ZigBee技术及其在井下人员定位系统中的应用

ZigBee技术及其在井下人员定位系统中的应用作者：王志中，董爱华摘要：在煤矿井下发生安全事故后，及时准确地获知井下作业人员的位置信息是至关重要的。本文在介绍了ZigBee技术的特点、协议和组网技术的基础上。提出了将ZigBee技术运用于煤矿井下定位系统，组成无线传感器网络，构建井下人员无线定位系统的设计方案。关键词：Zigbee技术；人员定位；CAN总线0引言安全是一个永恒的话题。安全生产是社会进步和人类发展的重要保证。尽管20世纪科学技术的发展已经为未来的进步构筑了坚实的平台，新的采矿方法和技术将不断被采用、采矿业将向智能化和无人化的方向发展。但是，目前传统的采矿方法依然占据着主导地位，是其他采矿方法在短时间内仍无法完全替代的，传统的采矿方法所面临的安全问题仍将困扰着人类。由于缺乏对入井人员的有效检测、定位手段，难以及时掌握井下人员的动态分布及作业情况。一旦发生事故，对井下人员的抢救缺乏可靠信息，抢险救灾、安全救护的成功率低，造成重大的人员伤亡。这些问题的存在迫切的要求我们建立一种既经济实用又安全可靠的井下人员定位系统。目前，矿井无线通信技术主要有透地通信技术、中远距离射频感应通信技术、漏泄通信技术以及矿井移动通信技术等。上述技术有的成本较高，有的功耗相对较大，还有的抗干扰能力相对较差等一些不足，在很大程度上阻碍了在矿业行业的推广应用。本文提出了一种基于ZigBee技术的煤矿井下无线网络通信系统成功解决上述问题。1ZigBee技术及定位方法1.1ZigBee技术ZigBee的名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来通知发现的新食物源的位置、距离和方向等信息，以此作为新一代无线通讯技术的名称。ZigBee技术是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备，面向的应用领域是,低速率无线个人区域网(LRWPAN,LowRateWirelessPersonalAreaNetwork)，目的是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制。ZigBee与同类技术相比，具有许多特点，其主要特点如表1所示。表1ZigBee的特点ZigBee技术是基于IEEE802．15.4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术，IEEE802.15.4仅处理MAC(MediumAccessControl)层和物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和API(ApplicationProgrammingInterface)进行了标准化。ZigBee是由ZigBeeAlliance所主导的标准，定义了网络层(NetworkLayer)、安全层(Security,Layer)、应用层(ApplicationLayer)、以及各种应用产品的资料；而由国际电子电机工程协会(IEEE)所制订的802.15.4标准，则是定义了物理层(PHYLayer)及媒体存取层(MediaAccessControlLayer；MACLayer)。如图1所示。图1ZigBee协议栈应用层定义了各种类型的应用业务，是协议栈的最上层用户。应用汇聚层负责把不同的应用映射到ZigBee网络层上，包括安全与鉴权、多个业务数据流的汇聚、设备发现和业务发现。网络层的功能包括拓扑管理、MAC：管理、路由管理和安全管理。数据链路层又可分为逻辑链路控制子层(LLC)和媒介接入控制子层(MAC)。IEEE802.15.4的LLC子层与IEEE802.2的相同，其功能包括传输可靠性保障、数据包的分段与重组、数据包的顺序传输。IEEE802.15.4MAC子层通过SSCS(Service-SpecificConvergenceSub-layer)协议能支持多种LLC标准，其功能包括设备间无线链路的建立、维护和拆除，确认模式的帧传送与接收，信道接入控制、帧校验、预留时隙管理和广播信息管理。