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      基于ZigBee 的井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      2015-12-22 07:26:34
      科技視界 2015年24期
      關(guān)鍵詞:網(wǎng)關(guān)礦井芯片

      高 苗

      (淮南礦業(yè)集團(tuán),安徽 淮南 232001)

      0 引言

      隨著煤炭行業(yè)的快速發(fā)展,礦井開采比重逐年增大,根據(jù)煤炭行業(yè)的發(fā)展要求和礦井環(huán)境的特殊性,本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的井下人員定位系統(tǒng)。一方面,可以經(jīng)過地面控制臺(tái)向井下人員發(fā)送信號(hào),完成人員的調(diào)動(dòng)以及分配,提高工作效率。另一方面,可以在事故發(fā)生時(shí)迅速開展救援工作。這對(duì)加強(qiáng)煤炭行業(yè)的生產(chǎn)安全性,和提高礦井事故發(fā)生時(shí)被困人員的營(yíng)救效率具有十分重要的意義。

      1 ZigBee 技術(shù)介紹

      ZigBee 協(xié)議是專用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議,能最大可能的節(jié)省網(wǎng)絡(luò)中的能量,可接入大量節(jié)點(diǎn),具有高容錯(cuò)性,強(qiáng)魯棒性[1]。ZigBee 技術(shù)可自動(dòng)采集和處理各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。并且基于ZigBee 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展能力很強(qiáng),適合于需要自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并要求網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)念I(lǐng)域。

      表1 4 種無線通信的比較

      有表1 可知ZigBee 技術(shù)與其他無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相比具有低復(fù)雜度、低功耗、大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)、低成本等特點(diǎn),是礦井人員定位系統(tǒng)的最佳通信協(xié)議選擇。

      2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      基于ZigBee 的井下人員定位系統(tǒng)主要由地面控制中心、ZigBee網(wǎng)關(guān)、參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了新的井下到地面的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)。(1)ZigBee 子網(wǎng)先對(duì)井下人員進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和相關(guān)處理,然后把數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婵刂浦行?。?)將井下傳輸來的人員信息進(jìn)行清晰地顯示,并將信息記錄于數(shù)據(jù)庫中以便以后進(jìn)行查詢等操作。(3)地面控制臺(tái)根據(jù)當(dāng)前顯示的信息對(duì)井下人員進(jìn)行管理,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

      2.1 系統(tǒng)功能

      (1)考勤管理功能:系統(tǒng)記錄工作人員的入井和出井時(shí)間,對(duì)工作人員進(jìn)行考勤。并且實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下人員的工作布局情況。

      (2)人員定位功能:先在井下形成一個(gè)ZigBee 無線通信網(wǎng)絡(luò),覆蓋定位節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)。參考節(jié)點(diǎn)固定在井下巷道的適當(dāng)位置,定位節(jié)點(diǎn)安裝在井下人員的安全帽上。當(dāng)參考節(jié)點(diǎn)發(fā)出信號(hào)時(shí),定位節(jié)點(diǎn)立刻啟動(dòng)定位引擎功能。CC243l 的定位引擎首先收集參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)和RSSI 值,計(jì)算出自身坐標(biāo),然后將坐標(biāo)信息傳給網(wǎng)關(guān),網(wǎng)關(guān)再通過RS232 有線網(wǎng)傳送給地面控制中心。在地面控制中心的計(jì)算機(jī)上建立一個(gè)專門顯示井下人員位置的界面化軟件,實(shí)時(shí)觀察井下人員的位置和作業(yè)情況。當(dāng)發(fā)生瓦斯爆炸或者部分井礦塌方時(shí),系統(tǒng)可以精確掌握被困人員位置,實(shí)施有效地救援工作,從而減少人員傷亡。

      (3)通訊功能:系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)傳輸井上、井下數(shù)據(jù)的雙向通訊功能。一方面,井上工作人員若發(fā)現(xiàn)井下有特殊狀況時(shí),其可以向井下人員發(fā)送緊急通知,并指示井下人員按照指定路線撤離。另一方面,當(dāng)井下人員發(fā)生緊急情況時(shí),井下人員可以向井上控制中心發(fā)出緊急信號(hào)。這樣,可以減少甚至避免人員傷亡。

      (4)WEB 瀏覽功能:采用B/S 結(jié)構(gòu)瀏覽模式,以網(wǎng)頁的方式瀏覽信息。B/S 結(jié)構(gòu)具有靈活性高、擴(kuò)展性強(qiáng),安全性高等優(yōu)點(diǎn)。

      (5)實(shí)時(shí)報(bào)告瓦斯?jié)舛?、溫度與濕度、環(huán)境參數(shù)等。

      2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

      (1)主機(jī)

      在主機(jī)上配備相關(guān)的界面化軟件,可以實(shí)時(shí)觀察井下人員的作業(yè)情況。同時(shí),便于地面工作人員管理和分配井下工作。

      (2)網(wǎng)關(guān)

      網(wǎng)關(guān)在整個(gè)系統(tǒng)中起到至關(guān)重要的作用。網(wǎng)關(guān)采用的芯片為CC2430。首先將地面控制中心配置給參考節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送給各參考節(jié)點(diǎn)。其次,將各節(jié)點(diǎn)反饋的數(shù)據(jù)傳輸給地面控制中心。

