湖南大學生研究性學習和創(chuàng)新性試驗計劃

1、湖南省大學生研究性學習和創(chuàng)新性實驗計劃項 目 結(jié) 題 報 告項目名稱： 基于Zigbee無線傳感網(wǎng)絡的礦井 人員定位系統(tǒng)設計 項目編號： 學生姓名： 鄧啟平 蔣良兵 所在學校和院系： 通信與控制工程系 項目實施時間： 2010年10月-2012年4月 指導教師: 方智文 譚周文 聯(lián)系電話: 填表日期： 2012-3-14 湖 南 省 教 育 廳2012年制 一、基本情況項目名稱基于zigbee無線傳感網(wǎng)絡的礦井人員定位系統(tǒng)設計立項時間2010年10月完成時間2012年4月 項目主要研究人員序號姓 名學號專業(yè)班級所在院（系）項目中的分 工1鄧啟平0840912308級電信一班通信與控制工程系上位

2、機軟件2蔣良兵0842123108級自動化二班通信與控制工程系下位機編寫345二、研究成果簡介項目研究的目的、意義:近年來，隨著對煤炭需求的高速增長，煤炭工業(yè)也得到了很大發(fā)展，但是煤礦重大、特大事故時有發(fā)生，仍未實現(xiàn)對災害事故的有效控制。事故發(fā)生后，準確判定井下生產(chǎn)作業(yè)人員的受困位置、遇險人員撤退路線、井下的環(huán)境監(jiān)測情況以及及時準確地制定救援方案，這對事故的救援是十分重要。在分析近期幾個煤礦發(fā)生的特大事故時發(fā)現(xiàn)主要原因有：（1） 地面與井下人員的信息溝通不及時；（2） 地面人員難以及時動態(tài)掌握井下人員的分布及作業(yè)情況，進行精確人員定位；（3） 一旦煤礦事故發(fā)生，搶

3、險救災、安全救護的效率低，搜救效果差。 從實際出發(fā)，本設計采用最新Zigbee無線網(wǎng)絡技術(shù)，能夠及時、準確的將井下各個區(qū)域人員的動態(tài)情況反映到地面計算機系統(tǒng)，使管理人員能夠隨時掌握井下人員的分布狀況，以便于進行更加合理的管理。當事故發(fā)生時，救援人員也可根據(jù)井下人員定位系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)、圖形，迅速了解有關(guān)人員的位置情況，及時采取相應的救援措施，提高應急救援工作的效率，可以較好地解決潛在的一些問題，具有一定的先進性和實用性。研究成果的主要內(nèi)容:1、構(gòu)建基于zigbee無線傳感網(wǎng)絡1.1、建立定位網(wǎng)絡zigBee網(wǎng)絡將這兩種物理設備在邏輯上又定義成為三類設備，即ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器

4、和ZigBee終端設備。根據(jù)現(xiàn)場實際需要，沿坑道每隔200米距離（與井下電源接口位置一致），在坑道適當位置（例如頂部）設置一個Zigbee網(wǎng)絡模塊（FFD,坑道中為路由器，井口為協(xié)調(diào)器），同時在其它需要定位人員身上配備一個Zigbee網(wǎng)絡模塊（RFD），該終端可由礦燈進行供電。Zigbee無線網(wǎng)絡布局如圖1所示：圖1 Zigbee無線網(wǎng)絡布局圖1.2、網(wǎng)絡終端的定位方法對自身網(wǎng)絡終端的定位方法：信號強度測距法RSSI (Received SignalStrength Indicator) 已知發(fā)射功率，在接收節(jié)點測量接收功率，計算傳播損耗，使用理論或經(jīng)驗的信號傳播模型將傳播損耗轉(zhuǎn)化為距離。通過

5、測量接收信號的強度，就能計算出收發(fā)節(jié)點間的大概距離。得到錨節(jié)點與未知節(jié)點之間的距離信息后，采用三邊測量法可計算出未知節(jié)點的位置。三邊計算的理論依據(jù)是，在三維空間中，知道了一個未知節(jié)點到三個以上錨節(jié)點的距離，就可以確定該點的坐標。CC2431芯片自身具有測定RSSI的功能. CC2431芯片具有內(nèi)置的RSSI (接收信號強度)指示器CC2431芯片的RSSI是一個8位的寄存器值, RSSI_VAL為轉(zhuǎn)換前RSSI功率值,單位為dB·m。其中RSSI_VAL可以轉(zhuǎn)化為與RF管腳相關(guān)的功率P. RSSI_OFFSET為與射頻模塊天線等因素有關(guān)的一個能量修正值,對于在不同的環(huán)境參數(shù)或具體的射

