基于Zigbee协议的战备坑道人员定位与管理系统

基于Ｚｉｇｂｅｅ协议的战备坑道人员定位与管理系统《电脑知识与技术·学术交流》2008年第8期字数：3306字体：【大中小】摘要：基于IEEE802.15.4的Zigbee协议的无线传感器网络战备坑道人员定位管理系统具有低成本、低功耗、网络规模大、传输距离远、组网方式灵活等优点。在阐述Zigbee协议的基础上，重点介绍了定位管理系统的网络架构、通信流程、编程实现，为基于Zigbee协议的无线传感器网络在各定位领域的应用提供了理论参考和实践依据。关键词：Zigbee协议；坑道；定位；管理中图分类号：TP315文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)08-10ppp-0c1引言1.1Zigbee技术概述Zigbee协议主要是为自动化控制数据传输而建立的，是当前无线传感器网络通信中的主流通信协议，在无线工业控制领域得到广泛运用。Zigbee网络可由多达65000个网络节点（FFD和RFD）组成，每一个网络节点（FFD和RFD）类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，网络节点（FFD和RFD）之间可以进行相互通信；每两个网络节点间的距离可以从标准的75米，扩展到几百米甚至几公里；整个Zigbee网络还可以通过互联网与异地Zigbee网络通信。每个Zigbee网络节点可以与监控对象连接直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料；一个Zigbee全功能设备节点(FFD:FullFunctionDevice)可在自己信号覆盖范围内，和多个简约功能设备节点(RFD:ReducedFunctionDevice)无线连接。每个Zigbee网络节点可以支持多达31个传感器和受控设备，每一个传感器和受控设备可以有8种不同的接口方式，可以采集和传输数字量和模拟量。1.2Zigbee技术优点综合Zigbee技术，可以发现其具有以下优点：（1）功耗低，使用电池供电支持长达6个月到5年左右的使用时间（根据发射功率和频率）。（2）可靠性高，采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个Zigbee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。（3）时延短，实时性好，针对时延敏感的应用较有优势。（4）网络容量大，可支持达65000个节点。（5）安全保密性好，ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES-128；64位地址编号保证地址空间容量及唯一性。1.3选用Zigbee技术的主要考虑采用该技术作为坑道人员定位管理系统基础，主要考虑一下几点：（1）坑道范围大，单位部门多，需要数据采集或监控的网点多；（2）要求传输的数据量不大，但可靠性要求高；（3）安全保密性高；（4）维护工作量小，设备体积很小，电池供电且供电时间长；（5）坑道地形比较复杂，其他定位管理手段网络覆盖受限，是GPS定位及现有移动通信网络的覆盖盲区。战备坑道人员定位管理系统，通过合理规划Zigbee网络模型，设置网络节点，结合任务要求，编制定位监测管理软件，实现战备坑道人员定位管理，对于提高管理水平，提升整体指挥效能具有重要意义。2系统结构设计该系统由三部分组成：（1）管理平台(Master)部分，通过Master节点，接收网络定位数据，分析、处理并以图形方式直观显示，是系统的核心部分；（2）全功能节点(Reader)部分，接收移动节点数据并输出RSSI(ReceivedSignalStrengthIndicator)信号和LQI(LinkQualityIndication)信号，传送到Master节点进行处理，该类节点具有路由功能；（3）为数众多的移动节点(Tag)部分，采用简约功能设备节点，发射信息，其范围内的全功能节点接收信号并据此计算出信号强度数据。系统总体结构原理如图1所示。br图1战备坑道人员定位管理系统原理结构图系统功能包括：（1）实现坑道内人员定位，时刻掌握人员所处位置，提高作战及其他军事行动指挥效能。（2）实现人员出、入，作息等管理功能，时刻掌握人员动态，提高管理效能。（3）历史数据统计查询。3系统实现系统采用Helicomm公司产品，采用FFD协议栈的IP-Link1221-2133型全功能设备作为Reader，适当距离（约200米）间隔地配置在各部门坑道内，保证非两端Reader在视距内能与两个Reader通信；Tag采用RFD协议栈的IP-Link1222-2034型简约功能设备。系统设备简要组成框图2所示。图2战备坑道人员定位管理系统示意图系统工作流程：整个系统工作模式采用定时唤醒机制，对人员定位数据采集分时段进行，每隔一段时间采集一次数据，整个无线数据采集部分大部分时间处于休眠状态。整个系统的一次查询过程由Master发起数据查询命令，并负责整个无线传感器数据采集网络的通信建立及维护。管理计算机向Master发送查询命令后，Master首先将自己设为簇头，并将簇标识设置为0，同时为该簇选择一个未被使用的网络标识符，形成网络中的第一个簇；Master广播信标帧，邻近设备收到信标帧，申请加入该簇，设备可否成为簇成员，由Master决定，如果请求被允许，则该设备将作为簇的子设备，加入邻居列表，新加入的设备会将簇头作为它的父设备加入到自己的邻居列表，网络建立成功后，每个簇成员（传感节点）通过Zigbeee中继器把当前数据传给簇头，数据融合到管理计算机，进行分析处理。工作流程图3所示。图3系统Zigbee网络工作流程图系统整体采用Helicomm的EZ-Tracer套件，采用EZ-TracerUtility编程实现，软件实现界面如图4所示。图4软件实现界面4结束语IEEE802.15.4/Zigbee标准的无线传感器网络，具有低成本、低功耗、协议简单、通信可靠、通信速率适中、安全保密性强、自组织网络等优点，在GPS系统和移动通信系统无法覆盖的地域，具有较好的通信及定位功能。战备坑道人员定位系统，基于Zigbee网络架构，在合理设计、选型的基础上，通过编程实现人员定位与管理。该系统可以应用于地下防空工事、矿井、坑道等地下设施的人员定位与管理中，具有较为广泛的应用前景。参考文献：[1]陈维克.基于RSSI的无线传感器网络加权质心定位算法[J].武汉大学理工学报,2006.[2]孙利民.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社,2005.