（控制理论与控制工程专业论文）基于zigbee技术的矿井无线定位系统设计.pdf

中文摘要 中文摘要 山西省内分布着很多大小煤矿，由于煤矿安全防护设备的陈旧老化以及安全 设施的不足，在出现矿井事故的时候，往往造成大量的人员及财产损失，煤矿的 安全问题亟待解决。目前存在的应用于井下的有线和无线的通信方式，不能及时 地提供井下作业人员的动态分布及作业情况等信息，一旦事故发生，很难有效展 开救援工作。因此准确及时地获得井下人员的位置信息，具有重要的实际意义。 在出现了无线传感器网络技术之后，井下的通信及定位问题的解决就有了新 的实现方法，本文就目前存在的r f i d ( 射频识别) 和n r f 2 4 0 1 芯片定位系统的不 足，设计了基于z i g b e c 技术矿井无线定位系统。 首先，在井下通信网络的构建上，通过对比z i g b e e 技术的3 种组网方式， 选用了健壮性较强的m e s h 网组网。在硬件选型上，从功耗、成本、通信范围、 处理器方面比较了几种常见的z i g b e e 芯片，选用了休眠电流较小，通信距离较 远的j n 5 1 3 9 芯片，为了缩短开发周期，使用了博讯公司的j n 5 1 3 9 模块，程序 编写使用j e n n i cc o d e b l o c k s 编译环境，下载使用j e n n i cf l a s hp r o g r a m m e r 平台。 其次，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 ( r a n g e b a s e d ) 、与距离无关( r a n g e f r e e ) 的常见算法，以及基于移动的锚节点离开 和到达信息、利用r s s i ( 接收信号强度指示) 的变化来定位的算法，在分析了常见 定位算法实现的局限性后，采用了比r s s l 分辨率更高的l q i ( 链路质量指示) 值， 改进了算法，提出了基于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。 最后，实地测量了一些l q i 数据，做出了l q i 经验值的参照表，通过查表 可以将z i g b e e 模块上报的l q i 值转换成相应的距离。用v c + + 开发了客户端， 据本文提出的基于3 个锚节点的平面定位方案，在客户端实现了平面定位，验证 了算法的实用性。 关键词：矿井：无线传感器网络；z i g b e e ；j n 5 1 3 9 ；定位算法；锚节点 a b s t r a c t d e s i g no f t h ew i r e l e s sl o c a l i z a t i o ns y s t e mb a s e do nz i g b e et e c h n o l o g y i nc o l l i e r y g r a d u a t en a m e ：l i nk a n g d i r e c t e db yw e n h u ag a o a b s t r a c t t h e r ea r em a n yc o a lm i n e si ns h a n x ip r o v i n c e ，d u et ot h eo b s o l e t e s a f e t yd e v i c e sa n db a c k w a r de s t a b l i s h m e n t s ，w h e na c c i d e n t so c c u r , al o to f l o s si np e r s o na n dp r o p e r t yw i l la p p e a r i ti su r g e n tt or e s o l v et h es a f e t y p r o b l e mi nc o l l i e r y w i r ea n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm e t h o d su s e d i n c o l l i e r y h o m ea n di n t e m a t i o n a l n o w a d a y s a r eu n a b l e t oo f f e rd y n a m i c d i s t r i b u t i o na n dw o r kc o n d i t i o n so ft h ew o r k e r s ，s oi ti sh a r dt oc a r r yo u t e f f e ：c t i v er e l i e fa f t e rd i s a s t e r t h el o c a t i o ni n f o r m a t i o no ft h ew o r k e rb e c o m e s m o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti np r a c t i c e t h i sp a p e ra d o p t sz i g b e et e c h n o l o g ya t t a c h e dt ow i r e l e s ss e n s o r n e t w o r kt or e a l i z ec o m m u n i c a t i o na n dl o c a l i z a t i o ni n c o l l i e r y a f t e r i n v e s t i g a t i n gl o c a l i z a t i o ns y s t e mb a s e do nr f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i t y d i s t i n g u i s h ) a n dn r f 2 4 0 1 f i r s t ，c o m p a r i n gw i t h o t h e rt