基于ZigBee无线网络的井下人员定位系统的设计

刘明亮

（淮南矿业集团顾桥矿综采二队,安徽 淮南 232001）

0 引言

目前，煤炭在我国的能源组成中占据着十分重要的地位，煤炭开采过程中井下环境复杂，生命财产安全问题存在隐患，如果能够获得井下人员的具体位置，这将对接下来的救援工作有着重大的意义。现有一些煤矿利用蓝牙技术、射频识别等技术来实现通信和获取井下人员的位置信息，存在传输距离短和精度低的缺点以及井下的实际环境复杂等因素，较难获得井下人员的精准位置信息。基于ZigBee的无线网络的井下人员定位系统能够解决上述不足，能够很好地完成井下的监测任务和调度工作。

1 ZigBee技术简介

ZigBee协议是基于IEEE802.15.4标准的无线通信设备，旨在创建一种无线分布网络，并且以成本低、功耗低、方便使用等特点赢得了市场。ZigBee拥有自己一套完整的协议，它们分别是物理层、介质访问层、数据链路层、网络层和应用层，相比较而言，ZigBee协议栈结构简洁且容易实现，降低了芯片的成本费用。一个ZigBee网络所包含的网络节点个数不高于255个，一个是主设备，剩下都是从设备。如果使用Network Coordinator，可将ZigBee网络节点扩展多达至65000个，众多的节点数量使得传输距离大大增加。

2 基于 Zigbee 无线网络的井下人员定位系统

2.1 人员定位系统的结构框架

煤矿井下的信息通过传感器等设备获得，而后经由ZigBee无线网络和RS232串口传到地上的监控系统，然后操作系统利用计算机对数据进行一系列的分析处理，井下工作人员的具体位置将在显示屏上显现出来，完成跟踪定位工作。

2.2 井下人员定位系统的功能作用

系统除了定位功能外，还具有对井下工作人员进行查勤的功能，因为井下人员下井和回到地面的时间都会被记录下来，因此可以作为工作人员出勤率状况的参考。在工作期间，井下工作人员都会持有定位点，系统能够实时跟踪到他们的具体位置，这些可作为工作质量的审核依据。

2.3 定位系统的工作原理

井下工作人员在下井之前都随身带有一个终端节点即定位点，这个定位点能够按照程序设定好的时间，定时地发出一种信息包，就近的路由节点会接收这个的信息包，经处理后连同自己的网络地址信息借助于其他的路由节点一并上传至协调器，接着协调器开始处理这些信息，然后借助于RS232将处理过的信息传输至地上的监控中心，完成了井下人员定位的功能。地上监控中心的PC机上建有超大容量的数据库，并配备有一张显示井下每个ZigBee节点具体位置的信息图。井下巷道内壁上路由节点的位置在信息图上已经固定，当监控中心收到来之井下传来的信息，就可以确定定位点具体是在哪些路由节点附近，井下人员的具体位置基本上就能被确定下来。

2.4 ZigBee模块的硬件设计

CC2430根据内置闪存容量的不同，分为三个版本，分别是32KB、64KB和128KB，其中128KB的内存较好的符合系统的设计需求，因此被选取作为整个网络各类节点模块的主芯片。由于CC2430本身拥有一套完整的结构体，并不需要外接很多元器件做辅助来实现系统的目的，这就大大降低了设计难度、简化了电路。

2.5 ZigBee模块的软件设计

系统工作时首先对CC2430进行初始化，然后对协议栈进行初始化，打开中断。随后对一个网络进行格式化，若成功，就能看到被格式化网络的信息，借助于串口调试助手能够获取网络协调器的物理地址、新建网络的ID号以及频道号等。然后，程序进入应用层，完成函数aps-FSM（）的处理以及对ZigBee信号的监测。若此时有节点加入网络，将在串口输出的地方显示出来，且显示待加入节点的物理地址，随之，网络节点被分配网络地址。

3 定位系统的运行环境

3.1 软件环境

本文所提出的系统是在 Windows XP 操作系统下开发的，具体开发软件是VB.net，Oracle 数据库系统是后台数据库的来源。

3.2 硬件环境

较好地完成对井下人员进行跟踪定位，需要较高配置的计算机作为硬件支撑。本系统所采用的计算机配置为CPU 主频2.7 GHz，2G内存，500G硬盘，1G独显，显示器不小于19英寸。

3.3 模拟测试结果

本系统提出以后，在校园楼道内对之进行了模拟。模拟中，安装了16个路由模块，4个终端模块在场地区域内随意移动，根据具体情况安装定位系统。PC机、电源、电缆等准备就绪后，在PC机上安装相关定位跟踪的软件。存储井下人员的相关信息，相关设备开始进行工作。4个终端节点在区域范围内自由移动，随着节点位置的改变，对应在显示屏上出现在不同的固定路由节点附近。多次模拟实验表明：该系统反应较快，在终端节点“群入”时精确性能较高。

4 结语

由于ZigBee本身特有的性质，使之非常适合工作于环境复杂、布线困难的矿井下。井下工作人员随身携带的终端设备通过中转站（即路由节点）和协调器建立起连接；RS232主要职责是将ZigBee协调器以及地面的数据送给地上的监控中心，实时跟踪井下人员的地理位置，为工人安全提供保障。在实际中，由于资金、环境等方面资源的不足，本文所提出的系统仅仅在地上进行了模拟，虽然某些方面还存在一定的不足，但总体来说，大体上的功能都能够实现。

[1]瞿雷,刘盛德.ZigBee 技术及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[2]常青,丁亮,梁颖.基于ZigBee技术的井下人员定位系统[J].煤矿机电,2013(06):65-68.