ZigBee技術(shù)及其在井下人員定位系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、ZigBee技術(shù)及其在井下人員定位系統(tǒng)中的應(yīng)用    作者：王志中，董愛華    摘要：在煤礦井下發(fā)生安全事故后，及時(shí)準(zhǔn)確地獲知井下作業(yè)人員的位置信息是至關(guān)重要的。本文在介紹了ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)、協(xié)議和組網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上。提出了將ZigBee技術(shù)運(yùn)用于煤礦井下定位系統(tǒng)，組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建井下人員無線定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。    關(guān)鍵詞：Zigbee技術(shù)；人員定位；CAN總線    0 引言   

2、60;安 全是一個(gè)永恒的話題。安全生產(chǎn)是社會(huì)進(jìn)步和人類發(fā)展的重要保證。盡管20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)為未來的進(jìn)步構(gòu)筑了堅(jiān)實(shí)的平臺(tái)，新的采礦方法和技術(shù)將不斷 被采用、采礦業(yè)將向智能化和無人化的方向發(fā)展。但是，目前傳統(tǒng)的采礦方法依然占據(jù)著主導(dǎo)地位，是其他采礦方法在短時(shí)間內(nèi)仍無法完全替代的，傳統(tǒng)的采礦方法 所面臨的安全問題仍將困擾著人類。由于缺乏對(duì)入井人員的有效檢測、定位手段，難以及時(shí)掌握井下人員的動(dòng)態(tài)分布及作業(yè)情況。一旦發(fā)生事故，對(duì)井下人員的搶救 缺乏可靠信息，搶險(xiǎn)救災(zāi)、安全救護(hù)的成功率低，造成重大的人員傷亡。這些問題的存在迫切的要求我們建立一種既經(jīng)濟(jì)實(shí)用又安全可靠的井下人員定位系統(tǒng)。 

3、   目 前，礦井無線通信技術(shù)主要有透地通信技術(shù)、中遠(yuǎn)距離射頻感應(yīng)通信技術(shù)、漏泄通信技術(shù)以及礦井移動(dòng)通信技術(shù)等。上述技術(shù)有的成本較高，有的功耗相對(duì)較大，還 有的抗干擾能力相對(duì)較差等一些不足，在很大程度上阻礙了在礦業(yè)行業(yè)的推廣應(yīng)用。本文提出了一種基于ZigBee技術(shù)的煤礦井下無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)成功解決上 述問題。    1 ZigBee技術(shù)及定位方法    1.1 ZigBee技術(shù)    ZigBee 的名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，

4、蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈來通知發(fā)現(xiàn)的新食物源的位置、距離和方向等信息，以此作為新一代無線 通訊技術(shù)的名稱。ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌 入各種設(shè)備，面向的應(yīng)用領(lǐng)域是,低速率無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(LRWPAN, Low Rate Wireless Personal Area Network)，目的是為了滿足小型廉價(jià)設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制。    ZigBee與同類技術(shù)相比，具有許多特點(diǎn)，其主要特點(diǎn)如表1所示。    表

5、1 ZigBee的特點(diǎn)        ZigBee 技術(shù)是基于IEEE 80215. 4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)，IEEE 802. 15. 4僅處理MAC (Medium Access Control)層和物理層協(xié)議，ZigBee聯(lián)盟對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API(Application Programming Interface)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。ZigBee是由ZigBee Alliance所主導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)，定義了網(wǎng)絡(luò)層(Network Layer)、安全層(Security, Layer)、應(yīng)

6、用層(Application Layer)、以及各種應(yīng)用產(chǎn)品的資料；而由國際電子電機(jī)工程協(xié)會(huì)(IEEE)所制訂的802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，則是定義了物理層(PHY Layer)及媒體存取層(Media Access Control Layer；MAC Layer)。如圖1所示。        圖1 ZigBee協(xié)議棧    應(yīng)用層定義了各種類型的應(yīng)用業(yè)務(wù)，是協(xié)議棧的最上層用戶。    應(yīng)用匯聚層負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)層上，包

