徐怀芹 黄坤 杨义 朱素娜

摘要：为了准确实时监控井下的内部环境空气状态变化情况，精确地实时定位井下全体工作人员的井下撤退移动位置，以及在井下遇到危险后合理地准确规划井下撤退移动路径，研究人员设计了基于ZigBee的井下全体工作人员的全自动化撤退定位系统。该传输系统主要使用ZigBee无线技术，实现冗余的无线化和网络化方便地进行传输数据。ZigBee井下定位系统的组成部分主要有井下定位检测站、身份信息标志显示卡、集中器和井下监控系统主机等，以便于实现井下工作人员实时所在位置的井下信息实时采集，并通过井下集中器直接向上层定位机进行传输，为及时预防井下事故、排除安全隐患、抢险救灾等井下工作人员活动提供方便。该文主要对RSSI算法进行改进，提高了人员定位的速度和精确度。

关键词：井下;人员定位;改进的RSSI算法

中图分类号：TP391      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）04-0123-02

1 定位系统总体框架

在基于ZigBee的井下定位工作人员的全自动化井下定位检测监控管理系统中，包括自动监测站、移动监控节点、参考站和网络移动节点、协调器、Web服务器等。井下人员对基站进行定位信息系统的一个基本原理就是把无线基站预先地分配好，并且将基站的位置通过测量器存储到电脑中。而且一般在井下工作的人员都可以随身携带一张身份证卡，身份卡会不断发送射频信号，其中包含员工的基本信息和所在位置。通过线路传输到距离最近的上级定位点，然后逐级传递，直到传到地面控制中心处理点结束。管理工作人员可以通过系统对数据进行实时定位，对井下人员进行实时监控。井上的呼叫可以通过设备立即送到井下，在紧急情况下，井下操作员可以随时呼叫井上的经理或值班人员，这是双向、实时的。基站接收到的信号是强度指示信息，为了能够实现精准的井下工作人员自动定位，系统可以通过对信号强度确切地计算得出基站工作人员和井下基站之间的距离，系统不间断地运行，确保了工作人员的地理位置和信息进行了实时的更新，实现对井下工作人员的自動跟踪和定位。

2.定位系统的硬件设计

2.1参考节点的硬件设计

参考节点是一种坐标学上已知的固定装置，并且它们分布在井中的各个关键位置。它的作用就是在整个井下网络中完成路由的功能，并且可以在每一个节点之间进行数据的传送。参考节点周期性对外发射信号的同时，接收移动节点发射的位置信号。移动节点无线信号强度的实时监测，监测分析结果可以直接影响或者间接通过学习其他相邻参考节点逐条发送给协调器。参考位置节点组成部分如图2，主要包括：

（1）电池电源：为参考节点提供电源;

（2）ZIgBee模块：CC2530;

（3）三个指示设备：具有信号接收、处理和记录等功能的设备;

（4）ZigBee无线功率放大器：增强发射功率;

（5）数据存储模块：存储进入该参考节点的网络用户ID，同时记录定位结果。

2.2移动节点的硬件设计

移动的节点不是固定的，能够随意在井下移动。为了确定每一个移动节点的位置和坐标，移动节点会将定位到该区域内所有探测站的 RSSI值，通过定位算法进行测量并多次平均的计算方法进行测算其中各个坐标的位置。移动节点卡是一种由工作人员自己携带的身份证卡体积小、质量轻、方便携带并具备了报警功能。通过声光的形式对指示灯进行报警，当发生声光时Led 指示灯的颜色会闪烁并且发出声音。而且通过LED灯的颜色不同判断工作人员所处的状态。CPU选用成都天龙公司的 CC2431 芯片，CC2431具有 Motorola 国际拥有执照的定位软件进行检测系统的硬件设计核心定位精度为0.25米。与CC2430相比，其结构增加了一个定位引擎，使用参考节点和RSSI坐标，通过三次测量，误差控制小于5%，确定移动节点的坐标位置。然而由 CC2431 制作的定位系统必须要求至少八个参照节点构建一个无线定位网络。

