汝彥冬，劉 鑫，孫振翔，張文祥，趙志信，郭繼坤

(1. 黑龍江科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，哈爾濱150027；2. 雙鴨山礦務(wù)局東榮二礦，黑龍江 雙鴨山 155923)

基于ZigBee技術(shù)的煤礦井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汝彥冬1，劉 鑫1，孫振翔2，張文祥1，趙志信1，郭繼坤1

(1. 黑龍江科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，哈爾濱150027；2. 雙鴨山礦務(wù)局東榮二礦，黑龍江 雙鴨山 155923)

分析了煤礦井下人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了以CC2530為主控制器的煤礦井下人員定位系統(tǒng).介紹了該系統(tǒng)的總體組成結(jié)構(gòu)，給出了系統(tǒng)的硬件原理圖，給出了系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程圖，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下人員定位的功能.詳細(xì)介紹了功率放大器電路和不間斷電源部分的設(shè)計(jì).

人員定位；ZigBee；功率放大器；不間斷電源

井下人員定位系統(tǒng)是保障煤礦安全生產(chǎn)最重要的一部分，是關(guān)系到民生的大事.衡量人員定位系統(tǒng)優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)是看定位系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的定位和網(wǎng)絡(luò)的連通性.目前在定位系統(tǒng)在部分煤礦中已經(jīng)在采用初略的人員定位基本可以保證，但對(duì)于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)失效的導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)癱瘓問(wèn)題則還是靠人工來(lái)解決，這樣就導(dǎo)致了定位時(shí)間容易出現(xiàn)盲點(diǎn).為此，研究、開(kāi)發(fā)了一種基于ZigBee技術(shù)的煤礦井下人員定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠完成較為精確的人員定位，較好的解決上面提到的問(wèn)題，同時(shí)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，可以作為煤礦井下人員定位系統(tǒng)的參考.

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

人員定位系統(tǒng)由定位分站、網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和盲節(jié)點(diǎn)組成.系統(tǒng)組成框圖如圖1所示.盲節(jié)點(diǎn)為礦工安裝在頭燈上的定位終端，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)為安裝在固定位置的用來(lái)作為位置參考的終端，協(xié)調(diào)器器負(fù)責(zé)組建定位子網(wǎng)絡(luò)，組建完成后作為路由器功能，完成信息的收集和傳輸，定位分站負(fù)責(zé)把路由器收集到的信息傳輸?shù)骄蟍1].協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組建定位子網(wǎng)絡(luò)，盲節(jié)點(diǎn)向周?chē)l(fā)射電磁信號(hào)，電磁信號(hào)被多個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)通過(guò)測(cè)量與盲節(jié)點(diǎn)間的距離或者角度來(lái)計(jì)算盲節(jié)點(diǎn)的位置.定位分站主要負(fù)責(zé)將各個(gè)定位子網(wǎng)絡(luò)采集到的定位數(shù)據(jù)，通過(guò)轉(zhuǎn)換，采用有線(xiàn)通信方式，將信號(hào)傳輸?shù)骄?

圖1 定位系統(tǒng)組成框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1盲點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

盲點(diǎn)終端由井下工作人員隨身攜帶，要求體積小、質(zhì)量輕，采用電池供電，具有報(bào)警功能.盲點(diǎn)組成框圖如圖2所示，該部分由CPU、供電部分、聲光報(bào)警模塊和LED指示等電路組成.CPU選擇TI公司的CC2530，該處理器具有8051微處理器內(nèi)核，具有低功耗、高性能，的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)內(nèi)部集成了ZigBee射頻收發(fā)單元，減少了系統(tǒng)電路中除處理器以外的外圍電路配置，降低了設(shè)計(jì)成本并減少系統(tǒng)的復(fù)雜度.供電部分要求供電電壓為3.3 V，(礦燈電壓3.7 V)采用礦工隨身攜帶的礦燈電池供電[2].LED指示燈通過(guò)LED燈的顏色和閃爍頻率告知用戶(hù)工作狀態(tài)，聲光報(bào)警則是通過(guò)聲音和光的形式進(jìn)行報(bào)警，進(jìn)而得到幫助.傳感器模塊測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的瓦斯?jié)舛龋绻瑯?biāo)，則報(bào)警告知此處危險(xiǎn).

