基于ZigBee技术的井下人员定位系统的设计(2)

西安科技大学硕士学位论文基于ZigBee技术的井下人员定位系统的设计姓名：张东伟申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：于洋@论文题目：基于ZigBee技术的井下人员定位系统的设计专业：机械电子工程硕士生：张东伟（签名）指导教师：于洋（签名）摘要针对目前煤矿井下人员定位网络的功能单一、组网能力差和不能同时对多个移动目标实行定位的情况，基于ZigBee技术的井下人员定位系统因能很好的解决这一问题而得到广泛研究应用。通过井下ZigBee子网实时接收到移动节点信号再转发到地面控制中心，可以实现地面控制中心对下井人员实时定位、身份识别。这样，一方面可以对下井人员进行考勤；另一方面对煤矿发生事故后进行有效救援提供了依据。文章研究的主要内容是：1.深入研究ZigBee无线通信技术和IEEE802.15.4协议。对ZigBee协议栈的全面研究后，更加清晰的理解了无线通信原理技术，同时也为后面的定位软件编程打下了结实的理论基础。2.考虑到开发成本及现实条件情况，设计开发了无线通信节点的软件程序及硬件模块。一个CC2430主芯片，以及简单的外围电路，组成了定位模块。论述了主控芯片的芯片结构和通信程序的编写。3.本文研究了无线传感器网络节点定位算法，简要介绍了与距离有关(range-based)、与距离无关(range-free)的常见算法，昀终选用了比RSSI参数动态范围更大的LQI参数来定位，实地测量了一些LQI数据，作出了LQI经验值的参照表，采用了基于3个锚节点的平面定位方案及基于8个锚节点的空间定位方案。4.在实验室环境下，进行了模拟测试，达到了预期的实验结果。关键词：ZigBee技术；IEEE802.15.4协议;CC2430；人员定位算法研究类型：应用研究Subject:UndergroundStaffPositioningSystemDesignBasedonZigBeeTechnologySpecialty:MechanicalandElectronicEngineeringName:ZhangDongWei(Signature)Instructor:YuYang(Signature)ABSTRACTForthecurrentcoalmineundergrounstafffunctionsofasinglenetworklocation,thebadnetworkcapacityandnotbeinglocatedformorethanamovingtargetatthesametime,itistheapplicationofextensiveresearchthatZigBeetechnology-basedpositioningsystemundergroundstaffcansolvethisproblemverywell.ThroughZigBeesubnetwecanreceivereal-timesignaloftheundergroundmobilenodesandthentransmitthemtothegroundcontrolcenter,sowecanachieveforpersonneltogodownreal-timelocation,identification.Inthisway,ontheonehandthegroundcontrolcentercangodownstaffattendance;ontheotherhand,afteracoalmineaccidentwecanprovideabasisforeffectiverelief.Ourresearchmainlyfocusesonthefollowing：1.In-depthstudyIEEE802.15.4ZigBeewirelesscommunicationtechnologyandprotocols.AfterZigBeeprotocolstackonthecomprehensivestudy,wewillhaveamoreclearunderstandingoftheprinciplesofwirelesscommunicationstechnology,aswellasthebackofthepositioningsoftwareprogramhaslaidasolidtheoreticalbasis.2.Takingintoaccountdevelopmentcostsandthesituationofreality,wehavedesignedanddevelopedthesoftwareprogramofwirelesscommunicationnodesandhardwaremodules.ACC2430mainchipandsimpleexternalcircuithaveformedthepositioningmodule.Discussesthemaincontrolchip,thechipstructureandcommunicationproceduresofthepreparation.3.Thispaperhasstudyedthewirelesssensornodelocalizationalgorithm，andhadabriefintroductionofthedistance(range-based),hasnothingtodowiththedistance(range-free)ofthecommonalgorithm,andbasedonthemobileanchornodedepartureandarrivalinformation,useofRSSI(receivedsignalStrengthIndication)algorithmtolocatethechanges.4.Inlaboratoryconditions,carriedoutsimulationteststoachievethedesiredresults.Keywords：ZigBeetechnologyIEEE802.15.4agreementCC2430StafflocationAlgorithmThesis：AppliedResearch1绪论11绪论1.1煤矿安全的现状随着我国对石油进口的日益扩大，为了保障国民经济的稳定发展，我国将在未来的很长时期需要对煤炭资源进行合理开采，来确保我国经济又好又快发展。