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      基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)礦井下人員定位的硬件系統(tǒng)設(shè)計

      2015-03-23 03:04:05張艷紅
      科技資訊 2014年33期
      關(guān)鍵詞:ZigBee技術(shù)

      張艷紅

      摘 要:該文研究了Zigbee網(wǎng)絡(luò)礦井人員定位硬件系統(tǒng)組網(wǎng)思路與設(shè)計。井下硬件擬用參考節(jié)點CC2430芯片,定位節(jié)點CC2431芯片,礦井人員定位通過無線強度信號衰減(RSSI)方式實現(xiàn)。井上硬件采用服務(wù)器,結(jié)合使用以太網(wǎng)Ethernet有線網(wǎng)絡(luò)和ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進行相關(guān)數(shù)據(jù)處理。

      關(guān)鍵詞:Zigbee技術(shù) CC2430/CC2431 RSSI

      中圖分類號:TD76 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2014)11(c)-0018-01

      近年來,礦井重大、特大事故時有發(fā)生,事發(fā)后制定救援方案,對井下遇險人員的準確定位是十分重要的。針對礦井下復(fù)雜的工作環(huán)境,基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的井下人員無線定位系統(tǒng)具有十分重要的意義。Zigbee網(wǎng)絡(luò)整個系統(tǒng)是由地面有線網(wǎng)絡(luò)和井下全覆蓋的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)共同組成。井下巷道內(nèi)布置有若干個無線信標,無線定位傳感器被植入到礦井人員的礦帽內(nèi),無線信標通過對無線傳感器實時信號的搜集和發(fā)射,且對礦井人員實時準確的定位,再由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)的信息實時的傳送至地面的計算機,地面計算機可直接收數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進行存儲、計算和分析,這樣就可對井下人員進行實時的監(jiān)測。該文就Zigbee網(wǎng)絡(luò)對礦井人員定位的硬件系統(tǒng)進行研究,該系統(tǒng)主要由井下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和地面監(jiān)控計算機兩大部分構(gòu)成。

      1 井下硬件結(jié)構(gòu)

      井下硬件結(jié)構(gòu)采用的是Zigbee網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng),它分別由移動定位終端、基準定位器、定位分站和礦用光纖等四部分組成。

      移動定位終端由zigBee網(wǎng)絡(luò)中數(shù)量龐大的RFD構(gòu)成。移動定位終端定時發(fā)送數(shù)據(jù)包給無線網(wǎng)絡(luò),并將查詢的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心。

      基準定位器使用普通或功率增強型Zigbee模塊,定位基準器相當于Zigbee網(wǎng)絡(luò)中路由器,為全功能設(shè)備(FFD),和井下人員攜帶的移動定位終端進行聯(lián)絡(luò),且根據(jù)提供信息的數(shù)據(jù),再由RSSI計算出移動定位終端數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)傳送給定位分站。

      定位分站作為一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器,其總節(jié)點是由網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸構(gòu)成,也是有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)的接口,且負責Zigbee網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建、維護及管理。

      光纖傳輸子系統(tǒng)采用光纖以太網(wǎng)。光纖傳輸具有頻率特性好、頻帶寬、衰減小、抗電磁干擾能力強等特點,無需中繼補償,信號傳輸?shù)目煽啃院唾|(zhì)量都得到了提高。

      2 井下硬件設(shè)計

      2.1 Zigbee的選擇

      該定位跟蹤系統(tǒng)是基于網(wǎng)絡(luò)平臺構(gòu)建起來的,移動節(jié)點定位通過CC2431內(nèi)部集成的硬件定位引擎而實現(xiàn),該芯片具有低功耗、抗干擾能力強等特點,適應(yīng)于井下短距離的無線網(wǎng)絡(luò)。為了能降低成本,其中網(wǎng)關(guān)及參考節(jié)點的主控芯片選用CC2430,移動節(jié)點選用CC2431,兩款芯片的主要的差別就是CC2431有跟蹤定位引擎,而CC2430沒有跟蹤定位引擎。

      2.2 CC2430/CC2431定位引擎設(shè)計

      定位引擎基于RSSI技術(shù),且它由定位節(jié)點、路由節(jié)點和接入節(jié)點等組成。如圖1所示,分別對B1、B2和B3的定位節(jié)點路由路徑加以說明;其中路由節(jié)點、接入節(jié)點和定位節(jié)點分別由A、甲、乙、B代表。從圖中不難看出B1處于A2和A3兩個節(jié)點的檢測的范圍內(nèi),因為B1被障礙物阻擋,只能與A2聯(lián)絡(luò),而不能與A3聯(lián)絡(luò),從圖1中可看出其路由路徑為:

      B1--A2--A1--甲--以太網(wǎng)

      B3同時處于A3和A4兩個節(jié)點的檢測范圍之內(nèi),因為B3被障礙物阻擋,只能與A4正常聯(lián)絡(luò),而不能與A3聯(lián)絡(luò),因此可看出其路由路徑為:

      B3--A4--A5--乙--以太網(wǎng)

      B2同時處于A3和A4兩個節(jié)點的檢測范圍之內(nèi),由于B2沒有被任何障礙物所阻擋,因此它能同時和A3、A4同時聯(lián)絡(luò),路由路徑為:

      B2--A4--A5--乙--以太網(wǎng)

      B2--A3--A2--A1--甲--以太網(wǎng)

      由此可得,CC2431硬件定位引擎不需占用處理器的時間,只需寫入?yún)⒖脊?jié)點坐標和測量參數(shù),就能快速度、高精度處理數(shù)據(jù),并計算出移動節(jié)點坐標參數(shù),實現(xiàn)定位追蹤。

      3 井上硬件結(jié)構(gòu)與設(shè)計

      井口建立井端服務(wù)器,匯接井下采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù),地面監(jiān)控計算機負責數(shù)據(jù)的分析、處理、匯總和統(tǒng)計,并接入Internet網(wǎng),結(jié)合使用以Ethernet(IEEE802.3)有線網(wǎng)絡(luò)和Zigbee無線網(wǎng)絡(luò),通過以太網(wǎng)關(guān)將無線信息傳送轉(zhuǎn)變?yōu)橛芯€信息的傳送。

      4 結(jié)語

      該文提出了一種基于Zigbee技術(shù)的井下人員無線定位系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的設(shè)計,為礦井事故搶救人員安全和財產(chǎn)安全爭取寶貴有限的時間,很大程度上提高了礦井下救援的效率。

      參考文獻

      [1] 郭棟,秦明芝,王偉敏.基于cc2430的Zigbee無線感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(xiàn)[J].物 聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2011(1),40-42.

      [2] CC2430 datasheet,Chipcon Products from Texas Instruments[S].

      [3] 黃旭慧.基于Zigbee技術(shù)的煤礦井下人員定位系統(tǒng)研究與應(yīng)用[D].南昌:南昌大學(xué),2007.

      [4] 宋先明,溫良,王紅堯,等.煤礦井下應(yīng)急救援無線生命體征監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2012,40(6):86-88.endprint

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