圖2 盲點(diǎn)的硬件組成框圖

2.2信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和路由器的設(shè)計(jì)

信標(biāo)節(jié)點(diǎn)被安裝在井下固定位置，作為盲節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)參考節(jié)點(diǎn),路由器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)組網(wǎng),采集傳輸信息[2].信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成框圖如圖3所示，該部分由CPU、無(wú)線(xiàn)功率放大模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等部分組成.信標(biāo)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和路由功能，需要不間斷供電，電源模塊實(shí)現(xiàn)的是把井下供電的交流127 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V電壓，同時(shí)對(duì)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)自帶的電池充電.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)進(jìn)入該節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的用戶(hù)ID，同時(shí)記錄定位結(jié)果.CC2530的理論發(fā)射功率為4.5 dBm，實(shí)際測(cè)試發(fā)射功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到，要想完成信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與定位分站和盲節(jié)點(diǎn)的通信，必須增強(qiáng)發(fā)射功率.可以在CC2530 RF前端增加一個(gè)CC2591 RF功率放大器，來(lái)增強(qiáng)發(fā)射功率.路由節(jié)點(diǎn)的組成框圖和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成框圖一致.

圖3 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組成框圖

2.2.1 電源模塊的設(shè)計(jì)

為了保障系統(tǒng)的工作持續(xù)性，電源模塊采用不間斷電源供電.正常工作情況下采用有線(xiàn)電源提供電源,井下信號(hào)，照明供電采用127 V交流電壓供電，將該電源轉(zhuǎn)換成直流3.3 V作為CC2530的工作電壓[3].同時(shí)對(duì)模塊的電池進(jìn)行充電，當(dāng)有線(xiàn)電壓出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，轉(zhuǎn)換到電池供電，保證定位系統(tǒng)正常工作.組成框圖如圖4所示.

圖4 電源部分組成框圖

2.2.2 ZigBee無(wú)線(xiàn)功率放大器的設(shè)計(jì)

為了讓無(wú)線(xiàn)信號(hào)在井下傳輸達(dá)到要求，需要加入ZigBee無(wú)線(xiàn)功率放大器用來(lái)放大信號(hào).選用TI公司的專(zhuān)用信號(hào)放大器CC2591.CC2591能夠極大改善無(wú)線(xiàn)信號(hào)的覆蓋范圍，與CC2530實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，最大輸出功率可達(dá)22 dBm，接收靈敏度高，能夠在低電壓下穩(wěn)定工作，并且功耗低，掉電模式下100 nA的靜態(tài)電流[4].無(wú)線(xiàn)功率放大器的電路如圖5所示.

圖5 無(wú)線(xiàn)功率放大器電路圖

2.2.3 定位分站的設(shè)計(jì)

定位分站的功能是負(fù)責(zé)集中路由器采集到的定位信息并轉(zhuǎn)發(fā)給井上終端.定位分站組成框圖如圖6所示，該部分由CPU、無(wú)線(xiàn)功率放大模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)通信模塊組成組成.定位分站需要不間斷供電，電源模塊實(shí)現(xiàn)的是把井下供電的交流127 V電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V電壓，同時(shí)對(duì)定位分站自帶的電池充電.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)該定位分站轉(zhuǎn)發(fā)的定位信息,完成周期性刷新[5].CC2530的理論發(fā)射功率為4.5 dBm，似實(shí)際測(cè)試發(fā)射功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到，要想完成信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與定位分站和盲節(jié)點(diǎn)的通信，必須增強(qiáng)發(fā)射功率.可以在CC2530 RF前端增加一個(gè)CC2591 RF功率放大器，來(lái)增強(qiáng)發(fā)射功率.數(shù)據(jù)通信模塊負(fù)責(zé)將信息通過(guò)CAN總線(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)到井上.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包含三部分：盲節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)，路由器監(jiān)軟件設(shè)計(jì)、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)和定位分站軟件設(shè)計(jì).本文只例舉出其無(wú)線(xiàn)定位這部分程序流程圖，其他細(xì)節(jié)流程圖參閱資料.

