基于ZigBee 技术的井下人员定位系统

    1.引言

    目前，煤矿的安全生产已经受到前所未有的关注和重视，煤矿的安全生产是煤矿企业效益的保障和持续健康发展的重要条件，因此，建立可靠实用的煤矿井下定位系统，提高对井下人员的监控和调度，增强发生事故时井下人员的快速反应能力，以改善煤矿的安全生产管理有着重要的现实意义。

    ZigBee技术是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。ZigBee 的基础是IEEE 802.15.4，这是IEEE 无线个人区域网（Personal Area Network，PAN）工作组的一项标准，被称作IEEE 802.15.4（ZigBee）技术标准。ZigBee技术具备功耗小、时延短、网络容量大和安全等优点，在短距离、低功耗、无线通信中具备特有的技术优势，ZigBee 技术应用于小范围的基于无线通信的控制和自动化等领域。我们针对大中型煤矿设计了基于ZigBee技术的井下人员定位系统。

    2.系统组网方案

    2.1 系统功能与技术指标

    本系统运用ZigBee 技术进行井下人员定位。通过定位基站实现地面监控中心与井下人员的实时通信。该系统具有设备和施工简单，成本较低，实用性强等特点，并采用无线和有线相结合的方式，有很好的扩展性，可应用于大中型煤矿的井下人员定位和监控管理。

    系统主要功能：

  

图 1 井下人员定位系统框架图

     （1）对井下人员进行定位,并进行相关信息统计。能够实时地监控井下人员的具体位置(误差范围内) ;能够进行人员下井考勤与相应时间、地点的统计
    (包括何时下井,何时离井,具体位置等)。

    （2）井下人员可以通过携带的无线定位机向系统发出报警，监控中心可以第一时间了解事故地点，采取行动。监控中心通过对井下巷道的监视，发现异常情况，第一时间向井下人员发出告警。

    （3）井下人员轨迹描绘，根据定位基站记录的人员信息，描绘出人员的活动轨迹。

     系统主要技术指标：

    （1）网络规模大小约为6km;
    （2）定位基站总数量约为50 个;
    （3）无线通信距离为50m～100m;
    （4）基站BS 间距约为100m;
    （5）通信器移动速度为0～5m/s。

    2.2 系统的总体结构

    ZigBee 井下人员定位系统主要由定位基站、无线定位机和定位系统服务器等设备组成。其中无线定位机由井下人员携带，并以无线的方式和定位基站保持连接；定位基站安装在巷道壁上，与485 总线相连，负责管理其控制范围内的无线定位机的相关信息，并用串口的方式将相关信息上报给定位系统服务器；定位系统服务器负责对相关信息的处理、显示和报警系统框架图如图1 所示。

    定位基站主要包括：微处理器MCS08、ZigBee 芯片MC13192 和RS232 与RS485 转换芯片MAX3485E。主节点设备的组成图如图2 所示。

    

图2 定位基站结构图

    无线定位机主要包括：微处理器MCS08、ZigBee 芯片MC13192、报警按钮、报警指示灯、蜂鸣器和供电电池。无线定位机结构图如图3 所示。
 

图3 无线定位机图

    无线定位机的核心芯片是MC13192。MC13192[3]是短距离、低功耗、2.4GHz ISM 收发器,有完整的IEEE 802.15.4 物理层(PHY)调制解调器,以及MAC/MAC+ZigBee 协议堆栈,符合IEEE 802.15.4 标准，支持星型和网状网络。工作电压2.0V-3.4V,16 个通路,包括有1 个低噪音放大器，1.0mW 功率放大器(PA),VCO,板内电源调整器,以及广谱编码和译码,支持250kbps 的O-QPSK 数据,可编增益0-4dBm。MC13192 可与8 位嵌入式控制器（如Freescale 的MC9SO8GT 系列）协同使用，并在一个配套的MCU 上实现 ZigBee 的协议栈。

