基于ZigBee技术的矿井人员定位系统研究概要

第30卷第9期 2007年9月

合肥工业大学学报(

自然科学版

JO U RN AL O F H EFEI U N IV ERSIT Y OF T ECH N OL O GY

Vol. 30No. 9 Sept. 2007

收稿日期:2006-09-14; 修改日期:2006-11-20

基金项目:安徽省 十五 二期科技攻关计划资助项目(040120492

, , , 基于ZigBee 技术的矿井人员定位系统研究

张维勇, 俞 海, 张 芬, 蔡志文

(合肥工业大学计算机与信息学院, 安徽合肥 230009

摘 要:文章在分析矿井下通信技术和现有井下人员定位系统的基础上, 阐述了新兴的Zig Bee 无线通信技术在井下人员定位系统中的应用, 重点讨论和分析了组团协议。该系统将更加便于矿井人员的生产管理, 提高安全性。

关键词:组团协议; 分簇算法; 人员定位; Zig Bee 技术

中图分类号:T P393 17 文献标识码:A 文章编号:1003-5060(2007 09-1087-04

Personnel positioning system of underground

coal mines based on the ZigBee technology

ZH ANG We -i yong, YU H ai, ZH ANG Fen, CAI Zh-i w en

(School of Computer and Inform ation, H efei University of Techn ology, H efei

230009, C hina

Abstract:The comm unicatio n technolo gies for undergr ound coal m ines and the pr

oblem s in the cur rent personnel tracking system in the co al m ines are introduced and

analyzed. The application of the ZigBee technolo gy in the perso nnel po sitio ning

system of underg round co al mines is described, and the cluste -r ing proto col is

analyzed in detail. T his study w ill help to improve the management and security in coal

mines.

Key words:clustering protocol; clustering alg orithm ; perso nnel positioning; Zig

Bee techno logy 煤炭工业在我国国民经济建设中占有重要地位, 但是由于井下的潮湿、易暴等恶劣的环境, 矿井安全一直是一个十分关注的问题。当矿井出现危险情况时, 如果能够实现对井下人员的定位, 让地面工作人员知道井下人员的位置, 便于展开有效的救援, 这对矿井工作人员的人身安全有十分重要的意义。

另一方面, 通过井下人员定位系统, 地面工作人员掌握井下情况, 可以通过地面控制台向井下人员发送信号, 实现人员的调度和分配, 提高工作效率。

针对井下的恶劣环境, 现有的井下无线通讯技术主要有红外线[1]、超低频通信[2]、漏泄系统[3]

、双音多频和ZigBee 技术[4]

等。

红外线技术是应用于矿井下最早的技术之一, 也相对成熟, 主要用于井下地表温度及瓦斯浓度的测量。由于它的传输距离较短(通常只有3~10m , 不适合人员的定位需求。

漏泄系统是井下较好的一种通信方式, 它结合有线和无线通信2种方式。首先,

在矿井的巷道内布置同轴电缆, 在同轴电缆的周围借助电缆可以实现无线通信。缺点是无线通信离不开有线电缆, 离电缆的距离也不能太远。

ZigBee 是基于IEEE802 15 4[5]的短距离、低功耗、低成本、低速率的无线通信技术, 在网络通信距离和组网规模上不仅可用到家庭网络[6]上, 也适合应用在矿井下。具体表现为:

(1 ZigBee 通信模块的传输距离达150m, 加上功放模块可以达到500m 以上, 通信距离能够满足井下通信的需要。

(2 采用直序扩频技术, 具有很强的抗干扰能力, 并且使用的是国际2 4GH z 免费频段。

(3 ZigBee 节点体积小, 安装方便。(4 网络容量大, 一个Zig Bee 网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备, 并且多个Zig -Bee 网络之间可以直接互连。

1 矿井人员跟踪系统现状

目前, 国内有一些企业从事井下人员跟踪系统的研究与开发, 但是这些井下人员跟踪系统基本上都是采用RFID 技术[7]

, 通过在矿井进口处以及一些关键通道口设置读卡器, 读取矿工携带的射频卡信息来对下井人员进行登记记录, 实际上并不是真正意义上的人员跟踪, 无法实时地报告井下人员的具体位置, 该方法存在以下问题:

(1 射频卡读写系统读写距离非常有限, 它只能用于上、下矿井人员的考勤记录。

(2 射频卡读写系统使用的频率都较低, 抗干扰能力差。

(3 该系统读卡速度十分有限, 不能处理多人同时快速通过读卡系统的情况, 系统往往会出现漏读。

(4 如果使用远距离射频卡(RFID 系统, 读写器价格都较贵。

由于存在以上不足, 许多矿井人员定位系统在实际使用中并不理想。

2 定位系统概述

基于ZigBee 无线通信技术的矿井人员定位系统分为井上设备和井下设备两部分。在井上设有监控中心(PC 机 , 运行人员定位管理软件, 通过已有的以太网或CAN [8]

等有线网络与井下设备相连; 井下设备包括固定通信节点和移动标签。在矿井的巷道内每隔一段距离(按照ZigBee 模块的通信距离和定位需求, 可以选择50~200m 放置一个固定通信节点。部分固定节点接入有线网络, 其余的通过Zig