3.1盲節(jié)電軟件設(shè)計(jì)

盲節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖7所示.盲節(jié)點(diǎn)加電完成系統(tǒng)初始化，盲節(jié)點(diǎn)周期性向周?chē)l(fā)送定位請(qǐng)求，等待信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的響應(yīng).信標(biāo)節(jié)點(diǎn)如果檢測(cè)到有盲節(jié)點(diǎn)進(jìn)入其覆蓋區(qū)域，與其建立通信關(guān)系，向盲節(jié)點(diǎn)發(fā)送返回值.如果盲節(jié)點(diǎn)沒(méi)有接收到返回值，則繼續(xù)向周?chē)l(fā)送定位信息請(qǐng)求.如果盲節(jié)點(diǎn)接收到返回值，則認(rèn)為已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò).根據(jù)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的信號(hào)強(qiáng)度，3次計(jì)算盲節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離.如果三次測(cè)量值中的任意兩次(測(cè)量值1-測(cè)量值2)/max(測(cè)量值1，測(cè)量值2)<5%，則認(rèn)為測(cè)量沒(méi)有錯(cuò)誤，將含有盲節(jié)點(diǎn)ID和定位數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，完成距離測(cè)量.程序流程圖如圖7所示.

3.2信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

信標(biāo)節(jié)點(diǎn)作為盲節(jié)點(diǎn)的位置參考點(diǎn)，根據(jù)定位指令多次收集RSSI值并濾除某些異值后計(jì)算其平均值，然后將計(jì)算得到的RSSI平均值和其自身坐標(biāo)一起建立數(shù)據(jù)包發(fā)送給路由器.信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖8所示.實(shí)現(xiàn)的功能有：轉(zhuǎn)發(fā)定位網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)信息，具有掉電后保持信息的記憶功能.程序流程圖如圖8所示.

圖7 盲節(jié)點(diǎn)流程圖

圖8 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)程序流程圖

3.3路由器軟件設(shè)計(jì)

路由器的軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)定位系統(tǒng)中的核心部分，負(fù)責(zé)維護(hù)無(wú)線(xiàn)定位網(wǎng)絡(luò)并采集轉(zhuǎn)發(fā)定位數(shù)據(jù)包給定位分站，協(xié)調(diào)整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò).程序流程圖如圖9所示.實(shí)現(xiàn)的主要功能有：組建無(wú)線(xiàn)定位網(wǎng)絡(luò)和完成數(shù)據(jù)的收發(fā)；與定位分站通信，轉(zhuǎn)發(fā)定位分站給網(wǎng)絡(luò)中各信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)配置信息和相應(yīng)的請(qǐng)求指令功能.路由器的工作流程如圖9所示，一方面它要接收定位分站為各個(gè)節(jié)點(diǎn)提供的配置參數(shù)信息并發(fā)送給相關(guān)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，另一方面對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)傳送來(lái)的數(shù)據(jù)信息，路由器節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)分析處理后上傳到定位分站.

圖9 路由器程序流程圖

4 結(jié) 語(yǔ)

將ZigBee技術(shù)應(yīng)用在煤礦井下定位系統(tǒng)中可以有效的完成井下人員定位,使定位更為精確,高效, 提高了井下定位的服務(wù)質(zhì)量.采用不間斷連續(xù)電源供電，保證了工作持續(xù)性.將ZigBee無(wú)線(xiàn)信號(hào)功率放大，保障了無(wú)線(xiàn)信號(hào)的有效傳輸，使定位的范圍擴(kuò)大，這種定位系統(tǒng)可以應(yīng)用到煤礦安全生產(chǎn)和其他需要定位工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中，是一種解決定位的參考解決方案.

[1] 劉志高, 李春文, 耿少博, 等. 帶盲區(qū)巷道網(wǎng)絡(luò)人員全局定位系統(tǒng)[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2010, 8: 236-241.

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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.

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12543067)

汝彥冬(1980-)，男，博士，副教授，研究方向：煤礦安全監(jiān)控、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò).

TP274

：A

1672-0946(2017)04-0469-04