基于ZigBee井下人员定位系统的节点错位布置方法

束仁义，陈 帅，刘立坤

（1.安徽大学 电子信息工程学院，安徽 合肥 230039；2.淮南师范学院 电气信息工程学院，安徽 淮南 232038）

1 引言

井下安全作业事关人民群众的生命和国家财产安全[1]。当发生矿井事故时，首要的事是救出井下工作人员，此时要知道井下人员的具体位置以便及时有效地抢救，所以必须设计出一套切实可行的井下人员定位系统。

无线传感器网络是一项新技术，由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通讯的方式形成多条自组织网络[2]。无线传感器网络可以应用于灾难预警和救助、环境监测和生物多样化勘测、智能楼宇、药品管理和卫生保健，信息通信业务等领域[3]。由于无线传感器网络容错性好、高可靠性以及是以数据为中心的网络，因此非常适合井下人员定位。

由于矿井下巷道错综复杂，节点数量众多，如果合理布置有效参考节点，可以节约大量成本。

2 人员定位系统的设计

煤矿定位系统主要由井上和井下两部分组成[4]。井上主要是监控中心，井下结合以太网并采用对等结网络拓扑结构，主要设备由1个无线定位骨干网以及大量移动目标节点和参考节点构成，系统总体架构图见图1。

图1 系统总体架构

基于ZigBee井下人员定位无线传感网络[5]由网关节点、参考节点和定位节点3部分组成。为了保证井下ZigBee网络的可靠性和稳定性，井下的长巷道将被多个ZigBee网络所覆盖，分别在巷道的两侧每隔50m就放置1个节点（称为参考节点），这样每个区域就会自动组成1个ZigBee通信子网，每个子网由4个参考节点、1个定位节点以及1个网关节点构成，定位节点由井下工作人员随身携带，因此也称为移动目标节点。这样，每个节点模块实现了至少可与两个以上的模块之间相互通信，从而保证了ZigBee网络无线通信的可靠性。此外，每个节点模块应当有1个唯一标识的地址。

3 节点错位布置设计

由于井下都是长长的巷道，因此通常将参考节点安放在通道两侧合适的位置点上。无线传感网络中各节点的资源有限，另外还受到随即部署和通信容易受到环境干扰的限制，所以本系统参考节点设置会选择以下两种方案，如图2和3所示。第一种情况是参考节点并排布置，当移动节点在通道内距离变化时，无论移动到哪个地方均可以转化到一个矩形区域内计算其位置。由于一个矩形区域内有4个参考节点，当知道定位节点到每个参考节点的距离时，可用三边测量法（Trilateration）或极大似然估计法（Multilateration）计算移动节点的位置。第二种情况是参考节点错位布置，这种布置的好处是节省参考节点，需要布置的参考节点数几乎是图2节点的一半。

图2 参考节点并排布置

图3 参考节点错位布置

估计定位节点的位置时，首先需要测出它到各个参考节点的位置。由于本文定位系统基于接收信号强度（RSSI）的定位方案，因此根据CC2430／CC2431无线寄存器内的RSSI值，再由已知的数学模型就可得到其距离值。设（x1，y1）是参考节点坐标，所求节点P的坐标为（x，y），则由两点间距离公式可得：

根据最小平方差[6]由下式可计算未知节点P的坐标：

在具体计算移动节点位置时考虑以下3种方法：

（1）依据图2，在一个无线传感网络子域中仅有4个参考节点，故取M＝4，利用（2）式即可求出定位节点的坐标；

（2）从4个参考节点中任取3个参考节点，利用3边测量法分别求出4个估计坐标，再取它们的平均值作为定位节点的估计坐标；

（3）根据图3错位布置节点，仅取3个参考节点，再用方法二的计算方法即可求出定位节点的坐标。

4 Matlab仿真及分析

图4 节点分布及其定位结果

实验模拟井下区域环境，在一个[0，3]×[0，50]的矩形区域中随机分布人员可能出现的20个位置，其中锚节点为矩形的4个顶点。利用上述3种方法分别对人员位置估计，进行MATLAB仿真，仿真结果见图4和图5。

图5 节点定位误差比较

由仿真结果可知，3种方法的定位精度相差不大，方法三的定位误差比方法二和方法三的定位结果略差。由图5可知在基于理想环境下的RSSI测距误差最大也只有在3.5m左右，因此对于井下人员的定位还是比较适宜的。

5 结语

本文在基于ZigBee技术井下人员定位系统下，提出了一种节点错位布置方法，利用该方法进行参考节点的布置，不仅降低了了定位系统的成本，而且在一定环境下能够满足对井下人员的定位要求，从而实现对目标的实时跟踪，进一步为井下工作人员提供了安全保障。

[1]李 蒙，李广宏，刁文广.无线传感网络煤矿井下人员定位系统设计[J].矿业安全与保护，2008，36（5）：31～33.

[2]李 辉，张晓光，高 顶.基于ZigBee的无线传感网络在矿井安全监测中的应用[J].仪表技术与传感器，2008（4）：33～35.

[3]Holger Karl，Andreas Willig.无线传感器网络协议与体系结构[M].北京：电子工业出版社，2007.

[4]郭秀才，滕以金，窦美玲.井下人员定位跟踪检测系统[J].兵工自动化，2009，28（4）：58～60.

[5]李文仲，段朝玉.ZigBee2006无线传感网络与无线定位实战[M].北京：北京航天航空大学出版社，2008.

[6]Hongyang Chen，Kaoru Sezaki，Ping Deng，et al.An Improve DV－Hop Localization Algorithm for Wireless Sensor Networks.Industrial Electronics and Application[M].IEEE Conference，2008.