摘要：基于對BlueTeeth、Wi-Fi、ZigBee、UWB技術(shù)的分析和比較，設計了基于ZigBee無線通信技術(shù)的頭盔式煤礦井下人員定位跟蹤系統(tǒng)。重點介紹了井下人員無線定位跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡組成及目標節(jié)點的定位過程。該系統(tǒng)便于煤礦管理人員及時了解井下人員分布情況與運動軌跡。

關鍵詞：ZigBee技術(shù)定位跟蹤移動目標

在煤礦系統(tǒng)中，礦井危險事故時有發(fā)生。只有獲得受困工人準確的位置信息，搶救工作才能保證及時而又避免誤傷。因此，設計安裝一套煤礦井下人員的定位跟蹤系統(tǒng)，成為一項十分緊迫的任務。

1方案的比較與選取

表1所示為四種無線通信方式的性能參數(shù)比較。

由表1可以看出ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢是成本低、功耗小，而針對于煤炭行業(yè)資金不足、煤礦井下巷道曲折多變、風門眾多、電源供電控制嚴格的特點非常適合應用Zig-Bee技術(shù)。雖然ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸率不高，但足以滿足定位系統(tǒng)的傳輸速度要求。

本方案選用2.4GHz頻段的全球通用的ZigBee技術(shù)，采用基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡設計方案實現(xiàn)井下人員定位。在定位算法方面，采用國際上最先進的RSSI（接收訊號強度指標）算法，實現(xiàn)礦工的精確定位。

2定位跟蹤系統(tǒng)的組成

定位跟蹤系統(tǒng)主要由井上和井下2部分組成。井上部分包括大屏幕、計算機網(wǎng)絡、485或光纖傳輸介質(zhì)等。井下部分采用以太網(wǎng)技術(shù)，按照網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)進行模塊設置，每個網(wǎng)絡模塊由一個無線定位網(wǎng)絡和若干個移動目標節(jié)點組成，定位網(wǎng)絡節(jié)點簡稱FFD，移動目標節(jié)點簡稱RFD。系統(tǒng)組成如圖1所示。

2.1ZigBee無線定位網(wǎng)絡組成ZigBee無線定位網(wǎng)絡的有網(wǎng)關、參考和定位節(jié)點三個部分，網(wǎng)關節(jié)點完成有線與無線信號的切換，參考節(jié)點為移動目標節(jié)點提供參考坐標與信號強度信息，網(wǎng)關和參考節(jié)點均以cc2430芯片為核心。移動目標節(jié)點以cc2431芯片為核心。

針對現(xiàn)場環(huán)境要求，沿巷道每隔45～180m，或者工作面高度降低45m時，在巷道合適位置（如巷道兩側(cè)頂部）設置參考節(jié)點，合理布局定位節(jié)點，安置完成的網(wǎng)絡模塊會自動形成一個ZigBee無線定位通信網(wǎng)絡。每個節(jié)點模塊的標識地址都是唯一的。為保證ZigBee網(wǎng)絡的可靠通信，網(wǎng)絡模塊布局要保證每個模塊可以保持與兩個以上的模塊實時通信。

2.2移動目標節(jié)點將基于ZigBee并具有身份識別功能的無線模塊制作成一個便攜式裝置，并置于井下作業(yè)人員的頭盔式安全帽內(nèi)，完成無線收發(fā)功能。為了節(jié)省電力，利用IEEE802.15.4無線傳輸技術(shù)對模塊的休眠、喚醒過程合理地控制，模塊自身也只是每隔10～30s向鄰近的定位網(wǎng)絡節(jié)點發(fā)射身份地址碼信號。每個下井的作業(yè)人員，都隨身佩戴這樣一個標志唯一身份地址的裝置，其位置參數(shù)的獲得來自于利用無線信號的強弱與定位節(jié)點的距離對照換算，理論上定位精度很高，可以達到2.5m。

3定位過程

cc2431模塊自帶了一個用于定位的引擎硬件，該引擎是在節(jié)點層面根據(jù)網(wǎng)絡中的已知定位節(jié)點所接收到的無線信號強度值（RSSI）采用分布式算法對移動目標節(jié)點的位置完成估算。其計算原理是：由于通過預先實際環(huán)境的測量獲得了信號強度與距離的函數(shù)關系，因此依據(jù)信號的強度，定位引擎可以通過已知的定位節(jié)點來確定與正在進行通信的移動目標節(jié)點之間的距離。只要利用兩個定位節(jié)點來計算所獲得的此目標節(jié)點的信號強度值，該移動目標的具體位置就可以確定。

4結(jié)語

通過比較B1ueTeeth、Wi-Fi、ZigBee、UWB這四種無線通信技術(shù)的具體特點，選取了基于ZigBee技術(shù)設計的頭盔式煤礦井下人員無線定位跟蹤系統(tǒng)的設計方案，并對系統(tǒng)的設計進行了重點闡述，詳細說明了無線定位跟蹤的實現(xiàn)流程，該設計方案中無線定位跟蹤系統(tǒng)非常適合于煤礦的井下人員使用。

參考文獻：

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作者簡介：

左翠紅（1966-），女，山東威海人，教授，主要從事電氣自動化方面的教學與研究工作。