7、括安全與鑒權(quán)、多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的匯聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)和業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。    網(wǎng)絡(luò)層的功能包括拓?fù)涔芾?、MAC：管理、路由管理和安全管理。    數(shù) 據(jù)鏈路層又可分為邏輯鏈路控制子層(LLC)和媒介接入控制子層(MAC)。IEEE802.15.4的LLC子層與IEEE802.2的相同，其功能包 括傳輸可靠性保障、數(shù)據(jù)包的分段與重組、數(shù)據(jù)包的順序傳輸。IEEE802.15.4 MAC子層通過SSCS(Service-Specific Convergence Sub-layer)協(xié)議能支持多種LLC標(biāo)準(zhǔn)，其功能包括設(shè)備間無線鏈路的建

8、立、維護(hù)和拆除，確認(rèn)模式的幀傳送與接收，信道接入控制、幀校驗(yàn)、預(yù)留時(shí)隙 管理和廣播信息管理。    物理層采用DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴(kuò)頻)技術(shù)，定義了3種流量等級(jí)：當(dāng)頻率采用2.4GHz時(shí)，使用16信道，能夠提供250kbit/s的傳輸速率；當(dāng)采用 915MHz時(shí)，使用10信道，能夠提供40kbit/s的傳輸速率；當(dāng)采用868MHz時(shí)，使用單信道，能夠提供20kbit/s的傳輸速率。    ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渲饕行菭?、網(wǎng)狀和混合狀。星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有

9、組網(wǎng)簡單、成本低、電池使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)，但網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍有限，可靠性不及網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一旦中心 節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，所有與之相連的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信都將中斷。而網(wǎng)狀拓?fù)渚哂锌煽啃愿?、覆蓋范圍太的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是電池使用壽命短、路由管理復(fù)雜。混合狀拓?fù)渚C 合了以上兩種拓?fù)涞奶攸c(diǎn)，這種組網(wǎng)通常會(huì)使ZigBee網(wǎng)絡(luò)更加靈活、高效、可靠。    1.2 定位方法    系 統(tǒng)采用的定位算法主要是基于信號(hào)強(qiáng)度測距法RSSI(Received Signal Strength Indicator)，在已知發(fā)射功率的情況下，在接收點(diǎn)測量接收功率

10、，通過測量接收到的信號(hào)強(qiáng)度可以推算出井下移動(dòng)物體到基站的距離，計(jì)算傳播損耗，使 用理論和經(jīng)驗(yàn)的信號(hào)傳播模型將傳播損耗轉(zhuǎn)化為距離。得到SDR(Short Distance Radio短距離無線通信設(shè)備)與BS(Base Station無線基站)之間的大概距離后，采用三邊測距法計(jì)算出SDR的位置。三邊計(jì)算的理論依據(jù)是，在三維空間中，知道了一個(gè)SDR設(shè)備到三個(gè)BS的 距離來確定該點(diǎn)的坐標(biāo)。三邊測距法在二維平面上用幾何圖形表示出來的意義是：當(dāng)?shù)玫轿粗?jié)點(diǎn)到一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離時(shí)，就可以確定此未知節(jié)點(diǎn)在以此錨節(jié)點(diǎn)為圓 心、以測得的距離為半徑的圓上；得到未知節(jié)點(diǎn)到3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離時(shí)，3個(gè)圓的交點(diǎn)就是未知節(jié)點(diǎn)的

11、位置。    當(dāng)移動(dòng)目標(biāo)在不同的位置發(fā) 射身份碼信號(hào)時(shí)，如果定位精度要求不高，坑道情況比較復(fù)雜時(shí)，且人員密度較高時(shí)，我們可以將任何一個(gè)接收到該移動(dòng)目標(biāo)身份碼信息的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置，當(dāng)作為移 動(dòng)目標(biāo)位置，這種方法往往需要較小的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間距(例如50m)和較小的無線身份模塊的發(fā)射功率。    當(dāng)定位精度要求較高，坑道環(huán)境 相對(duì)簡單時(shí)，則可使用兩點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度定位法；即當(dāng)移動(dòng)目標(biāo)在不同的位置發(fā)射身份碼信號(hào)時(shí)，處于該移動(dòng)目標(biāo)兩端的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，因距該移動(dòng)目標(biāo)距離遠(yuǎn)近的不同，所 收到的信號(hào)強(qiáng)度也不同。Zigbee網(wǎng)絡(luò)將把該移動(dòng)目標(biāo)身份碼

