基于ZigBee技术的煤矿井下人员定位系统设计

汝彦冬，刘 鑫，孙振翔，张文祥，赵志信，郭继坤

(1. 黑龙江科技学院 电子与信息工程学院，哈尔滨150027；2. 双鸭山矿务局东荣二矿，黑龙江 双鸭山 155923)

基于ZigBee技术的煤矿井下人员定位系统设计

汝彦冬1，刘 鑫1，孙振翔2，张文祥1，赵志信1，郭继坤1

(1. 黑龙江科技学院 电子与信息工程学院，哈尔滨150027；2. 双鸭山矿务局东荣二矿，黑龙江 双鸭山 155923)

分析了煤矿井下人员定位系统的设计要求，设计了以CC2530为主控制器的煤矿井下人员定位系统.介绍了该系统的总体组成结构，给出了系统的硬件原理图，给出了系统软件运行流程图，实现了对井下人员定位的功能.详细介绍了功率放大器电路和不间断电源部分的设计.

人员定位；ZigBee；功率放大器；不间断电源

井下人员定位系统是保障煤矿安全生产最重要的一部分，是关系到民生的大事.衡量人员定位系统优劣的重要标准是看定位系统能否实现较为准确的定位和网络的连通性.目前在定位系统在部分煤矿中已经在采用初略的人员定位基本可以保证，但对于关键节点失效的导致的网络瘫痪问题则还是靠人工来解决，这样就导致了定位时间容易出现盲点.为此，研究、开发了一种基于ZigBee技术的煤矿井下人员定位系统，该系统能够完成较为精确的人员定位，较好的解决上面提到的问题，同时该系统结构简单、性能稳定，可以作为煤矿井下人员定位系统的参考.

1 系统整体设计

人员定位系统由定位分站、网络路由节点、信标节点和盲节点组成.系统组成框图如图1所示.盲节点为矿工安装在头灯上的定位终端，信标节点为安装在固定位置的用来作为位置参考的终端，协调器器负责组建定位子网络，组建完成后作为路由器功能，完成信息的收集和传输，定位分站负责把路由器收集到的信息传输到井上[1].协调器负责组建定位子网络，盲节点向周围发射电磁信号，电磁信号被多个信标节点接收，信标节点通过测量与盲节点间的距离或者角度来计算盲节点的位置.定位分站主要负责将各个定位子网络采集到的定位数据，通过转换，采用有线通信方式，将信号传输到井上.

图1 定位系统组成框图

2 系统的硬件设计

2.1盲点的硬件设计

盲点终端由井下工作人员随身携带，要求体积小、质量轻，采用电池供电，具有报警功能.盲点组成框图如图2所示，该部分由CPU、供电部分、声光报警模块和LED指示等电路组成.CPU选择TI公司的CC2530，该处理器具有8051微处理器内核，具有低功耗、高性能，的优点，同时内部集成了ZigBee射频收发单元，减少了系统电路中除处理器以外的外围电路配置，降低了设计成本并减少系统的复杂度.供电部分要求供电电压为3.3 V，(矿灯电压3.7 V)采用矿工随身携带的矿灯电池供电[2].LED指示灯通过LED灯的颜色和闪烁频率告知用户工作状态，声光报警则是通过声音和光的形式进行报警，进而得到帮助.传感器模块测量现场的瓦斯浓度，如果超标，则报警告知此处危险.

图2 盲点的硬件组成框图

2.2信标节点和路由器的设计

信标节点被安装在井下固定位置，作为盲节点的坐标参考节点,路由器负责协调组网,采集传输信息[2].信标节点组成框图如图3所示，该部分由CPU、无线功率放大模块、电源模块、数据存储模块等部分组成.信标节点负责网络的建立和路由功能，需要不间断供电，电源模块实现的是把井下供电的交流127 V电压转换成3.3 V电压，同时对信标节点自带的电池充电.数据存储模块存储进入该节点网络的用户ID，同时记录定位结果.CC2530的理论发射功率为4.5 dBm，实际测试发射功率远远达不到，要想完成信标节点与定位分站和盲节点的通信，必须增强发射功率.可以在CC2530 RF前端增加一个CC2591 RF功率放大器，来增强发射功率.路由节点的组成框图和信标节点组成框图一致.

图3 信标节点组成框图

2.2.1 电源模块的设计

为了保障系统的工作持续性，电源模块采用不间断电源供电.正常工作情况下采用有线电源提供电源,井下信号，照明供电采用127 V交流电压供电，将该电源转换成直流3.3 V作为CC2530的工作电压[3].同时对模块的电池进行充电，当有线电压出现问题时，转换到电池供电，保证定位系统正常工作.组成框图如图4所示.

图4 电源部分组成框图

2.2.2 ZigBee无线功率放大器的设计

为了让无线信号在井下传输达到要求，需要加入ZigBee无线功率放大器用来放大信号.选用TI公司的专用信号放大器CC2591.CC2591能够极大改善无线信号的覆盖范围，与CC2530实现无缝连接，最大输出功率可达22 dBm，接收灵敏度高，能够在低电压下稳定工作，并且功耗低，掉电模式下100 nA的静态电流[4].无线功率放大器的电路如图5所示.