Bee 技术网络层协议组成无线自组织网络。

矿井工作人员佩戴的微型通信模块, 可以通过矿灯电池供电, 称为移动标签。这些移动标签定时发送身份标识等信息, 固定节点收到后通过网络传到地面的监控中心, 达到实时人员定位的效果。为适应某些如机车载运矿工等人员密集情况, 移动标签使用组团协议, 由团长代替团员发送信息从而减少信息的传输量, 提高读标签速度和定位系统健壮性, 同时可以降低功耗。系统结构

固定通信节点和移动标签即为Zig Bee 节点, 由控制器和符合Zig Bee 规范的射频模块组成。

控制器通过SPI 总线和一些离散控制信号与RF 收发器相连, 控制器充当SPI

主器件而RF 收发器充当从器件, 结构如图2所示。本系统中Zig -Bee 节点的控制器采用M cr io chip 公司的PIC18F 单片机, 射频模块为挪威半导体公司Chipcon 推出的CC2420。

移动标签和固定通信节点的硬件结构图是相同的, 但是在硬件设计时将PIC 单片机和射频芯片集成在同一块PCB 上, 精简了外围接口电路, 体积小巧, 便于携带。

图1 矿井人员定位系统

图2 ZigBee 节点结构图

3 组团协议

3 1 组团协议的产生

固定通信节点之间通过CAN 总线连接可以实现可靠的信息传输, 而移动标签由矿工携带。在矿井机车运载工人上下班等场合下, 节点的密度大、移动速度快, 固定节点无法快速正确读取移1088

合肥工业大学学报(自然科学版 第30卷

移动标签中通过算法选取一个团长, 其余为团员。由团长将整个团的信息发送给固定节点, 避免了许多节点同时通信产生的冲突和丢失, 同时节省了节点能量。

3 2 组团协议的基本思想和原则

组团协议的最终目的, 是减少多址接入冲突, 提高读标签速度, 实现由团长管理和组织团员并与固定节点通信, 团员只须和团长保持联系, 其他时间可进入睡眠状态以节省节点能量。当有一个孤立节点时, 这个节点就是团长; 当有节点加入时要按

照一定的算法选出一个团长, 即并团; 当有节点离开时要拆团, 变成2个, 甚至更多的团。在定位方面, 借助射频模块的接收信号场强定位[9], 即RSSI(Received Signal

Strength Index 值。固定节点根据收到信息的RSSI 值判断团长与固定节点之间的距离, 团长位置确定了整个团的位置。要提高定位的准确性, 就要增大固定节点的布设密度。在组团时需考虑如下问题:

(1 单个节点为孤立团长。

(2 2个或2个以上的团在距离足够靠近时(团长在彼此的通信范围内 , 要进行并团。并团有不同的算法, 可以是两两并团, 或是多个团一起合并。为了减少复杂度,

采用两两并团的原则。

(3 团长的选取。可以给每个节点分配一个ID 号, 在并团的时候按照ID 号最小的团员成为新的团长。

(4 团员的上限。应当对每个团的团员的最大个数作一个限定, 如30个团员。这样也带来了并团的新问题, 如一个已经有28个团员的团长和一个已经有20个团员的团长进行并团时, 就会超过30, 造成永远都并不了团。如果还有一个团有25个团员, 也不能并团, 这样的后果是团长之间不停的发送并团帧, 造成很多不必要的通信。所以, 虽然团员的上限是30, 但是存在一个过早饱和的问题。可以通过数学仿真的办法定出这个过早饱和的上限, 如27人。当一个团的人数达到27人的时候, 认为团已达到饱和, 不再发送并团请求。

(5 团员的离开。团员离开时, 要进行拆团。当有一个团员离开团时, 这个团员成为孤立团长。当有几个团员同时离开这个团时, 它们将分别成为新的团长, 再进行重新并团。这样, 拆团在某种程度上转化成并团, 使得协议的实现简单可靠。(6 节点的通信距离问题。并不是节点的通

距离过大而降低定位精度, 可通过软件设置单片机里的发射功率得到合适的通信距离。3 3 组团协议的流程

移动节点在电源开启后进入无限循环过程, 其内部运行过程类似于状态机。移动节点有2种身份即团长和团员。单个节点是团长, 并团之后成为团员, 离开团以后又成为团长, 并开始重新并团, 这样不停地转换自己的身份。

节点内程序主流程如图3所示。节点初始化, 分配ID 号, 置为团长空闲状态,

进入主循环。根据节点的状态和接收到的数据帧进入到下一状态, 做出相应的处理,

最后又返回到主循环。节点有等待响应并团、等待确认并团、团长空闲状态、等待团员确认、团员空闲状态及等待团长确认6种状态。

图3 程序总流程

图4所示为团长空闲状态时的流程图。

图4 团长空闲态

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第9期张维勇, 等:基于ZigBee 技术的矿井人员定位系统研究

首先, 判定团员数是否饱和, 如果饱和不做任何处理; 否则, 根据收到帧的类型作判断。如果是并团请求帧且能够响应, 发送响应并团帧, 设置超时并进入等待确认状态; 如果是团员发送的核对团长帧且自己就是被核对的团长, 发送响应核对帧, 否则还是置为团长空闲态; 如果没有收到帧, 广播并团请求帧。团长定时查询团员的中断到达, 广播查询团员帧, 最后返回到主循环。3 4 组团协议后台