12、，以及在相應(yīng)的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接收到該身份碼時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度傳往控制中心。通過簡單計(jì)算，再加上 現(xiàn)場實(shí)測效正，很容易確定該移動(dòng)目標(biāo)的位置。在使用以上方法定位時(shí)，為了進(jìn)一步提高定位的準(zhǔn)確性，必要時(shí)，還需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收發(fā)機(jī)的接收靈 敏度和發(fā)射功率進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。為了確保通信的可靠性和減輕可能的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸流量，每個(gè)坑道的Zigbee網(wǎng)絡(luò)，除了自身通過無線方式與控制中心相連接 以外，還可在適當(dāng)?shù)牡胤脚c坑道的其它通信光纖或電纜相聯(lián)接。    2 定位系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)    該系統(tǒng)由井上和井下兩部分組成?；窘M成框圖如圖2

13、所示。        圖2 系統(tǒng)簡圖    2.1 井上部分    井上部分主要是地面控制中心，按照功能劃分為兩方面：實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和信息處理平臺(tái)。    實(shí) 時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)是整個(gè)智能化監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，監(jiān)管中心的計(jì)算機(jī)通過CAN接口標(biāo)準(zhǔn)與井下的固定監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)控系統(tǒng)功能主要為：完成監(jiān)控點(diǎn)的信息采 集、實(shí)時(shí)處理和存儲(chǔ)。從井下上傳的信息不但包括各類有害氣體的濃度數(shù)據(jù)，還包括井下工作人員和設(shè)備的位置

14、信息，這些龐大的數(shù)據(jù)經(jīng)過壓縮后都被保存在數(shù)據(jù)庫 中，是信息聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。    信息處理平臺(tái)主要負(fù)責(zé)各網(wǎng)絡(luò)傳輸節(jié)點(diǎn)所發(fā)信息的存儲(chǔ)，并能對(duì)信息進(jìn)行分析處理和顯示，將信息以網(wǎng)絡(luò)形式供其它有權(quán)限的成員查閱。    2.2 井下部分    井下部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心，分為以下幾個(gè)部分：固定定位基站、移動(dòng)定位標(biāo)志卡模塊、通訊部分和電源等。    各組成部分主要性能如下：    (1)固定定位基站：實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)識(shí)卡上

15、數(shù)據(jù)的采集，并通過有線和無線兩種方式將信息發(fā)送給信息處理平臺(tái)，同時(shí)承載其它無線基站數(shù)據(jù)信息的中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能。    (2)標(biāo)識(shí)卡模塊：下井人員隨身攜帶的無線標(biāo)志卡，記錄下井人員的個(gè)人信息，不斷的發(fā)射一定頻率的射頻信號(hào)。    (3) 通訊部分：由通訊線路和通訊接口等組成。通訊線路用礦用通訊電纜或礦用通訊光纖為信號(hào)的傳輸載體，在井下形成一個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)，將井下設(shè)備的采集到的信號(hào)傳輸 到井上。通訊接口由光電轉(zhuǎn)換器、通訊箱、通訊控制板等組成，其功能是將井下設(shè)備上傳的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。  &

16、#160; (4)電源：防爆穩(wěn)壓電源，對(duì)無線基站進(jìn)行供電。將井下非本安高壓交流電轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需的本安低壓直流電，并能夠在斷電情況下自動(dòng)使用蓄電池進(jìn)行供電，在通電情況下自動(dòng)給蓄電池進(jìn)行充電。    工作人員和重要設(shè)備上的ZigBee，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。井下人員可以通過攜帶的無線定位機(jī)向系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，監(jiān)控中心可以第一時(shí)間了解事故地點(diǎn)，采取行動(dòng)。監(jiān)控中心通過對(duì)井下巷道的監(jiān)視，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，第一時(shí)間向井下人員發(fā)出告警。    2.3 CAN總線    為 了更好的解決井

17、上信息處理中心與井下無線基站之間的數(shù)據(jù)傳輸通道問題。本設(shè)計(jì)采用CAN總線方式。CAN采用了新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與RS485相比具有 突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。CAN的雙向通信彌補(bǔ)了RS485半雙工通信的缺陷，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)位置信息的上傳，當(dāng)需要時(shí)還可以實(shí)時(shí)修改井下某監(jiān)控接點(diǎn) 信息。比較可知，RS-485網(wǎng)絡(luò)除了硬件成本、開發(fā)難度比CAN-BUS網(wǎng)絡(luò)稍具優(yōu)勢(shì)外，其他性能方面都沒有可比性。在產(chǎn)品更新速度特別快的今天，如果 將產(chǎn)品的上市時(shí)間，產(chǎn)品的后期維護(hù)軟件開發(fā)難度等計(jì)算在一起，RS-485的硬件成本優(yōu)勢(shì)也變得不十分明顯，因而用CAN總線取代RS-485總線是一種 比較徹底的方案。 &

