基于Android和ZigBee技术的煤矿井下人员定位系统的研究

何金鑫，姚善化，唐超礼

(安徽理工大学电气与信息工程学院， 安徽淮南232001)



基于Android和ZigBee技术的煤矿井下人员定位系统的研究

何金鑫，姚善化，唐超礼

(安徽理工大学电气与信息工程学院， 安徽淮南232001)

摘要：为了优化井上井下通讯问题，降低通讯成本，提高生产效率，实时了解井下人员位置情况，设计一种基于Android平台和ZigBee技术的井下人员定位系统。该系统由ZigBee技术构建无线网络，以矿工手持设备为通讯节点，通过总线将井下信息传递到上位机，进而实现人员准确定位。实验表明，该系统通过将ZigBee技术和Android平台结合在一起，可以便捷地实现井上井下的实时通讯，显示定位目标的坐标位置、环境参数以及所在位置的安全等级等。

关键词：ZigBee；Android；井下定位；井下通讯

Research of personnel position in underground collieries based on Android and ZigBee technology

HE Jin-xin, YAO Shan-hua, TANG Chao-li

(Collage of Electrical and Information Engineering, Anhui University of Science and Technology,

Huainan 232001,China)

Abstract: To optimize communication problems between ground and underground, reduce communication costs and increase productivity and control the real-time personnel location underground, one personnel location system based on Android platform and ZigBee technology is designed. The system apply ZigBee wireless network as communication platform while using miners handheld device as communication node. The underground information is transmitted through the bus to the host computer and then accurate personnel positioning is obtained. Experiments show that the real-time communication between ground and underground can be made easily. Then the system can display coordinates of the target position and other environmental parameters and security level of target position.

Key words: Zigbee; Android; underground position; underground communication

目前国内井下人员定位系统大多是有线的通讯网络，但由于井下条件恶劣、布线困难等因素，使得井下人员定位系统并不能有效安全地运行。国外一些国家采用先进的基于ZigBee无线网技术，能够及时准确地反应人员动态变化，相比之下，我国现有的井下有线通讯方式更凸显出布线困难、拆装繁杂、维修困难等弊端，一旦井下发生事故，很有可能导致通讯中断而耽误救援时间[1]。目前，无线通讯技术有很多，常见几种无线通信的技术参数对比如表1所示。常见的无线通信技术如蓝牙相对复杂，网络节点较少，不适合多点布控，当节点超过一定数量时就无法在同一局域网内实现互联互通，且蓝牙传输也相对较慢且覆盖范围仅限10 m左右;而WiFi在远程传输方面优势较大，但其组网也相对复杂,功耗很高。与其他无线网络如蓝牙、RF、WIFI等相比，ZigBee网络以其低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全等众多优点获得了人们的广泛关注，并且在工业生产和人们的日常生活中得到大量的应用[2]。因此，相对其他无线技术，将ZigBee技术应用于井下局域网的组网通讯等更加有效便捷，同时将Android平台和ZigBee系统结合在一起，利用旷工手持设备实时显示位置信息，可更进一步地提高煤矿生产管理效率。

表1　常见无线通信技术标准对比

1系统的总体框架结构

1.1　ZigBee技术的框架结构

ZigBee是一种新兴低速短距离的无线网络传输协议。ZigBee协议按照从下到上可分为物理层 (PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层 (NWK)、应用层(APL)。物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4协议的规定[3]。IEEE 802.15.4协议工作在工业科学医疗(ISM)频段，工作在ISM频段的所有器件都被免除了频率许可费用，与其他解决方案相比可以大大降低了产品的开发成本[4]。其结构框架如图1所示。

