魏景新 靳文濤

(華北科技學(xué)院電子信息工程學(xué)院，河北省三河市，065201)

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基于ZigBee技術(shù)的煤礦井下自組網(wǎng)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏景新 靳文濤

(華北科技學(xué)院電子信息工程學(xué)院，河北省三河市，065201)

分析了現(xiàn)有煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)通信方式及存在問題，通過有線與無線結(jié)合的方式,采用刷卡標(biāo)記節(jié)點(diǎn)的方法提出了一套基于ZigBee無線通信的煤礦井下自組網(wǎng)定位系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了該定位系統(tǒng)的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該定位系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)煤礦井下的各個(gè)環(huán)境參數(shù)，定位較為準(zhǔn)確，有較高的實(shí)用價(jià)值。

ZigBee 煤礦井下定位系統(tǒng) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 自組網(wǎng)

1 安全監(jiān)控系統(tǒng)通信方式及存在的問題

目前，用于地面監(jiān)測(cè)站和井下監(jiān)控的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)主要為有線和無線兩種通信方式。有線方式主要是基于CAN總線、串口RS485或者串口RS232，通過將巷道中各個(gè)設(shè)備的通訊線掛接在連通到地面監(jiān)測(cè)站的總線上，以實(shí)現(xiàn)井上和井下的數(shù)據(jù)傳輸。有線方式存在的問題是井下的施工布線繁瑣、礦井的監(jiān)測(cè)范圍局限、維護(hù)困難和成本高。無線方式包括無線電漏泄技術(shù)、紅外線技術(shù)以及RFID射頻識(shí)別接收技術(shù)。無線電漏泄技術(shù)集合了有線和無線兩種通信方式，但是存在抗干擾能力差和穩(wěn)定性差等問題；紅外線技術(shù)在測(cè)量瓦斯?jié)舛群偷乇頊囟确矫骐m然比較成熟，但是存在通信距離短等問題，阻礙了該技術(shù)在煤礦開采行業(yè)的廣泛應(yīng)用；射頻識(shí)別技術(shù)RFID利用射頻信號(hào)和空間耦合傳輸特性來實(shí)現(xiàn)人員的自動(dòng)識(shí)別，但是存在價(jià)格高、精度差、識(shí)別速度慢以及兼容性差等缺陷。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集無線通訊、數(shù)據(jù)采集和信息處理功能于一體的新型分布式自組織數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，ZigBee技術(shù)是一種新興的最具代表性的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、低成本、低功耗、可靠性高、兼容性強(qiáng)和定位精度高等特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee無線通信的井下自組網(wǎng)定位系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)井下的各個(gè)環(huán)境參數(shù)和工作人員情況，當(dāng)煤礦井下出現(xiàn)異常情況時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)地定位異常位置，并給相關(guān)工作人員及時(shí)警報(bào)，提醒工作人員及時(shí)做好安全措施。無線通信方式參數(shù)對(duì)比見表1。

表1 無線通信方式參數(shù)對(duì)比

2 ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)

ZigBee是一種低速無線個(gè)域網(wǎng)技術(shù)，是基于局域網(wǎng)協(xié)議-IEEE802.15.4 的一種新型通信協(xié)議，ZigBee技術(shù)具有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)：

(1)完全開源的完整協(xié)議棧。協(xié)議棧的源碼和使用授權(quán)都是完全開放的，并且協(xié)議棧的更新和升級(jí)免費(fèi)。

(2)高度可靠性。ZigBee技術(shù)采用了沖突避免多載波信道接入方式，即使在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生沖突和競(jìng)爭(zhēng)，也能夠很好地得到解決。同時(shí)，ZigBee在無線通信過程中有著完善的應(yīng)答協(xié)議體系，保證了通信的可靠和暢通。

(3)良好的安全性能。ZigBee技術(shù)采用了128位長(zhǎng)度的加密算法，對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募用芴幚?，保證了ZigBee設(shè)備之間通信的安全和保密。

(4)低功耗、低成本。每個(gè)ZigBee設(shè)備的發(fā)射功率較低，正常工作情況下，兩節(jié)5號(hào)電池作為ZigBee的供電電源就可以使用0.5～2 a的時(shí)間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了目前市面上大部分的無線通信技術(shù)的功耗。ZigBee設(shè)備成本也較低，單個(gè)芯片(如CC2530)售價(jià)在10元左右。

