網絡中完成路由的功能，并且可以在每一個節點之間進行數據的傳送。參考節點周期性對外發射信號的同時，接收移動節點發射的位置信號。移動節點無線信號強度的實時監測，監測分析結果可以直接影響或者間接通過學習其他相鄰參考節點逐條發送給協調器。參考位置節點組成部分如圖2，主要包括：

（1）電池電源：為參考節點提供電源;

（2）ZIgBee模塊：CC2530;

（3）三個指示設備：具有信號接收、處理和記錄等功能的設備;

（4）ZigBee無線功率放大器：增強發射功率;

（5）數據存儲模塊：存儲進入該參考節點的網絡用戶ID，同時記錄定位結果。

2.2移動節點的硬件設計

移動的節點不是固定的，能夠隨意在井下移動。為了確定每一個移動節點的位置和坐標，移動節點會將定位到該區域內所有探測站的 RSSI值，通過定位算法進行測量并多次平均的計算方法進行測算其中各個坐標的位置。移動節點卡是一種由工作人員自己攜帶的身份證卡體積小、質量輕、方便攜帶并具備了報警功能。通過聲光的形式對指示燈進行報警，當發生聲光時Led 指示燈的顏色會閃爍并且發出聲音。而且通過LED燈的顏色不同判斷工作人員所處的狀態。CPU選用成都天龍公司的 CC2431 芯片，CC2431具有 Motorola 國際擁有執照的定位軟件進行檢測系統的硬件設計核心定位精度為0.25米。與CC2430相比，其結構增加了一個定位引擎，使用參考節點和RSSI坐標，通過三次測量，誤差控制小于5%，確定移動節點的坐標位置。然而由 CC2431 制作的定位系統必須要求至少八個參照節點構建一個無線定位網絡。

3 定位系統的軟件設計

3.1參考節點的軟件設計

參考節點指的是在位置上已經知道且固定的節點，必須進行正確地配置并且分布在不同區域地理位置中。協調器首先需要通過配置參考節點的位置坐標，其次需要設置移動節點的環境參數。將參考節點作為移動節點的位置參考節點，通過多次采集這些信號的 RSSI 值，過濾去除一些分離群節點，將其平均值和自身的坐標信息存儲在數據包中，再發送到相應的參考節點。其實現的特征包括：自動地發現和加入網絡，發送 RSSI值的信息包和一個包含自己位置[x]、[y]坐標給移動節點。轉發定位網絡系統中的數據信息，具備在斷電后對其進行保留信息的記錄功能。

3.2移動節點的軟件設計

移動節點上電后，系統初始化完成。移動節點周期性地將位置請求發送到周圍的參考節點，等待其他參考節點做出響應。參考節點如果檢測到有移動節點進入其覆蓋區域，就與其建立通訊關系，向移動節點發送返回值。如果移動節點不能正常接收發送給它的返回值，就會自動繼續向周圍的一個節點進行發送并對定位后的信息發出請求。如果一個正在移動的接收節點的接收器看不到它的返回值，則認為已經加入網絡。CC2431利用定位引擎計算出移動網絡中各個節點之間的位置。在該程序中使用了一個定位導航引擎后，移動四個節點先從參考四個節點上讀出坐標[x]和[y]，然后從四個參考節點讀出坐標后再從目的地讀出標準參數（a，n，RSSI）。所有的參數在被寫入到一個定位器引擎中后，通過對計算器輸出的移動節點的坐標，根據參考節點之間的信號強度，3次計算從移動到參考節點的距離。把一個含有移動節點ID和定位數據的一個數據包分別發送到網絡中，完成了對距離的測量。圖5描述了CC2431定位引擎的定位過程。

經過改良的 RSSI算法大大增強了定位準確性，在保持參考節點與移動節點之間的距離基礎上增設了一個固定的節點，并針對其中的距離值進行計算，其主要目的是使用一個可以校正得到檢測出來的 RSSI值。則可有關系式：

P1=10RSSI1/10，p2=10RSSI2/10? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

如果N和B1相隔距離為f1，B1和B2相隔距離為f2，則有關系式：

P2/P1=（f1/f2）n? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

即? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?f1=（p2/p1）1/n*f2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

把公式（1）代入公式（3）可得：

f1=[10（RSSI2-RSSI1）/10]1/n*f2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

4 結論

本文對ZigBee井下定位系統進行了研究與設計，提高煤礦井下開采作業的質量和效率，減輕人員傷亡，提高作業安全性。使用 ZigBee 定位系統的成本較低，并且可以更精準地將其定位到所有的人員位置，減少了工作時間和費用，提高了實際的工作效率。但現階段ZigBee技術在煤礦井下定位信息系統中仍然有很大的改進工作空間，相信以后ZigBee技術在井下定位方面的應用一定會得到更好發展。

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收稿日期：2021-10-15

基金項目：國家級大學生創新創業項目名稱：基于RSSI算法改進的Zigbee井下定位系統研究與設計 （項目編號：202010959005 ）

作者簡介：徐懷芹（2000—），女，安徽鳳臺人，學生，學士，主要研究方向為無線通信;黃坤（1981——），男，安徽合肥人，小高，大專，主要研究方向為計算機、教育管理;楊義（2000—），男，安徽宿州人，學生，學士，主要研究方向為無線通信;朱素娜（1996—），女，安徽壽縣人，學生，學士，主要研究方向為無線通信。