    MC13192 的特性包括：

    根据 IEEE 802.15.4 标准设计，采用ZigBee 技术；
    全频谱编码和译码；
    经济高效的 CMOS 设计几乎不需要外部组件；
    可编程的时钟，供基带 MCU 使用；
    标准的 4 线SPI（以4MHz 或更高频率运行）；
    扩展的范围性能（使用外部低噪音放大器（LAN）功率放大器）；
    可编程的输出功率，通常为 0－3.6 dbm；
    超低功率模式；
    7 条GPIO 线路。 

    3 .系统的软件实现

    在软件方面,使用Codewarrior 嵌入式集成开发环境进行开发调试。首先需要编写通过SPI 接口控制MC13192 的驱动程序,接着在其上再完成ZigBee 的MAC 层开发。然后就可以利用MAC 层提供的服务方便的进行无线定位子机和定位基站之间的数据传输。MAC 层与应用层间的接口是通过四个句柄函数来完成的。

    NWK_MLME_Handler()和MLME_NWK_Handler()用来传递MAC 层的控制命令(如网络接入等),NWK_MCPS_Handler()和MCPS_NWK_Handler()用来传递要求MAC 层传输的数据。可以看到在MAC 层会有两个队列分别保存着应用层发送的命令和数据,并在MAC_Main()里面进行进一步的处理。在Mlme_Main()里面会根据命令的不同,决定如何利用SPI 驱动程序操作无线收发芯片MC13192。

   4 .系统的定位原理

    定位基站和无线定位机之间通过SARD 的ZigBee 通信原语通信。每个无线定位机都有唯一的ID,无线定位机每隔10s 给定位基站发送状态信息，包括它的ID 号码和状态，总共3 个字节。定时10s 的实现过程：定义一个定时器，定时中断为100ms，在第100 个定时到来时，发送无线定位机的状态信息。

    定位基站在接收到一个无线定位机信息后，进行判别比较，看该无线定位机的ID 是否在IDTable 中已经存在，如果存在了，就把相对应的标志字段（lastupdate）清零，表明收到了存在子机的消息。如果不存在，那么就要把该子机的ID 写入IDTable，并且把newID 标志置1。在接收到子机发送的信息之后，马上回复一个ACK。

    定位基站通过定时查询，判断一个无线定位机是否离开。定义一个定时器，定时周期为100ms。在100 个定时周期之后，对现有的IDTable 中的数据进行查询，如果某一条ID 信息的lastupdate 字段值超过了3，说明该ID 对应的无线定位机已经连续100ms*100=10s 没有上报信息,可认为该无线定位机已经离开了定位基站，把该ID 的LostFlag 标志设置为1。举例说明井下人员如何定位，设有一矿工携带无线定位机A，经过某一定位基站B1。定位基站和无线定位机的通信流程如图4 所示。 

图4 无线定位机A与定位基站B1通信流程

    5.井下人员活动轨迹的确定

    本定位系统，在定位的基础上，还实现了人员轨迹描绘，这样不仅可以确定井下人员的位置，还可以知道他在井下活动的路线。井下人员所经过的定位基站会记录下的他所携带的无线定位机的ID 信息，并通过485 总线，将数据传给监控系统服务器。在数据库中，建立定位基站表，记录基站的ID 号，建立巷道节点表，记录节点的坐标值，建立路由表，记录一个基站到与其相邻的基站所经过的节点ID 和节点的坐标值，系统根据这些数据，描绘出某井下人员轨迹。

    举例说明人员活动轨迹描绘，设一矿工，经过定位基站B1,又经过节点1、节点2、节点3到达定位基站B2，其轨迹描绘如图5。

    

图 5 井下人员活动轨迹

    6.结论

    井下定位系统对煤矿的安全生产与管理有着重大意义。基于ZigBee技术的井下定位系统通过有线与无线结合的方式,利用ZigBee 网络容量大、功耗低、时延短等优势,采用MC13192 无线射频芯片，实现无线定位机和定位基站的通信，基站将收到的无线定位机的信息，传给监控系统服务器，可以实现地面控制中心对井下人员的实时通信与位置监测。本系统还实现了井下人员活动轨迹的显示，这是对定位系统功能很有价值的补充，可以更有效的了解井下人员的活动情况。

    (北京邮电大学电信工程学院，北京电子科技学院 张 乐 方 勇)