3 井下定位算法分析與方案確定

定位方案大致可分為兩類，一類是通過ZigBee無線通信定位，另外一類是基于節(jié)點(diǎn)標(biāo)記定位。其中通過ZigBee無線通信定位的方案中又可以分為與距離無關(guān)的定位算法和基于距離的定位算法，與距離無關(guān)的定位算法如質(zhì)心算法存在著計(jì)算出來的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)精度不高等缺陷，只能作為粗略定位；而基于距離的定位算法存在著需要增加相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備作為輔助，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)耗能量較大等缺陷。綜合考慮定位的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)中采用節(jié)點(diǎn)標(biāo)記的方式進(jìn)行定位。節(jié)點(diǎn)標(biāo)記定位是利用礦井下所布置的ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，井下人員通過手持IC卡在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的路由器節(jié)點(diǎn)設(shè)備或者終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行刷卡標(biāo)記，再由節(jié)點(diǎn)設(shè)備把已刷卡信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器，卡和人一一對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員行徑的追蹤。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)硬件總體框架

由于煤礦井下的特殊性、環(huán)境的復(fù)雜性、空間的不確定性以及未知的其它干擾源，因此設(shè)計(jì)中采用MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

由圖1可以看出，本系統(tǒng)主要由井下協(xié)調(diào)器、路由器節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)、身份識(shí)別卡和管理主機(jī)組成。協(xié)調(diào)器可以放置在井下的主干巷道上，用于與地面通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，完成井下數(shù)據(jù)的上傳以及井上地面監(jiān)測(cè)站的調(diào)度管理命令的下傳；路由器作為井下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)站，同時(shí)作為實(shí)現(xiàn)井下定位系統(tǒng)的參考節(jié)點(diǎn)，同時(shí)路由器節(jié)點(diǎn)上放置了多個(gè)傳感器用于監(jiān)測(cè)井下的相關(guān)環(huán)境參數(shù)情況，包括溫濕度、甲烷濃度、風(fēng)速等，因此路由器一般可以放置在井下巷道的合適位置，放置的密度和位置往往需要因地制宜，按照實(shí)際的巷道結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行安排；終端節(jié)點(diǎn)(移動(dòng)節(jié)點(diǎn))則作為井下工作人員的隨身攜帶的設(shè)備，通過加入網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)人員的定位。

目前國內(nèi)的煤礦井下與地面之間的通信方式主要還是通過RS232/RS485總線或者CAN總線來進(jìn)行的，因此充分利用現(xiàn)有有線網(wǎng)絡(luò)，使井下的ZigBee子網(wǎng)和現(xiàn)有的有線網(wǎng)進(jìn)行連接，使得兩種網(wǎng)絡(luò)得到充分利用，減小裁撤有線網(wǎng)工作，保證了礦井的安全有序生產(chǎn)。

4.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

4.2.1 節(jié)點(diǎn)硬件介紹

設(shè)計(jì)中選用TI公司的CC2530單片機(jī)作為核心控制器，該單片機(jī)基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，工作頻段為2.4 GHz，具有256 KB可編程Flash和8 KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，芯片內(nèi)部提供3個(gè)不同的電源模式來減少電源的消耗，同時(shí)能夠兼容高性能增強(qiáng)型的8051微控制器。

節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)采用“核心板+功能底板”的方式，在功能底板中包含了所有相關(guān)的外圍電路模塊，其中有電源管理、復(fù)位電路、串口轉(zhuǎn)USB通信、傳感器接口、顯示電路接口、調(diào)試使用的按鍵、程序燒寫仿真接口以及預(yù)留的備用I/O接口，節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖

4.2.2 CC2530單片機(jī)核心板

CC2530單片機(jī)最小系統(tǒng)的核心板上有CC2530芯片、32 MHz晶振電路、RTC時(shí)鐘電路以及RF收發(fā)天線電路，這些部分是構(gòu)成CC2530單片機(jī)最小系統(tǒng)的必要條件。核心板上除了最小系統(tǒng)外，還有2個(gè)LED指示燈，由CC2530單片機(jī)的P1_0、P1_1分別控制。核心板作為最小系統(tǒng)的承載板，使用時(shí)還需要將其擴(kuò)展開來，所以在核心板上還有一對(duì)直插雙排針，用于連接到功能底板上，完成各個(gè)功能的使用和開發(fā)。核心板電路如圖3所示。

圖3 CC2530核心板電路

4.2.3 節(jié)點(diǎn)USB轉(zhuǎn)串口電路設(shè)計(jì)

USB轉(zhuǎn)串口電路是CC2530單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的USB進(jìn)行通信的一個(gè)轉(zhuǎn)換模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)和計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)交換和信息傳遞，設(shè)計(jì)選用USB轉(zhuǎn)串口芯片CP2102，該芯片是一款高度集成的USB-UART橋接器，提供一個(gè)使用最小化元件和PCB空間來實(shí)現(xiàn)RS232轉(zhuǎn)換USB的簡(jiǎn)便解決方案， USB轉(zhuǎn)串口模塊電路原理圖如圖4所示。

