高伟霞,张永峰,韩新凤

（安徽科技学院 理学院，安徽 凤阳 233100）

基于ZigBee的矿井人员定位系统的设计

高伟霞,张永峰,韩新凤

（安徽科技学院 理学院，安徽 凤阳 233100）

针对目前矿井安全存在的问题，以CC2530芯片为系统核心模块，完成了矿井下人员定位系统的设计.该设计可以实现矿井人员定位、考勤和报警等功能，用于实现安全预警，资源调配和高效救援.

ZigBee；矿井；节点；人员定位

瓦斯爆炸，井下突水等安全隐患造成的煤矿伤亡事故不断，造成大量井下作业人员的伤亡，严重影响矿井安全生产[1,2].基于RFID的井下人员定位系统被现阶段我国大部分煤矿采用，该系统主要完成人员考勤功能，存在漏检现象，井下人员的动态分布，特别是事故发生后精确的人员定位难以实现.因此，基于ZigBee和CAN总线的井下人员定位系统的开发，成为井下人员定位监测系统的迫切需求.

1 系统设计

1.1 系统设计原理

通过系统的管理，掌握矿井人员的实时位置和运动轨迹，跟踪、查找和调用井下人员，增强煤矿安全工作的规范，提升应付突发事件的处置能力.由于ZigBee是一种新的短距离，低速率无线网络技术，具有以下特点：低功耗，低成本，低速率，短延时，网络容量大，高可靠性，高安全性等[3,4]，因此，选择ZigBee技术的设计矿井人员定位管理系统，包括一个短距离、多跳、自组织无线管理系统.

系统主要完成对井下人员定位的监测.在井下安装CAN节点，在巷道安装若干个无线基站，此基站具有数据转发和路由功能；入井人员佩带的安全帽或腰带，采用CC2530模块内置定位引擎，并具有唯一ID地址用来识别身份和位置信息.当入井人员在巷道或工作面等区域活动时，安全帽或腰带中身份卡定时发送射频信号，此信号进入无线基站覆盖的范围，基站提取该信号的时间、身份卡ID、位置等信息；然后该基站按Zigbee协议自组无线网络，将信息转发至下一个或若干无线基站，最终接入CAN节点.该节点通过CAN总线将信息传输到服务器.服务器对数据进行分析，确定并记录入井人员的位置、时间等信息.

通过系统不间断、定时的获取矿井人员的位置信息，用电子地图描绘其活动轨迹，定时监测特定区域人数，实现矿井人员跟踪功能；一旦出现突发事件，立即启动应急预案，实现紧急处置的功能.

无线定位网络主要由定位节点、定位读写器，ZigBee通信基站、服务器和远程客户组成，如图1所示.其中，通信基站安装在巷道壁上，与CAN总线相连，通信基站分CAN节点、微控制器、ZigBee节点3个部分，ZigBee节点为全功能设备（FFD），定位节点为精简功能设备（RFD），RFD只能充当终端设备，且内置

定位引擎；FFD可以与RFD或其他FFD通信，但RFD却只能与FFD通信，由这三类节点组成以数据为中心的无线定位网络.定位节点与参考节点通信距离可达60m，参考节点与网关节点通信距离可达200m，可以实现一点对多点的快速组网；所有定位信息通过网关传输至以IP地址为中心的有线以太网络，完成了两种网络模式的信息融合，体现了有线以太网络的“无线延伸”.

图1 矿井人员定位系统示意图

1.2 系统功能设计

矿井人员定位跟踪系统设置功能：工作人员在井口通道上安装定位读写器（参考节点）.当工作人员通过时，系统立刻记录下通过人员相关信息，对井下人员进行定位，实时地监控井下人员的具体位置(误差范围内);能够进行人员下井考勤与相应时间、地点的统计.其它附设功能：在定位节点上设置紧急呼叫按钮，以便相关人员遭遇突发事件时，可以紧急呼叫，以获得监控中心支援.

1.3 系统结构设计

系统结构的设计分为数据采集层，数据存储层，分析层和信息表示层四个结构体系.

系统的关键环节是数据采集层：入井人员位置和状态信息的采集通过ZigBee无线定位网络实现，然后以数据为中心组建无线网络，并通过路由节点将信息传到监控主机加以处理.

数据存储层完成对来自数据采集层的所有数据的存储和更新，为后面的分析层提供数据支撑.

分析层综合处理数据存储层各种信息，分析人员的活动情况，判断活动是否正常，对各种突发事件进行报警.

信息表示层将分析决策层的处理结果通过服务器实时发布到网上，实现远程监控.