图1　ZigBee技术框架Fig.1　ZigBee technology structure

1.2　系统构建与功能描述

1.2.1系统构建

系统组成示意图如图2所示。整个系统由地面指挥中心、转换中心、无线基站、电源、矿工手持设备和各种通讯电缆组成[5]。

1.2.2各部分的主要功能

①指挥中心:负责网络的运行、维护和管理，能随时随地根据需要查找和筛选矿工坐标信息和身份信息。

②无线基站:向上负责井下向指挥中心发送消息，向下负责指挥中心向井下矿工传达指令，此外，还为其他网络数据提供中继和转发功能。

③矿工身份手持设备: 是井下定位系统的主要设备。该设备集成了ZigBee模块和身份识别模块，实现井下定位和矿工信息交流功能。

④转换中心:实现ZigBee网络信息与Ethernet信息之间的转换，是地面指挥中心和井下无线基站的数据传输通道。

⑤电源:对无线基站进行供电。该电源是由井下交流电转换而来，其中包含备用电源，以便井下电力设施发生故障使用，防止由于电力故障而导致井下与地面失联。

图2　系统结构

2系统软硬件设计与实现

2.1　硬件系统的设计

硬件系统结构如图3所示，主要包括井下矿工的手持设备和组网的ZigBee节点。主控制器采用三星公司的S3C6410处理器，arm11架构，主频可达到667MHz，外设包括JTAG编程接口，用于显示的LCD触摸屏，1 G Nand Flash，256 MB DDR2 SDRAM和与无线网相连的ZigBee模块[6]。ZigBee模块采用德州仪器公司的CCS2530，CC2530 采用了先进的RF收发器，使用业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8 KB RAM 和许多其他强大的功能[7]。

图3　硬件系统结构Fig.3　Hardware system structure

ZigBee井下网络结构如图4所示[8]。网络分为地面部分和井下部分。地面部分由指挥中心和转换中心组成，井下部分由ZigBee节点网络、井下服务器、矿工手持设备和井下无线基站组成。

为了保证井下无线通信的稳定性和抗干扰性，系统中ZigBee网络采用散射型网络组网。网络可以无死角地覆盖整个井下巷道，保证井下通信的畅通。

图4　ZigBee井下网络

图5　定位流程图Fig.5　Location Flowchart

2.2　井下定位的实现

在井下通过合理的布局ZigBee网络，使得ZigBee网络全方位地覆盖在煤矿井下。每个矿工都会持有1个固定ID号的手持设备，在井下该设备会自动地选择与矿工最近的ZigBee节点相连，从而实现井下定位的功能[9]。为了达到准确有效的定位，需要实现以下两个关键的技术。

①ZigBee节点ID号:在ZigBee网络中，系统会为每个ZigBee节点分配1个固定的ID号，该ID号是ZigBee节点的唯一标识，该ID号可以映射具有实际意义的井下地理位置信息，系统通过判断矿工手持设备与哪一ID号相连来查找到矿工的井下地理位置[10]。

②定位选择:当矿工处在几个网络共同覆盖的区域，系统需要确定与哪个ZigBee网络相连，否则将会发生连接冲突或者定位不准确。在实际中,系统通过判断链路质量指示(LQI)和接收信号强度指示(RSSI)来决定与哪个无线网建立连接[11]。

定位流程图如图5所示。

2.3　Android手持设备软硬件系统

为了实现Android终端作为定位系统的控制器，需解决Android终端和ZigBee网络中的节点通信这一主要问题。系统中的ZigBee节点采用了串口作为编译、调试与通信端口，Android终端主控制器S3C6410与无线收发芯片CC2530之间采用异步串口的方式进行通信。S3C6410片内集成有USART，通过设置后即可工作于异步模式[12]。异步数据格式和ZigBee通信协议帧相同。

2.3.1软件实现

基于Android开发的难点是Android底层直接与ZigBee通信的实现。由于Android应用程序的开发是使用Java语言实现的，而Java无法操作到底层硬件，那么就需要Java通过JNI来调用C语言写的函数实现对ZigBee硬件的控制[13]。

发送数据和接收数据代码如下：

发送数据：send_button.setOnClickListener(new OnClickListener()

{

public void onClick(View arg0)

{

String t = Emission.getText().toString();

try {

mOutputStream.write(t.getBytes());

Message(ChatMessage.MESSAGE_TO, t);

}

catch (IOException e)

{

e.printStackTrace();

}

}

});

接收数据：private static String sbuf = "";

protected void onDataReceived(final byte[]buffer, final int size)

{

runOnUiThread(new Runnable()

{

public void run()

{

String zig_recept = new String(buffer, 0, size);

Log.i(TAG, zig_recept);

sbuf =sbuf+zig_recept;

if(sbuf.charAt(sbuf.length()-1) =='a' )

{

Message(ChatMessage.MESSAGE_FROM, sbuf);

sbuf = "";

}

}

});

}

2.3.2导航系统功能

①考勤：能够对井下人员的下井和升井时间进行记录，实现对员工考勤的目的。

②定位：能够对井下人员实现精确定位，实现高效的管理和有效的生产，同时能够在井下发生突发事件时帮助地面救援人员实施有针对的救援计划。

③实时通讯：能够实现井下矿工和地面控制台的实时通讯、矿工与矿工之间的实时通讯。

3结果与结论

本文在系统调试过程中对巷道人员定位系统的定位精度做了测试，采集了电子标签在隧道0~45 m范围内的10个已知点的坐标信息，通过对系统计算的坐标与实际坐标进行对比分析，对巷道人员定位系统的定位精度进行评估,电子标签的实际坐标与测试坐标如表2所示。