图5 无线功率放大器电路图

2.2.3 定位分站的设计

定位分站的功能是负责集中路由器采集到的定位信息并转发给井上终端.定位分站组成框图如图6所示，该部分由CPU、无线功率放大模块、电源模块、数据存储模块和数据通信模块组成组成.定位分站需要不间断供电，电源模块实现的是把井下供电的交流127 V电压转换成3.3 V电压，同时对定位分站自带的电池充电.数据存储模块存储该定位分站转发的定位信息,完成周期性刷新[5].CC2530的理论发射功率为4.5 dBm，似实际测试发射功率远远达不到，要想完成信标节点与定位分站和盲节点的通信，必须增强发射功率.可以在CC2530 RF前端增加一个CC2591 RF功率放大器，来增强发射功率.数据通信模块负责将信息通过CAN总线转发到井上.

3 系统软件设计

系统的软件设计包含三部分：盲节点软件设计，路由器监软件设计、信标节点软件设计和定位分站软件设计.本文只例举出其无线定位这部分程序流程图，其他细节流程图参阅资料.

3.1盲节电软件设计

盲节点程序流程图如图7所示.盲节点加电完成系统初始化，盲节点周期性向周围发送定位请求，等待信标节点的响应.信标节点如果检测到有盲节点进入其覆盖区域，与其建立通信关系，向盲节点发送返回值.如果盲节点没有接收到返回值，则继续向周围发送定位信息请求.如果盲节点接收到返回值，则认为已经加入网络.根据和信标节点间的信号强度，3次计算盲节点到信标节点的距离.如果三次测量值中的任意两次(测量值1-测量值2)/max(测量值1，测量值2)<5%，则认为测量没有错误，将含有盲节点ID和定位数据的数据包发送出去，完成距离测量.程序流程图如图7所示.

3.2信标节点的软件设计

信标节点作为盲节点的位置参考点，根据定位指令多次收集RSSI值并滤除某些异值后计算其平均值，然后将计算得到的RSSI平均值和其自身坐标一起建立数据包发送给路由器.信标节点的工作流程如图8所示.实现的功能有：转发定位网络中的数据信息，具有掉电后保持信息的记忆功能.程序流程图如图8所示.

图7 盲节点流程图

图8 信标节点程序流程图

3.3路由器软件设计

路由器的软件设计是整个定位系统中的核心部分，负责维护无线定位网络并采集转发定位数据包给定位分站，协调整个ZigBee网络.程序流程图如图9所示.实现的主要功能有：组建无线定位网络和完成数据的收发；与定位分站通信，转发定位分站给网络中各信标节点的数据配置信息和相应的请求指令功能.路由器的工作流程如图9所示，一方面它要接收定位分站为各个节点提供的配置参数信息并发送给相关的信标节点，另一方面对于网络中各节点传送来的数据信息，路由器节点经过分析处理后上传到定位分站.

图9 路由器程序流程图

4 结 语

将ZigBee技术应用在煤矿井下定位系统中可以有效的完成井下人员定位,使定位更为精确,高效, 提高了井下定位的服务质量.采用不间断连续电源供电，保证了工作持续性.将ZigBee无线信号功率放大，保障了无线信号的有效传输，使定位的范围扩大，这种定位系统可以应用到煤矿安全生产和其他需要定位工业生产现场中，是一种解决定位的参考解决方案.

[1] 刘志高, 李春文, 耿少博, 等. 带盲区巷道网络人员全局定位系统[J]. 煤炭学报, 2010, 8: 236-241.

[2] 郭文亮. 基于ZigBee的煤矿监测系统的研究[J]. 煤矿机械, 2015, 12: 273-275.

[3] 韩东升, 杨 维, 刘 洋, 等. 煤矿井下基于RSsl的加权质心定位算法[J]. 煤炭学报, 2013, 3: 522-528.

[4] 谢晓佳, 程丽君, 王 勇. 基于Zigbee 网络平台下的井下人员跟踪定位系统[J]. 煤炭学报, 2007, 32(8): 884-888.

[5] 彭 力. 无线传感器网络原理与应用[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2014. 132-134.

DesignofstafflocalizationsystemforcoalminebasedonZigBeetechnology

RU Yan-dong1,LIU Xin1,SUN Zhen-xiang2,ZHANG Wen-xiang1,ZHAO Zhi-xin1,GUO Ji-kun1

(1.School of Electric and Information, Heilongjiang Institute of Science and Technology, Harbin 150027, China; 2. Shuangyashan Mining Bureau Dong Rong Coal Mine, Shuang Yashan 155923, China)

According to the demand of localization system for coal mine underground, a localization system was designed based on the CPU of CC2530. The system’s component structure, hardware circuit and software design were introduced in this paper. The system realized localization function. The design of power amplifier circuit and uninterruptible power supply were introduced in detail.

staff localization; ZigBee; power amplifier; UPS

2016-12-20.

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12543067)

汝彦冬(1980-)，男，博士，副教授，研究方向：煤矿安全监控、无线传感器网络.

TP274

：A

1672-0946(2017)04-0469-04