物理层采用DSSS(DirectSequenceSpreadSpectrum，直接序列扩频)技术，定义了3种流量等级：当频率采用2.4GHz时，使用16信道，能够提供250kbit/s的传输速率；当采用915MHz时，使用10信道，能够提供40kbit/s的传输速率；当采用868MHz时，使用单信道，能够提供20kbit/s的传输速率。ZigBee网络的拓扑主要有星状、网状和混合状。星状拓扑结构具有组网简单、成本低、电池使用寿命长的优点，但网络覆盖范围有限，可靠性不及网状拓扑结构，一旦中心节点发生故障，所有与之相连的网络节点的通信都将中断。而网状拓扑具有可靠性高、覆盖范围太的优点，其缺点是电池使用寿命短、路由管理复杂。混合状拓扑综合了以上两种拓扑的特点，这种组网通常会使ZigBee网络更加灵活、高效、可靠。1.2定位方法系统采用的定位算法主要是基于信号强度测距法RSSI(ReceivedSignalStrengthIndicator)，在已知发射功率的情况下，在接收点测量接收功率，通过测量接收到的信号强度可以推算出井下移动物体到基站的距离，计算传播损耗，使用理论和经验的信号传播模型将传播损耗转化为距离。得到SDR(ShortDistanceRadio短距离无线通信设备)与BS(BaseStation无线基站)之间的大概距离后，采用三边测距法计算出SDR的位置。三边计算的理论依据是，在三维空间中，知道了一个SDR设备到三个BS的距离来确定该点的坐标。三边测距法在二维平面上用几何图形表示出来的意义是：当得到未知节点到一个锚节点的距离时，就可以确定此未知节点在以此锚节点为圆心、以测得的距离为半径的圆上；得到未知节点到3个锚节点的距离时，3个圆的交点就是未知节点的位置。当移动目标在不同的位置发射身份码信号时，如果定位精度要求不高，坑道情况比较复杂时，且人员密度较高时，我们可以将任何一个接收到该移动目标身份码信息的网络节点位置，当作为移动目标位置，这种方法往往需要较小的网络节点间距(例如50m)和较小的无线身份模块的发射功率。当定位精度要求较高，坑道环境相对简单时，则可使用两点信号强度定位法；即当移动目标在不同的位置发射身份码信号时，处于该移动目标两端的网络节点，因距该移动目标距离远近的不同，所收到的信号强度也不同。Zigbee网络将把该移动目标身份码，以及在相应的两个网络节点接收到该身份码时的信号强度传往控制中心。通过简单计算，再加上现场实测效正，很容易确定该移动目标的位置。在使用以上方法定位时，为了进一步提高定位的准确性，必要时，还需要对网络节点，移动目标节点收发机的接收灵敏度和发射功率进行适当的调整。为了确保通信的可靠性和减轻可能的网络数据传输流量，每个坑道的Zigbee网络，除了自身通过无线方式与控制中心相连接以外，还可在适当的地方与坑道的其它通信光纤或电缆相联接。2定位系统硬件结构该系统由井上和井下两部分组成。基本组成框图如图2所示。图2系统简图2.1井上部分井上部分主要是地面控制中心，按照功能划分为两方面：实时监控系统和信息处理平台。实时监控系统是整个智能化监控系统的基础，监管中心的计算机通过CAN接口标准与井下的固定监控点进行数据传输。监控系统功能主要为：完成监控点的信息采集、实时处理和存储。从井下上传的信息不但包括各类有害气体的浓度数据，还包括井下工作人员和设备的位置信息，这些庞大的数据经过压缩后都被保存在数据库中，是信息联网的基础。信息处理平台主要负责各网络传输节点所发信息的存储，并能对信息进行分析处理和显示，将信息以网络形式供其它有权限的成员查阅。2.2井下部分井下部分是整个系统的核心，分为以下几个部分：固定定位基站、移动定位标志卡模块、通讯部分和电源等。各组成部分主要性能如下：(1)固定定位基站：实现对标识卡上数据的采集，并通过有线和无线两种方式将信息发送给信息处理平台，同时承载其它无线基站数据信息的中继转发功能。