6、頻模塊來說,它的數(shù)值一般是不同的,需要對射頻模塊進行測距實驗進行測定.但當距離太遠時,由于RSSI值受到環(huán)境、多徑效應和節(jié)點自身增益等影響,收到的信號強度值與距離的關(guān)系很難穩(wěn)定得到,使測得的RSSI值將變得無效。因此在定位計算時,設定當接收到的場強低于某一值時,對接收到較小的場強值不予考慮，也即定位時該節(jié)點不參與計算.然后利用Matlab的多項式擬合函數(shù)進行，擬合的參數(shù)要根據(jù)實驗或適用的環(huán)境進行調(diào)整。2、無線傳感網(wǎng)絡與控制室實現(xiàn)485總線通信 網(wǎng)絡定位節(jié)點在有通信電纜的地方直接通過RS-485總線，與現(xiàn)有的通信電纜相連接，通過交換機再將信息上傳至終端管理計算機。因RS-485接口具有良好的抗噪

7、聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點就使其成為首選的串行接口。因為RS485接口組成的半雙工網(wǎng)絡一般只需二根連線，所以RS485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。3、上位機監(jiān)控軟件系統(tǒng)軟件采用VC6.0實現(xiàn)后臺模擬系統(tǒng)，如圖2所示。礦井人員位置信息、查找人員當前位置并由軟件進行實時分析處理并在計算機屏幕上實時顯示。數(shù)據(jù)查詢和管理功能主要通過各種原始數(shù)據(jù)進行檢索，能查詢?nèi)我痪氯藛T當前位置所處的位置，主要是利用程序里對定位節(jié)點坐標保存的數(shù)據(jù)進行查詢和處理來實現(xiàn)?？记诠芾砉δ芸梢詫崿F(xiàn)對礦井人員下井和升井的次數(shù)進行統(tǒng)計，此功能的實現(xiàn)主要是對于各個點數(shù)據(jù)有無進行判斷。圖 2 定位軟件成果的創(chuàng)新特色：1、

8、在硬件選型上，從功耗、成本、通信范圍、處理器方面比較了幾種常見的ZigBee芯片，選用了休眠電流較小，通信距離較遠的CC2430和CC2431芯片。2、定位算法上采用基于CC2431的RSSI(信號強度測距法)測出定位節(jié)點與參考節(jié)點的距離，再利用三邊測量法計算出未知定位節(jié)點的坐標。利用RSSI測距，定位測量時間段定位實時性更好。3、傳輸上是采用485總線，它具有高抗干擾能力、高傳輸速度及長距離的傳輸距離，加強了對井下環(huán)境的適應能力并且能快速的把井下作業(yè)人員的情況反映到上位機，達到井上井下同步的效果。4、上位機軟件使用C+編寫，更加易懂，又由于其有比較完整的庫封裝，更加方便軟件的維護工作。成果的

9、實踐意義和社會影響：由于煤礦安全防護設備的陳舊老化以及安全設施的不足，在出現(xiàn)礦井事故的時候，往往造成大量的人員及財產(chǎn)損失，煤礦的安全問題亟待解決。目前存在的應用于井下的有線和無線的通信方式，不能及時地提供井下作業(yè)人員的動態(tài)分布及作業(yè)情況等信息，一旦事故發(fā)生，很難有效展開救援工作。因此準確及時地獲得井下人員的位置信息，具有重要的實際意義。本項目以CC2430和CC2431為硬件基礎，實現(xiàn)了對井下人員的查詢及當前位置定位和查詢的功能，有效的提高了對井下人員的作業(yè)情況及安全情況的掌握，當遇到特殊情況或是安全事故時，可以更加方便了井上人員對井下人員的安全情況的了解以提高了實施救助工作的開展。研究成果：

10、1、 公開發(fā)表論文一篇；2、 Zigbee無線傳感器一套；3、 上位機定位軟件一套；三、項目研究總結(jié)報告預定計劃執(zhí)行情況：一、2010年5月-2010年10月對項目進行理論研究和方案論證。通過調(diào)研、查閱文獻和技術(shù)手冊，熟悉Zigbee的工作原理及關(guān)鍵技術(shù)，建立理論基礎，確立設計方案。二、2010年10月-2011年12月對項目方案中的硬件電路和軟件程序進行調(diào)試。其中硬件電路設計，主要包括Zigbee全功能設備單元、Zigbee簡化功能設備單元、Zigbee無線網(wǎng)絡的設置以及RS485與上位機的接口電路。軟件主要包括：zigbee協(xié)議、Zigbee簡化功能設備單元的測距定位、Zigbee網(wǎng)絡的通