18、#160;  2.4 設(shè)置方案    在本設(shè)計(jì)中，井下人員定位系統(tǒng)采用Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技 術(shù)，Zigbee讀寫器設(shè)置在人員出入的井口及井下主要巷道的分岔口、各工作面入口等關(guān)鍵部位，其數(shù)量和密度決定了人員定位的精確程度，一般是根據(jù)現(xiàn)場實(shí) 際需要，沿坑道每隔200m距離(與井下電源接口位置一致)，工作面距離則可降低為50m在坑道適當(dāng)位置(例如頂部)，所安置的網(wǎng)絡(luò)模塊將自動(dòng)組成一個(gè) Zigbee通信網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)際就是一個(gè)定位網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)定位點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可通過自動(dòng)讀取移動(dòng)目標(biāo)的信息和信號(hào)強(qiáng)度，來確定移動(dòng) 目標(biāo)的位置

19、信息，網(wǎng)絡(luò)定位節(jié)點(diǎn)在已有通信電纜的地方直接通過RS-232接口與CAN總線或現(xiàn)有的通信電纜相連接，再通過交換機(jī)將信息上傳至終端管理計(jì)算 機(jī)。通過井下人員跟蹤定位軟件系統(tǒng)處理，實(shí)現(xiàn)人員跟蹤定位系統(tǒng)的全部功能。    3 軟件設(shè)計(jì)    作為整個(gè)定位系統(tǒng)的一部分，軟件的設(shè)計(jì)具有極其重要的地位。本設(shè)計(jì)的軟件部分由以下幾部分組成：數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)、地面報(bào)警顯示子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、傳感器信號(hào)監(jiān)控子系統(tǒng)、井下人員定位子系統(tǒng)。    數(shù)據(jù)庫管理部分：數(shù)據(jù)庫模塊是整個(gè)軟件的基礎(chǔ)與核心部分，根

20、據(jù)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)人員信息數(shù)據(jù)庫，地理信息數(shù)據(jù)庫和參數(shù)數(shù)據(jù)庫。這三個(gè)部分分別用于存儲(chǔ)不同類型的數(shù)據(jù)信息。    地 面報(bào)警顯示子系統(tǒng)：當(dāng)發(fā)現(xiàn)有人失蹤或有緊急事故等情況時(shí)發(fā)出報(bào)警。緊急撤離信號(hào)只有離開危險(xiǎn)區(qū)域后才會(huì)解除。而尋呼功能是在提示一段時(shí)間后或按緊呼鍵后自 動(dòng)撤消。緊急呼叫和尋呼方式均采用信號(hào)互控方式，保證在收到尋呼信息和緊急撤離通知信號(hào)后信息處理平臺(tái)上有指示并能形成記錄供查閱。    通 信軟件是整個(gè)系統(tǒng)軟件的核心部分，關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。數(shù)據(jù)無論在哪個(gè)環(huán)節(jié)都是不能丟失的。在定位分站與中心站主機(jī)通信過程中，為

21、了保證數(shù)據(jù)可靠地被中 心站收到，采用了確認(rèn)信息傳輸?shù)姆椒?，分站傳完一條數(shù)據(jù)，即卡號(hào)、天線號(hào)、時(shí)間信息后，等待中心站的確認(rèn)信息，如收到中心站的確認(rèn)信息后，則刪除這條信 息，否則下次仍繼續(xù)發(fā)送該條信息，以保證歷史數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。    人員定位軟件系統(tǒng)由操作界面，以及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組成。當(dāng)檢測到有信號(hào)傳 輸過來之后，立即執(zhí)行相應(yīng)的程序，數(shù)據(jù)庫中如果有信息則自動(dòng)讀取并發(fā)送到通信平臺(tái)，如有控制信息也寫到指定區(qū)域，程序檢測到以后發(fā)出控制命令，以把相應(yīng)的 信息顯示到電腦或顯示屏上，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。    標(biāo)志卡和讀寫器部分軟件：標(biāo)志卡主要是完成緊急呼叫的檢測、緊急撤離和尋呼信號(hào)的指示。讀寫器主要接收標(biāo)志卡發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。其