3 定位系统的软件设计

3.1参考节点的软件设计

参考节点指的是在位置上已经知道且固定的节点，必须进行正确地配置并且分布在不同区域地理位置中。协调器首先需要通过配置参考节点的位置坐标，其次需要设置移动节点的环境参数。将参考节点作为移动节点的位置参考节点，通过多次采集这些信号的 RSSI 值，过滤去除一些分离群节点，将其平均值和自身的坐标信息存储在数据包中，再发送到相应的参考节点。其实现的特征包括：自动地发现和加入网络，发送 RSSI值的信息包和一个包含自己位置[x]、[y]坐标给移动节点。转发定位网络系统中的数据信息，具备在断电后对其进行保留信息的记录功能。

3.2移动节点的软件设计

移动节点上电后，系统初始化完成。移动节点周期性地将位置请求发送到周围的参考节点，等待其他参考节点做出响应。参考节点如果检测到有移动节点进入其覆盖区域，就与其建立通讯关系，向移动节点发送返回值。如果移动节点不能正常接收发送给它的返回值，就会自动继续向周围的一个节点进行发送并对定位后的信息发出请求。如果一个正在移动的接收节点的接收器看不到它的返回值，则认为已经加入网络。CC2431利用定位引擎计算出移动网络中各个节点之间的位置。在该程序中使用了一个定位导航引擎后，移动四个节点先从参考四个节点上读出坐标[x]和[y]，然后从四个参考节点读出坐标后再从目的地读出标准参数（a，n，RSSI）。所有的参数在被写入到一个定位器引擎中后，通过对计算器输出的移动节点的坐标，根据参考节点之间的信号强度，3次计算从移动到参考节点的距离。把一个含有移动节点ID和定位数据的一个数据包分别发送到网络中，完成了对距离的测量。图5描述了CC2431定位引擎的定位过程。

经过改良的 RSSI算法大大增强了定位准确性，在保持参考节点与移动节点之间的距离基础上增设了一个固定的节点，并针对其中的距离值进行计算，其主要目的是使用一个可以校正得到检测出来的 RSSI值。则可有关系式：

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

如果N和B1相隔距离为f1，B1和B2相隔距离为f2，则有关系式：

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 結论

本文对ZigBee井下定位系统进行了研究与设计，提高煤矿井下开采作业的质量和效率，减轻人员伤亡，提高作业安全性。使用 ZigBee 定位系统的成本较低，并且可以更精准地将其定位到所有的人员位置，减少了工作时间和费用，提高了实际的工作效率。但现阶段ZigBee技术在煤矿井下定位信息系统中仍然有很大的改进工作空间，相信以后ZigBee技术在井下定位方面的应用一定会得到更好发展。

参考文献：

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[2] 刘志高，李春文，耿少博，等.带盲区巷道网络人员全局定位系统[J].煤炭学报，2010，35（S1）：236-242.

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[4] 韩东升，杨维，刘洋，等.煤矿井下基于RSSI的加权质心定位算法[J].煤炭学报，2013，38（3）：522-528.

[5] 谢晓佳，程丽君，王勇.基于Zigbee网络平台的井下人员跟踪定位系统[J].煤炭学报，2007，32（8）：884-888.

[6] 彭力.无线传感器网络原理与应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2014.

收稿日期：2021-10-15

基金项目：国家级大学生创新创业项目名称：基于RSSI算法改进的Zigbee井下定位系统研究与设计 （项目编号：202010959005 ）

作者简介：徐怀芹（2000—），女，安徽凤台人，学生，学士，主要研究方向为无线通信;黄坤（1981——），男，安徽合肥人，小高，大专，主要研究方向为计算机、教育管理;杨义（2000—），男，安徽宿州人，学生，学士，主要研究方向为无线通信;朱素娜（1996—），女，安徽寿县人，学生，学士，主要研究方向为无线通信。