(2)标识卡模块：下井人员随身携带的无线标志卡，记录下井人员的个人信息，不断的发射一定频率的射频信号。(3)通讯部分：由通讯线路和通讯接口等组成。通讯线路用矿用通讯电缆或矿用通讯光纤为信号的传输载体，在井下形成一个通讯网络，将井下设备的采集到的信号传输到井上。通讯接口由光电转换器、通讯箱、通讯控制板等组成，其功能是将井下设备上传的电信号转化为计算机可识别的数字信号。(4)电源：防爆稳压电源，对无线基站进行供电。将井下非本安高压交流电转换成系统所需的本安低压直流电，并能够在断电情况下自动使用蓄电池进行供电，在通电情况下自动给蓄电池进行充电。工作人员和重要设备上的ZigBee，可以进行实时定位。井下人员可以通过携带的无线定位机向系统发出报警，监控中心可以第一时间了解事故地点，采取行动。监控中心通过对井下巷道的监视，一旦发现异常情况，第一时间向井下人员发出告警。2.3CAN总线为了更好的解决井上信息处理中心与井下无线基站之间的数据传输通道问题。本设计采用CAN总线方式。CAN采用了新技术及独特的设计，与RS485相比具有突出的可靠性、实时性和灵活性。CAN的双向通信弥补了RS485半双工通信的缺陷，不仅能够实现位置信息的上传，当需要时还可以实时修改井下某监控接点信息。比较可知，RS-485网络除了硬件成本、开发难度比CAN-BUS网络稍具优势外，其他性能方面都没有可比性。在产品更新速度特别快的今天，如果将产品的上市时间，产品的后期维护软件开发难度等计算在一起，RS-485的硬件成本优势也变得不十分明显，因而用CAN总线取代RS-485总线是一种比较彻底的方案。2.4设置方案在本设计中，井下人员定位系统采用Zigbee无线网络技术，Zigbee读写器设置在人员出入的井口及井下主要巷道的分岔口、各工作面入口等关键部位，其数量和密度决定了人员定位的精确程度，一般是根据现场实际需要，沿坑道每隔200m距离(与井下电源接口位置一致)，工作面距离则可降低为50m在坑道适当位置(例如顶部)，所安置的网络模块将自动组成一个Zigbee通信网络，这个通信网络实际就是一个定位网络，每一个网络节点就是一个定位点，网络节点可通过自动读取移动目标的信息和信号强度，来确定移动目标的位置信息，网络定位节点在已有通信电缆的地方直接通过RS-232接口与CAN总线或现有的通信电缆相连接，再通过交换机将信息上传至终端管理计算机。通过井下人员跟踪定位软件系统处理，实现人员跟踪定位系统的全部功能。3软件设计作为整个定位系统的一部分，软件的设计具有极其重要的地位。本设计的软件部分由以下几部分组成：数据库管理子系统、地面报警显示子系统、通信子系统、传感器信号监控子系统、井下人员定位子系统。数据库管理部分：数据库模块是整个软件的基础与核心部分，根据实际需求，设计人员信息数据库，地理信息数据库和参数数据库。这三个部分分别用于存储不同类型的数据信息。地面报警显示子系统：当发现有人失踪或有紧急事故等情况时发出报警。紧急撤离信号只有离开危险区域后才会解除。而寻呼功能是在提示一段时间后或按紧呼键后自动撤消。紧急呼叫和寻呼方式均采用信号互控方式，保证在收到寻呼信息和紧急撤离通知信号后信息处理平台上有指示并能形成记录供查阅。通信软件是整个系统软件的核心部分，关系到系统的稳定可靠。数据无论在哪个环节都是不能丢失的。在定位分站与中心站主机通信过程中，为了保证数据可靠地被中心站收到，采用了确认信息传输的方法，分站传完一条数据，即卡号、天线号、时间信息后，等待中心站的确认信息，如收到中心站的确认信息后，则删除这条信息，否则下次仍继续发送该条信息，以保证历史数据不会丢失。人员定位软件系统由操作界面，以及数据库系统组成。当检测到有信号传输过来之后，立即执行相应的程序，数据库中如果有信息则自动读取并发送到通信平台，如有控制信息也写到指定区域，程序检测到以后发出控制命令，以把相应的信息显示到电脑或显示屏上，实现相应的功能。标志卡和读写器部分软件：标志卡主要是完成紧急呼叫的检测、紧急撤离和寻呼信号的指示。读写器主要接收标志卡发送过来的数据。其基本