      圖2 網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

      (3)參考節(jié)點(diǎn)

      參考節(jié)點(diǎn)是靜態(tài)節(jié)點(diǎn),參考節(jié)點(diǎn)采用的芯片也為CC2430。參考節(jié)點(diǎn)將自身位置坐標(biāo)(x,y)、RSSI 值發(fā)送給定位節(jié)點(diǎn)。另外,參考節(jié)點(diǎn)還采集井下環(huán)境的溫濕度等參數(shù),并傳送給網(wǎng)關(guān)。

      (4)定位節(jié)點(diǎn)

      定位節(jié)點(diǎn)可在無線定位網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)任意移動(dòng)。該系統(tǒng)選用CC2431 芯片作為定位節(jié)點(diǎn),該芯片具有定位引擎的功能。定位節(jié)點(diǎn)能夠收集參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)和RSSI 值,然后通過極大似然估計(jì)法計(jì)算出自身坐標(biāo)值,并將坐標(biāo)信息傳輸給網(wǎng)關(guān)。

      采用極大似然估計(jì)法計(jì)算定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。該算法計(jì)算量不大,只需要和、差、乘法。已知參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為(Xi,Yi)(i=1,2…n),到定位節(jié)點(diǎn)的距離為di,令定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)為(X,Y),則:

      3 硬件設(shè)計(jì)

      CC2430 是Chipcon 公司推出的用來實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee 應(yīng)用的片上系統(tǒng)。它支持2.4GHzIEEE802.15.4/ZigBee 協(xié)議[4]。因?yàn)?28KB 內(nèi)存的CC2430 芯片滿足系統(tǒng)要求,所以選擇其為主芯片。同時(shí),CC2430只要少量的外接元件,所以硬件設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)便。CC2430 網(wǎng)關(guān)射頻模塊電路如圖3 所示。

      圖3 CC2430 通信模塊電路圖

      4 井下人員定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

      定位節(jié)點(diǎn)首先接收參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)和RSSI 值,然后計(jì)算出自身的坐標(biāo)值,并把坐標(biāo)傳輸給網(wǎng)關(guān)。定位節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖4 所示。

      圖4 定位節(jié)點(diǎn)工作流程

      網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)工作流程如圖5,首先將面控制中心配置給各參考節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),經(jīng)校驗(yàn)準(zhǔn)確后,發(fā)送給各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)。其次,將接收到的各節(jié)點(diǎn)反饋數(shù)據(jù)傳輸給地面控制中心。

      圖5 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)工作流程圖

      5 定位系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

      為了驗(yàn)證系統(tǒng)的定位精度,在實(shí)驗(yàn)室走廊進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。在走廊一側(cè)設(shè)置3 個(gè)間隔50m 的CC2430 參考節(jié)點(diǎn)、一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)定位節(jié)點(diǎn)。主機(jī)采用TI 公司的Z-Location Engine 軟件進(jìn)行監(jiān)測(cè)。定位系統(tǒng)演示圖如圖6 所示,黃色圓點(diǎn)為參考節(jié)點(diǎn),綠色圓點(diǎn)為定位節(jié)點(diǎn)。其中,參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(60,160)、(110,160)、(160,160),定位節(jié)點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo)為(100,160),由定位系統(tǒng)測(cè)得定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為(98,155),則坐標(biāo)誤差為(2,5)。再將定位節(jié)點(diǎn)放置其他位置,經(jīng)測(cè)得平均坐標(biāo)誤差 為(2.3,4.7)。由此可知,當(dāng)參考節(jié)點(diǎn)間隔為50m 時(shí),定位精度為5m,滿足井下人員定位系統(tǒng)的定位要求。

      6 結(jié)束語

      為了加強(qiáng)煤炭行業(yè)的生產(chǎn)安全性以及提高礦井事故發(fā)生時(shí)被困人員的營(yíng)救效率,文章設(shè)計(jì)了一種低成本、體積小、低功耗、通用性強(qiáng)、支持大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基于ZigBee 的井下人員定位系統(tǒng)。ZigBee 協(xié)議還處在發(fā)展時(shí)期,在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)切換上,還存在一定的盲區(qū),還需進(jìn)一步完善[7]。

      圖6 定位系統(tǒng)演示

      [1]楊朋偉.基于Zigbee 的低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].西安:西安工業(yè)大學(xué),2009.

      [2]陳森,朱浩,金巖華.基于CAN 和Zigbee 技術(shù)的井下定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2009,25(2):27-28.

      [3]吳清收,梁輝,史珍.基于Zigbee 的井下人員定位系統(tǒng)的研究[J].煤礦機(jī)械,2012,33(2):223-226.

      [4]于洋,張東偉,崔建軍.基于ZigBee 技術(shù)的井下人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2009,12(30):0019-0021.

      [5]張長(zhǎng)淼,董鸚永,徐景濤.基于ZigBee 技術(shù)的礦井人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化,2008,2:48-50.

      [6]謝曉佳,程麗君,王勇.基于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的井下人員跟蹤定位系統(tǒng)[J].煤炭學(xué)報(bào),2007,32(8):884-888.

      [7]宋志月.基于zigbee 礦井下人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].軟件,2011,32(4):61-63.

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