2 系统硬件节点设计

工作人员定位跟踪系统由三类节点组成：一是定位节点，即为移动节点或称终端节点，其位置随时变化的，可做成矿帽式或腰带式标签，具体位置由CC2530内置的定位引擎，通过接收参考节点的接收信号强度显示（RSSI）值，经过定位算法计算而得到，一般而言，参考节点越多，定位精度越高.二是参考节点，即为已知位置的节点，其物理位置是固定的.采用CC2530设计，或称路由节点；它为定位节点提供其坐标和RSSI平均值.三是网关节点，采用CC2530与网络扩展器进行设计，或称协调器节点；它作为数据收发基站能组建一个ZigBee网络，将定位节点坐标及外部环境参数传给地面计算机.

2.1 定位节点与参考节点设计

2.2.1 定位节点设计

矿帽式或腰带式等标签（RFD设备）是有源电子标签，由入井人员佩戴，用于定位.由带有USB控制器的CC2531芯片制成，工作频段为2.4GHzISM，实现多跳自组无线网络.设置求助按钮，可随时向监控中心报告突发事件.设计声光报警功能和电池低压告警功能，在发生告警后，系统可向指定标签发送信息.

2.2.2 参考节点设计

参考节点（FFD设备）固定安装在需要无线信号覆盖的区域，采集定位节点的信号，集中上传给网关节点.采用铸铝外壳起到防雨、防静电作用，芯片为CC2530模块，.通过多个参考节点之间的多跳级联成无线自组网，与网并节点通信距离可达1000m.根据监测区实际现场情况，划定和调节信号覆盖区域，自动定时回报状态信息，实时传送区域内人员定位信息.采用外接12V电源与内置3Ah锂电池相结合的供电方式，无外接电源可工作12h以上，同时设置防拆卸报警功能.一个定位区域通常由8个参考节点组成，系统至少有3-4个参考节点才能进行定位.

2.2 网关节点设计

在井下监控范围内，组建无线定位网络的基站，即安装网关节点（FFD设备），发布管理节点的监测任务，由CC2530芯片为核心的模块完成数据处理，CAN控制器与收发器负责与主机通信.

3 系统软件设计

ZigBee定位一般采用是RSSI(Recevied Signal Strength Index)定位算法，该方法是根据电磁波信号强度与传输距离存在指数衰减的关系，并由此来确定未知节点距基站距离.

RSSI值会随着距离的增加按如式递减：

式中n为信号传播常数，受信号的传输环境影响；d为接收节点与发送节点之间的距离；A为距离发送节点1米时的信号强度.

在实际定位区域进行测量计算，预先设定参数A和n的取值.由于发射节点和接收节点天线的各向性，A的值并不一定相同，因此需要多次测量取平均值.n的值是不断变化的，与信号传播环境有关，需要先在定位区域通过测量得到一组n值，然后在参考节点布置好以后，尝试使用不同的值来寻找一个最适合该区域环境的值.

RSSI值由于受到视距和多径等外界环境因素影响，会具有比较大的波动性，因此首先进行滤波处理，得到一个比较准确的值再进行计算.本方案采用高斯滤波模型进行RSSI滤波.

高概率发生区，选择概率大于0.6的范围（一般工程中的经验值为0.6）.经过高斯滤波后，RSSI的取值范围为[0.15σ+μ，3.09σ+μ]，其中：

然后再把该范围内的RSSI值取出，求几何平均值，得到最终的RSSI值，最后参考节点把这个RSSI值以及本节点的网络地址ID一起发送到移动目标节点.

本系统通过线性回归分析对参数进行优化，通过高斯滤波对RSSI值进行修正，提高测距精度.其优点；容易提取，与距离成单调性关系.

4 结束语

采用基于RSSI定位算法的ZigBee定位系统，实现人员定位检测、运动轨迹显示等功能，有效地提高了监控水平，可以实现矿井人员定位、考勤和报警等功能，用于实现安全预警，资源调配和高效救援，有一定实用价值.但是，因井下无线信号的多径传播的衰减和时延特性[5]，某种程度上阻碍了无线定位技术的应用，需要对系统设计进行一定的改进.

〔1〕周邦军.煤矿安全监测监控系统的发展历程和趋势[J].煤矿安全与环保,2007,37(z1):75-77.

〔2〕李继林.煤矿安全监控系统的现状与发展趋势[J].煤炭技术,2008,27(11):3-5.

〔3〕苟怡,郭海军.精确定位技术在煤矿井下的应用研究[J].中国煤炭,2010(8):73-75．

〔4〕周怡寤,凌志浩,吴勤勤.ZigBee无线通信技术及其应用探讨[J].自动化仪表,2005,26(6):7-11.

〔5〕张会清,刘林,王普,任明荣，等.隧道中无线电波多径传播特性及仿真[J].电子测量与仪器学报,2008(S2):278-283.

TP29

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1673-260X（2014）02-0014-02