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1、R产品研发Research and Development of Products随着我国对煤炭需求量的不断增大，近年来煤炭事故发生频率也随之加快，煤矿安全状况令人担忧，因此动态的掌握井下人员的分布及作业情况意义重大。文章通过对 ZigBee 无线定位技术的分析研究，提出了以无线传感器网络为基础的定位检测方案，介绍了 ZigBee 无线定位技术的原理以及整体系统结构。基于 ZigBee 技术的矿井无线定位系统设计文李永刚阮围杨振杰我国是世界第一产煤大国，煤矿和矿山达3万多个，其中大中型煤矿500多个，小煤矿2万多个，井下工作人员超过100万人。近年来矿井事故时有发生，我国每年煤矿事故死亡人数是
2、世界上其他主要采煤国家死亡人数的4倍。分析一些煤矿特大事故，发现很大原因是地面人员与井下人员的信息沟通不及时，无法动态掌握井下人员的分布及作业情况，难以进行人员精确定位造成的。若能及早知道井下人员所在位置，将给营救工作带来极大的便利，并能节省大量时间，将人员损失减少到最小。本文提出并设计了一种基于ZigBee技术的无线矿下定位系统，利用ZigBee组成无线通信网络，将位置数据传送给主机，应用一定的算法进行精确定位，性能可靠安全。率工作的低功耗展频无线电以及另有一些以更低数据传播率工作的919MHz和868MHz的实体层规范。作为一种流行的无线传感器网络协议，相对于其他无线网络协议来说，Zigb
3、ee协议具备很多自身的特点，这些特点保证了Zigbee能够很好地运行在无线传感器网络的环境中，同时得到广泛应用。（1）低功耗工作模式下，ZigBee技术传输速率低，传输数据量小，因此信号的收/发时间很短；在非工作模式下，ZigBee节点处于休眠模式。设备搜索时延一般为30ms，休眠激活时延为15ms，激活设备信道接入时延为15ms。由于工作时间较短，收发信息功耗较低且采用了休眠模式，使得ZigBee节点非常省电。节点的电池工作时间可以长达6个月到2年。一、系统设计（一）系统总体设计整个系统分为主机，网关，参考节点和定位节点。定位节点从参考节点获得定位数据，通过ZigBee网络传输给主机，在算法
4、的处理下获得精确的定位。其设计原理如图1所示。1ZigBee技术简介。ZigBee技术的应用可以在不同的层次上进行，也可以用完整的ZigBee协议或用IEEE802.15.4协议以降低开发的难度。IEEE802.15.4是2003年初推出的正式标准，802.15.4无线发射/接收机及网络被Invensys、三菱电子、摩托罗拉和飞利浦等这些国际通信与工业控制界巨头所成立的ZigBee所使用，并在此基础上提出了新的无线短距离网络标准ZigBee。ZigBee建立在IEEE802.15.4标准之上，它确定了可以在不同制造商之间共享的应用纲要。图 1 定位系统原理框图IEEE802.15.4是IEEE
5、确定的低速率无线个域网（personal（2）可靠性高。ZigBee的媒体接入控制层（MAC）area network）标准，这个标准定义了PHY层和MAC采用 talk-when-ready的碰撞避免机制。在这种完全确层。PHY层规范确定了在2.4GHz以250Kb/s的基准传输定的数据传输机制下，当有数据传送需求时则立刻传送，162011.01发送的每个数据包必须等待接收方的确认信息，并进行确认信息回复；若没有得到确认信息的回复就表示发生了碰撞，将预测了专用的时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。同时，ZigBee针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。（3）高扩充
6、性。一个ZigBee网络可以容纳最多254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在200多个ZigBee网络。这个特点保证了如果需要的话，可以在网络中进行密集的布点，以满足许多环境监测的需求。2参考节点设计。该节点为电池供电设备，可以放置在任何地方。参考节点主要实现加入网络、无线收发数据、计算多次收集定位节点的信号强度值、发送X、Y坐标 信息和信号强度平均值的功能等。其设计原理图2所示：无线部分RF-NRF-PCC2430图 2 参考节点设计原3定位原理。在基于测距的定位算法中，三边测量法是计算坐标的基本方法。其主要原理是若未知节点M到参考节点A的距离为dl，那么M可能出现在以A为圆心、d
7、l为半径的圆上；若再知道M到另一参考节点B的距离d2，那么M可能出现在以B为圆心、由为半径的圆上，M可能出现在两圆相交的任意一个交点上；此时若再知道到M第三个参考节点C的距离，在测距精确的前提下，以C为圆心，d为半径的圆一定与上述两个圆交于一点，即可确定M的坐标。假设三个信标节点A、B、C的坐标分别为（xl，yl）、（xZ，y2）、（x3，y3），到未知节点D的距离分别为dl、dZ、d3，假设未知节点D的坐标为（x，y），根据二维空间距离计算公式，可以获得方程组如下所示：( x x ) 2+ ( y y )2= d111( x x2 )2+ ( y y 2 )2= d2( x x3 ) 2 +
8、 ( y y3 )2 = d3在方程组中，X 、Y是未知量，这是一个非线性方程组，采用线性化的方法就可求的解。（二）软件设计软件设计的关键问题是发送端和接收端的通信协议以及初始化问题。ZigBee协调器需要最先开始工作，上电后，它首先初始化协议栈，然后进行能量检测选择合适的信道，启动协调器；此后，即可允许ZigBee设备与其连接，接收他们传输的各节点数据，并传送给PC机。定位节点上电后首先进行信道扫面，寻找网络协调器，然后与协调器建立连接。连接成功后，它即可与协调器发送信标实现同步。软件大体流程如图3所示：图 3 协调器流程图 4 定位节点流程三、结语随着我国煤炭需求量的不断增加，矿井安全也越来越受到关注。基于ZigBee的矿下定位系统，利用无线传输实现精确定位，功耗低、精度高，在实际生产中有很高的应用价值。参考文献1 吕治安ZigBee 网络原理与应用开发 M北京航空航天出版社，20082 李晓维无线传感器网络技术 M北京理工大学出版社，20073 李文仲，段朝玉ZigBee2006 无线网络原理与无线定位实战 M北京航空航天大学出版社，20084 崔逊学，左从菊无线传感器网络简明教程 M清华大学出版社，20085 林玉池，曾周末现代传感技术与系统 M机械工业出版社，2009（作者均系成都理工大学信息工程学院硕士研究生）责任编辑：赵秀娟2011.01 17