基于ZigBee的礦井無線定位系統(tǒng)

　　1 系統(tǒng)功能

　　ZigBee的無線定位系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)實(shí)用，工作可靠，可實(shí)現(xiàn)對(duì)井下工作人員的精確跟蹤定位。該系統(tǒng)不但在發(fā)生事故時(shí)可發(fā)揮重要作用，也可對(duì)工作人員進(jìn)行13常管理；既可對(duì)井下進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測，也可完成人員定位任務(wù)。系統(tǒng)工作時(shí)，監(jiān)控中心與終端可實(shí)現(xiàn)雙向通信，即監(jiān)控中心可以廣播報(bào)警信號(hào)通知作業(yè)人員，作業(yè)人員也可以發(fā)送異常求救信號(hào)到監(jiān)控中心 。

　　2 礦井ZigBee網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及硬件實(shí)現(xiàn)

　　2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

　　工作人員作為ZigBee的終端節(jié)點(diǎn)，隨身攜帶RFD設(shè)備（使用電池供電），與上層的路由設(shè)備（FFD）保持無線聯(lián)絡(luò)。由于井下工作人員數(shù)量較多，故路由器采用分區(qū)域設(shè)置?？紤]到突發(fā)情況，為了避免節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障而與網(wǎng)絡(luò)斷開，可以采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（mesh）組網(wǎng)，這樣可保證數(shù)據(jù)不丟失。在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，當(dāng)其中某一個(gè)路由器（Router）出現(xiàn)故障時(shí)，則數(shù)據(jù)流選擇其他的路由器或協(xié)調(diào)器（Coordinator）進(jìn)行數(shù)據(jù)流的傳輸?？紤]到巷道較深，故路由器之問采用無線電波接力的方式實(shí)現(xiàn)無線通信的連接。數(shù)據(jù)經(jīng)協(xié)調(diào)器實(shí)時(shí)匯總后發(fā)送到PC機(jī)，在監(jiān)控終端可以實(shí)時(shí)獲取井下工作人員的集體信息。FFD設(shè)備作為協(xié)調(diào)器，采用有線電纜供電方式，同時(shí)要設(shè)有備用電源，防止災(zāi)害發(fā)生時(shí)由于電纜中斷而無法正常工作 。

　　2.2 網(wǎng)絡(luò)的硬件實(shí)現(xiàn)

　　井下無線通信網(wǎng)絡(luò)硬件實(shí)現(xiàn)方式如圖1所示，其中JN5139 End device節(jié)點(diǎn)由井下人員隨身攜帶，作為終端節(jié)點(diǎn)，分布在各個(gè)巷道內(nèi)，數(shù)量可以很多，實(shí)時(shí)與上層路由JN5139 Router節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行信息的傳遞和接收，終端（End device）節(jié)點(diǎn)彼此之間不能進(jìn)行通信，只能與上層的路由（Router）節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。JN5139 Router節(jié)點(diǎn)可作為管理節(jié)點(diǎn)，分布在各個(gè)巷道內(nèi)，主要用于接收來自終端（End device）節(jié)點(diǎn)的信息并進(jìn)行信息匯總，然后將收集并處理過的數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器（Coordinator）節(jié)點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò)中可以根據(jù)需求來選擇路由節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，使其有效地管理各個(gè)巷道。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是對(duì)來自各JN5139 Router節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，經(jīng)RS-232總線傳遞到PC機(jī)（網(wǎng)絡(luò)中該節(jié)點(diǎn)只能設(shè)置1個(gè)）。

　　3 無線定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　3.1 無線定位系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

　　通過對(duì)ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及無線定位算法LQI的研究，便可設(shè)計(jì)出如圖2所示的無線定位系統(tǒng)。

　　通信的實(shí)現(xiàn)：

　?。?）“待定位節(jié)點(diǎn)”即為井下工作人員隨身攜帶的終端節(jié)點(diǎn)，由于人員是不斷流動(dòng)的，因此終端節(jié)點(diǎn)分布在巷道的任意位置，并與路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線連接用于數(shù)據(jù)傳輸。

　?。?）“錨節(jié)點(diǎn)”由分布在各個(gè)巷道內(nèi)位置固定的路由器節(jié)點(diǎn)組成，其中錨節(jié)點(diǎn)與待定位節(jié)點(diǎn)之間采用無線通信方式進(jìn)行鏈接和數(shù)據(jù)傳輸，而各路由器之問則采用無線電波接力的方式。最后路由器將收到所有信息匯總到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

　　（3）“協(xié)調(diào)器”對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后經(jīng)RS.232總線將數(shù)據(jù)輸送到地面的監(jiān)控終端，實(shí)時(shí)顯示待定位節(jié)點(diǎn)（即工作人員）的動(dòng)態(tài)信息。

3.2 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

　　要想完成基于ZigBee的無線定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先要對(duì)ZigBee的協(xié)議棧進(jìn)行開發(fā)，具體的開發(fā)流程如圖3所示。該流程圖適用于平面或空間定位方案，路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)由所選用的定位算法來確定。圖1中的路由節(jié)點(diǎn)作為錨節(jié)點(diǎn)，設(shè)置在巷道內(nèi)相應(yīng)的位置，而終端節(jié)點(diǎn)由井下工作人員隨身攜帶，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的定位。

　　要完成以上基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的流程圖的功能，需要對(duì)協(xié)調(diào)器（Coordinator）節(jié)點(diǎn)、路由（Rout·er）節(jié)點(diǎn)、終端（End device）節(jié)點(diǎn)分別編寫程序。以下是部分程序的說明：

　　ZigBee節(jié)點(diǎn)初始化函數(shù)：

　　協(xié)調(diào)器（Coordinator）節(jié)點(diǎn)的API函數(shù)說明：

　　4 結(jié)語

　　目前，國內(nèi)外已有的井下監(jiān)控與人員定位系統(tǒng)不能及時(shí)提供井下人員的動(dòng)態(tài)分布情況及作業(yè)情況等信息，一旦出現(xiàn)事故，很難進(jìn)行營救工作。因此，了解井下工作人員的動(dòng)態(tài)信息對(duì)于解決災(zāi)后的救援顯得非常重要。針對(duì)該問題設(shè)計(jì)的基于ZigBee的礦井無線定位系統(tǒng)，技術(shù)先進(jìn)，功能完備，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。