在陕西省陕北地区蕴藏着丰富的煤炭资源，该地区已被规划为我国重要的能源供需基地。由于地理位置的特殊，黄土高坡的复杂地形，而在该地区分布的大量中小型煤矿，存在重生产轻投入，尤其一些企业只凭租赁一般性的开采设备，便投入生产，而且对工作人员的安全教育和安全管理也不十分重视，这便对工作人员的安全极大的埋下了隐患。为了建设和谐社会，一切工作都要以人为本，只有加大安全投入，花小钱得大利。长期以来，煤炭一直是我国的重要基础能源和原料，煤炭生产关系国计民生。然而，由于种种原因，煤炭生产事故时有发生，如何加强安全生产的防范措施，如何正确处理安全与生产、安全与效益的关系，如何准确、实时、快速履行煤矿安全监测职能，保证抢险救灾、安全救护的高效运作，摆到了国家各级主管部门和领导的面前。经过长期的探索，我们发现建立以灾害预防、事故救助、电子信息化管理为主要目标的信息化和智能化建设势在必行。为了不断加强煤炭企业的日常管理及抢险救援工作，我们采用国际昀新的射频识别技术，开发了“煤矿井下人员定位系统”[1]。这一科技成果的实现，必将为煤矿企业的安全生产和经营管理上台阶、上水平带来新的契机。据中国计算机用户周刊调查结果显示：所有被调查单位都非常关注地理信息系统、井下通信和应急救援系统。本项目研究的基于ZigBee技术的煤矿井下人员定位系统，应实现以下功能：可对煤矿入井人员进行实时跟踪监测和定位，根据井下上传的位置信息，判断分析煤矿入井人员的行进方向；可为管理监控人员提供基于电子矿井巷道图的人员位置动画显示；在矿难发生的情况下，还可立即从监控计算机上查询事故现场的人员位置分布情况、被困人员数量、遇险人员撤退线路等信息，为事故抢险提供数据依据。1.1.1国内发展状况目前在地面上现有的各种基于基站的无线通信技术，例如GSM,CDMA等在矿井下都无法通信。通过在淮南煤矿井下进行的实际测试，ZigBee技术在井下可通信且状况良好，通信的距离可达200多米。煤炭工业在我国国民经济建设中占有重要地位，但是由于矿井下的潮湿，易爆等等这些十分恶劣的环境的存在，矿井的安全则一直是人们普遍关注的问题。煤矿安全生产西安科技大学硕士学位论文2关系到我国人民群众的生命和财产的安全，关系到社会经济发展和稳定，故进一步加强煤矿安全生产的工作已受到党和国务院的高度的重视。实现矿井工作人员的跟踪定位是加强矿井安全生产的有力的措施，同时还可以让地面调度室随时了解井下的情况，实现井下人员的调度和分配，提高工作效率。目前国内有不少企业从事井下人员跟踪系统的研究与开发，例如北京凌天世纪自动化技术有限公司研制的KJ155型矿用人员跟踪考勤系统，北京维深电子井下人员跟踪系统，以及上海秀派电子科技有限公司研制的KJ-19井下人员及设备跟踪系统等等。目前井下人员跟踪系统基本上都是采RFID(RadioFrequencyIdentification无线射频)技术，这种方法是在在矿井井口处，或其它井下一些关键通道口，使用射频卡（RFID）读取的方法对下井人员进行记录跟踪的方法。这种方法存在如下几个问题：（1）标识卡有效工作时间短从煤矿人员定位发展情况看，有源标识卡取代无源标识卡已经是不争的事实，为解决标识卡的供电问题，出现了灯卡合一的标识卡，严格地讲这样做是要破坏矿灯的防爆性能的。因此，开发低功耗、高效率的标识卡技术是当前人员定位系统发展中需要解决的一个问题。（2）在高速条件下定位人员漏检率较高射频卡这种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（例如乘车下井、多人一超行走），此时，系统往往会出现漏读；提高系统在高速、大流量下识别的准确性是人员定位系统面临的一个难题。（3）定位精度低由于井下无线电传播信道的复杂性和非线性，急需发展此种情况下的精确定位技术。（4）标识卡价格昂贵、读卡器价格昂贵（5）单向信息传输，信息传输速率低早期人员定位系统信息传输的方向都是由标识卡到主站方向的，作为保证矿工安全的系统确没有办法向井下发送信息，使该类系统所能发挥的作用大打折扣。人员定位系统信息传输数据较低影响了系统的实时性。（6）功能单一传统意义上的人员定位系统主要功能为，人员位置跟踪、考勤等，功能单一，与安全监控系统，生产调度系统、采矿、地测等系统信息缺乏交互，彼此的信息不能共享，致使系统的决策支持能几乎没有。现有的RFID射频读写系统（包括SuperRFID），很难实现井下人员的区域定位和井下人员的考勤，从使用的技术上不能实现真正意义上的井下人员定位跟踪。1绪论3成都西谷无线通信公司和深圳许昂公司在他们的ZigBee通信模块的应用中说明有人员定位的应用，但是具有一定规模的矿井下的实际应用还未见其产品。1.1.2国外发展状况美国安菲斯公司是一家专业从事高科技产品研发、生产和销售的集团公司。公司生产的PED系统是使用超低频信号穿透岩层传输的无线急救通信系统。该系统已经在美国，加拿大，澳大利亚等煤矿实施。该系统在发生矿难时能起到很好的急救措施作用，然而价格也比较昂贵。1.2无线传感器网络概述在介绍基于ZigBee技术井下无线网络[2]组建之前，让我们首先了解基本无线传感器网络的概念。1.2.1无线传感器网络无线传感器网络[3]就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，并通过无线通信方式形成的一个多跳的、自组织的网络系统，其目的是协作的感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的3个要素。通俗地讲，无