表2　定位节点位置对照表

设实际坐标为(X1,Y1)，测量坐标为(X2,Y2)，则两点之间的误差距离为

图6为定位节点坐标对比及误差分布图。从图6可以看出，本文隧道人员定位系统的定位误差基本在1 m左右，且误差平均值为1.08 m，满足系统定位精度要求。因此，可以判定该系统能够实现隧道人员定位功能，达到了设计要求和目的，但是仍存在一定的定位误差。

图6　定位节点实际与测量坐标对比图

4结语

文中针对基于ZigBee网络技术的煤矿井下矿工定位系统进行了设计，采用主流的Java语言作为开发平台，开发了基于Android操作系统的应用程序。通过结合当下流行的Andriod系统平台与ZigBee无线网络，以矿工手持设备作为无线网络通讯节点，可以动态直观地反应出井下人员的实时位置以及井下的环境温度和湿度等众多参数，通过无线基站传输到通讯总线，进而传到地面控制中心，有利于井上管理人员及时准确地监控到井下的状况，从而有效合理地安排工作，提高生产和管理效率，当井下发生事故时，利用该系统也可以有效地定位井下被困人员，方便救援人员制定救援计划和进行救援。相比传统的有线定位，不仅极大地满足了矿工在井下定位和导航的需求，同时还能与地面指挥中心建立连接，随时随地接收和发送信息。通过实验测试，定位精度和响应速度已经达到了预期的效果。随着井下无线网布网的不断完善以及应用程序功能的不断改进，将更好地应用在煤矿井下定位系统中，进一步提高煤矿企业的生产效率和管理水平[14]。

参考文献：

[1]董翠英, 姚明林, 曹秀爽.基于物联网的煤矿井下人员定位系统设计[J]. 科技信息, 2012(20):58-59.

[2]刘骞, 孙懋珩.ZigBee网络移动节点接入与切换机制仿真分析[J]. 计算机与现代化, 2008(1):60-62.

[3]张宁, 王越, 王东.基于精简协议栈的ZigBee网络节点研究[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2009(2):76-78.

[4]何娜, 黄智伟.基于CC2520的ZigBee/IEEE.802.15.4的收发器电路[J]. 工业控制计算机, 2009, 22(3):96-97.

[5]蒋泰，蒋利.基于ZigBee技术的低成本无线数传系统的实现[J]. 广西大学学报：自然科学版，2005,30(4):20-21.

[6]BARONTI P, PILLAI P, CHOOK V W C, et al.Wireless sensor networks: A survey on the state of the art and the 802.15.4 and ZigBee standards. [J]. Computer Communications, 2007, 30(7):1655-1695.

[7]王蕴喆.基于CC2530的办公环境监测系统[D]. 吉林：吉林大学,2012.

[8]罗俊.基于ZigBee的煤矿监控网络节点设计[J]. 电子设计工程, 2008, 16(8):56-58.

[9]柯建华, 申红军, 魏学业.基于ZigBee技术的煤矿井下人员定位系统研究[J]. 煤炭技术, 2006, 31(23):12-14.

[10]高惠燕.Zigbee无线传感器网络在安全监测系统中的应用[J]. 计算机测量与控制, 2008, 16(6):766-768.

[11]臧建魁, 卿粼波, 何小海,等.基于RSSI和LQI的分段距离估计改进算法[J]. 通信技术, 2011, 44(11):100-102.

[12]汪华斌, 罗中良, 曾少宁,等.ZigBee技术在数据采集系统中的应用[J]. 现代计算机月刊, 2011(31):63-66.

[13]LIAN K Y, HSIAO S J, SUNG W T.Intelligent multi-sensor control system based on innovative technology integration via ZigBee and Wi-Fi networks[J]. Journal of Network & Computer Applications, 2013, 36(2):756-767.

[14]刘广亚，姚善化.基于ARM9和ZigBee的矿井机车运输监控系统的设计[J]. 矿山机械, 2012, 40(1):28-31.

(责任编辑裴润梅)

中图分类号：TN926

文献标识码：A

文章编号：1001-7445(2015)06-1469-07

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2015.1469

通讯作者：姚善化(1966—)，男，安徽淮南人，安徽理工大学教授；E-mail：shhyao@aust.edu.cn。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51104003)；安徽省高校省级自然科学研究重点项目(KJ2011A077)

收稿日期：2015-06-09；

修订日期：2015-09-05