圖4 USB轉(zhuǎn)串口模塊電路原理圖路

4.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中選用IAR公司的IAR Embedded Workbench編譯IDE(以下簡(jiǎn)稱EW)。EW集成了IAR AVR C/C++ 優(yōu)化編譯器、匯編器、鏈接定位器、庫管理員、C-SPY 調(diào)試器和項(xiàng)目管理器等多種工具，使用該軟件編譯器生成的代碼比較緊湊和優(yōu)化，有效降低硬件成本，整個(gè)系統(tǒng)流程如圖5所示。

5 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證

5.1 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

利用Mini STM32開發(fā)板模擬地面監(jiān)測(cè)站的計(jì)算機(jī)，依照本次設(shè)計(jì)的沙盤模型模擬巷道形狀，沙盤中共計(jì)9個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)位置為固定節(jié)點(diǎn)，其坐標(biāo)(X，Y)是固定的，標(biāo)號(hào)從1到9，其中546節(jié)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)IC卡標(biāo)記為A、B、C，179節(jié)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)IC卡標(biāo)記為E、D、F。測(cè)試中采用刷卡標(biāo)記的方式將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置標(biāo)出，實(shí)現(xiàn)地面監(jiān)測(cè)站對(duì)井下系統(tǒng)的監(jiān)控更加形象化和具體化，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)備的OLED液晶可以顯示溫度、濕度以及人員位置等信息，Mini STM32開發(fā)板模擬的上位機(jī)界面位置示意圖如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)流程圖

圖6 Mini STM32開發(fā)板模擬的上位機(jī)界面位置示意圖

5.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

系統(tǒng)首先由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)備開始組建一個(gè)新的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，然后依次啟動(dòng)各個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)設(shè)備加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。使用IC卡在已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備上刷一下，在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)備上顯示相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上已經(jīng)存在的卡，即在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)附近有著和卡信息對(duì)應(yīng)的工作人員。同時(shí)在上位機(jī)圖形界面中閃爍顯示相應(yīng)節(jié)點(diǎn)位置，并且閃爍節(jié)點(diǎn)位置標(biāo)記相應(yīng)的卡號(hào)信息。例如某一工作人員手持A卡來到井下的3號(hào)節(jié)點(diǎn)位置，刷卡后，協(xié)調(diào)器的OLED顯示界面就可以顯示A所處的節(jié)點(diǎn)位置為3，并且STM32模擬的計(jì)算機(jī)上位機(jī)圖形界面上3號(hào)節(jié)點(diǎn)閃爍。

把多個(gè)井下人員身份卡放在系統(tǒng)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，則協(xié)調(diào)器OLED液晶顯示和上位機(jī)圖形界面也會(huì)有相應(yīng)的顯示結(jié)果，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的效果圖如圖7所示。

圖7 井下各人員位置顯示效果圖

6 結(jié)論

(1)系統(tǒng)完成了ZigBee自組網(wǎng)功能，采用有線和無線相結(jié)合，較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)，通過刷卡標(biāo)記的方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)人員的定位，經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，定位精度較高，整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目的。本設(shè)計(jì)為井下人員無線定位設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的設(shè)計(jì)思路和參考方案。

(2)煤礦井下環(huán)境的特殊性對(duì)系統(tǒng)的安全性、可靠性和穩(wěn)定性都有很高的要求，系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境為模擬環(huán)境，實(shí)際應(yīng)用需進(jìn)行煤礦井下真實(shí)環(huán)境下人員定位和環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)，下一步需要在后期的實(shí)際測(cè)試中進(jìn)行補(bǔ)充和完善。

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(責(zé)任編輯 路 強(qiáng))

Design of underground coal mine ad-hoc network positioning system based on ZigBee technology

Wei Jingxin, Jin Wentao

(School of Electronic and Information Engineering, North China Institute of Science & Technology, Sanhe, Hebei 065201, China)

The authors analyzed existing problems of communication mode of underground coal mine safety monitoring system and put forward a set of underground coal mine ad-hoc network positioning system based on ZigBee wireless communication technology by combining the advantages of wireless network and wired network and adopting swiping card and signing node, then introduced the design of hardware and software system of the positioning system in detail. The experimental results showed that the system was able to monitor various environmental parameters of underground coal mine in real time, and it had more accurate positioning capability and higher practical value.

ZigBee, underground coal mine positioning system, wireless sensor network, ad-hoc network

廊坊市科技技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃自籌經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(2016011006)，中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(3142014077)

魏景新,靳文濤. 基于ZigBee技術(shù)的煤礦井下自組網(wǎng)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 中國煤炭，2017，43(3):84-88. Wei Jingxin, Jin Wentao.Design of underground coal mine ad-hoc network positioning system based on ZigBee technology[J] .China Coal，2017，43(3): 84-88.

TD65

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魏景新(1977-)，男，河北滄州人，講師，碩士，華北科技學(xué)院電子信息工程學(xué)院教師，主要從事通信網(wǎng)方面的研究。