11、信、RS485通信、上位機操作平臺。項目研究和實踐情況：1、實現(xiàn)了無線網(wǎng)絡的組網(wǎng)，通過一個CC2430建立一個無線網(wǎng)絡、其他幾個CC2430以路由的形式加入網(wǎng)絡，定位節(jié)點再通過路由加入無線網(wǎng)絡。2、定位實現(xiàn)，幾個參考節(jié)點根據(jù)其所在位置設置相應的固定坐標，定位節(jié)點利用CC2431的信號強度測距法算出到各個參考節(jié)點的距離，并通過距離和參考點的坐標確定定位節(jié)點的坐標。3、串口通信，無線網(wǎng)絡將定位節(jié)點坐標傳給無線網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)利用串口和PC機進行通信將節(jié)點ID號和坐標位置傳遞給PC機。4、上位機軟件數(shù)據(jù)保存與顯示，上位機接收串口信息并以文件形式保存數(shù)據(jù)，在顯示時通過從文件中獲得各個節(jié)點的坐標，并實現(xiàn)地面坐

12、標到顯示坐標的轉(zhuǎn)變最后顯示在上位機上。5、人員定位查詢，通過對文件里面保存的數(shù)據(jù)查詢來獲得要求查詢?nèi)藛T的坐標，并且顯示在顯示區(qū)的界面中，這樣可以一目了然的看到所查詢?nèi)藛T所在位置。工作中取得的主要成績和收獲：1、 主要成績：完成了上位機軟件的編寫，Zigbee無線傳感網(wǎng)絡設計及無線定位的實現(xiàn)，完成定位模型一組并公開發(fā)表論文一篇。2、 主要收獲：（1）使用VC 6.0進行上位機軟件開發(fā)，其中主要學習利用COM組件和多線程進行串口通信設置、文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)保存和讀寫以及GDI進行圖形的繪制定位節(jié)點顯示；（2）利用zigbee模塊CC2430和CC2431的組網(wǎng)，了解到無線網(wǎng)絡組建流程。同時通過Zigbe

13、e無線的標準協(xié)議棧的開發(fā)應用，協(xié)議棧中主要包括應用層的任務添加和每層的事件及各個事件的屬性。（3）了解了項目開發(fā)流程，在項目開發(fā)之前我們需要做好每一步的計劃，磨刀不誤砍柴工，好的計劃能夠更好的幫助完成。（4）經(jīng)過了一個真正項目的開發(fā)，讓我明白了對于未知的領域并不需要害怕，只要的是征服的自信，遇到問題解決問題。研究工作的不足：1、由于上位機軟件設計經(jīng)驗有限，軟件設計時主要關(guān)注于功能的實現(xiàn)，加上界面設計功底欠缺，所以外觀設計不夠漂亮。2、由于無線網(wǎng)絡的穩(wěn)定性較差，而不同條件對于無線的影響也不同。由于環(huán)境對無線信號強度的干擾，CC2431的基于信號強度測距法（RSSI）也存在一定的誤差，所以做定位實

14、驗時可能會在一定范圍內(nèi)跳動。尚需深入研究的問題： 1、軟件中對人員定位查詢，是利用ID號對定位節(jié)點進行查詢，若建立數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)保存，通過人與ID號的對應，通過輸入人名來查詢會更合適。 2、定位算法的優(yōu)化，由于外界條件對無線信號影響，在不同的條件下定位效果也不盡相同，通過實際的測試來優(yōu)化定位算法，盡量縮小定位的誤差。研究工作中的困難、問題：1、開始時，由于基礎知識的欠缺對于設計不知道從何下手，后面在老師的指導下查閱相關(guān)資料，學習VC的MFC編程進行界面設計。通過一段時間的學習，選擇了利用VC 6.0中Windows提供的API函數(shù)進行界面設計，如：GDI函數(shù)繪制定位點和背景，文件讀寫函數(shù)進行數(shù)據(jù)的文件保存使用等。2、項目初期網(wǎng)上關(guān)于zigbee無線網(wǎng)絡的資料相對較少，而Zigbee無線網(wǎng)絡的建立牽扯到復雜的協(xié)議棧的應用，進行無線組網(wǎng)需要對Zigbee無線協(xié)議有較為深入的了解，學習起來比較吃力，所以進展很慢。3、設備價格昂貴，開發(fā)經(jīng)費比較緊張。四、經(jīng)費使用情況經(jīng)費合計12685元，其中，學校配套資助 2685 元，學院（所）配套資助 0元，其他經(jīng)費 10000 元。經(jīng)費支出情況：1