w ot o p o l o g i e s ，t h i sp a p e ra d o p t sm e s h t o p o l o g y w i t h h i 曲r o b u s t n e s s t of o r mt h ew i r e l e s sn e t w o r ki n c o l l i e r y j n 513 9 m o d u l ew h i c hh a sl o w e r s l e e p c u r r e n ta n dw i d e r c o m m u n i c a t i o ns c o p ep r o d u c e db yb o c c o nc o m p a n yi sa p p l i e dt or e a l i z e h a r d w a r es c h e m e ，a f t e rc o n t r a s t i n gw i t ho t h e rz i g b e ec h i p so np o w e r c o n s u m p t i o n ，c o s t ，c o m m u n i c a t i o ns c o p e a n dm c u r e l a t e ds o f t w a r e c o m p i l i n ge n v i r o n m e n tj e n n i ec o d e b l o c k sa n dd o w n l o a dt o o lj e n n i ef l a s h p r o g r a m m e ra r ea l s oi n t r o d u c e d n e x t ，l o c a l i z a t i o na l g o r i t h m s i nw s ni n c l u d i n g r a n g e b a s e d a n d r a n g e f r e eo n e sa n dt w on e wa l g o r i t h m sw h i c hc o n t a i n so n eb a s e do na r r i v a l a n d l e a v i n g i n f o r m a t i o no ft h eb e a c o n ，t h eo t h e ru s i n gv a r i a n c eo f r s s i ( r e c e i v es i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t o r ) a r e s t u d i e d w ea d o p tl q i ( 1 i n k i i i a b s t r a c t q u a l i t yi n d i c a t o r ) w h i c hh a sh i g h e rr e s o l u t i o nr a t i oc o n t r a s t i n gw i t hr s s it o e s t i m a t el o c a t i o n ，p r o p o s i n gl o c a l i z a t i o na l g o r i t h m sb a s e do n3b e a c o n si n p l a n ea n d8b e a c o n si ns p a c e a tl a s t ，t h i sp a p e rf o r m sac o n s u l t i n gt a b l ew h i c hi su s e dt ot r a n s f e rl q l t od i s t a n c eb ys o m em e a s u r i n gd a t a t h el o c a l i z a t i o nr e s u l t sb a s e do n3 b e a c o n si np l a n es h o wi nc l i e n ti n t e r f a c eb a s e do nv c + + k e yw o r d s ：c o l l i e r y ；w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ；z i g b e e ；j n 5 139 ； l o c a l i z a t i o na l g o r i t h m ；b e a c o n i v 承诺书承话吊 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导 下独立完成的，学位论文的知识产权属于太原科技大学。 如果今后以其他单位名义发表与在读期间学位论文相关 的内容，将承担法律责任。除文中已经注明引用的文献 资料外，本学位论文不包括任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的成果。 学位论文作者( 签章) ：厚琳 2 0 0 8 年6 月) 日 第一章概述 第一章概述弟一早僦尬 1 1 煤矿安全的现状 山西省是能源大省，分布在省内的大小煤矿很多，近年来，由于原煤的价格一 直在提高，很多煤矿企业重生产、轻投入，特别是采取租赁、承包管理的煤矿，私 挖滥采的小煤矿，陈旧、老化的机电设备得不到及时更换，仍然在超期使用，一些 企业安全教育和安全管理薄弱，有的企业甚至连“不能带烟火下井 、“入井必须带 自救器”等最基本的规定都不执行，对于安全设施的改善投入不够，安全培训滞后， 技术人才缺乏，为煤矿安全留下了隐患。由于对井下开采人员安全的忽视，甚至对 井下作业人员的数量也没有进行集中的管理，每次出现事故都会造成不可估量的人 员、经济损失，造成极坏的社会影响，事故发生以后的人员搜救及救援很难展开。 目前亟待对仍在开采的各个煤矿进行安全管理措施的改进、安全保障设备的更新。 矿井下存在着入井人员管理困难，井上人员难以及时掌握井下人员的动态分布及作 业情况等问题，一旦事故发生，对井下人员的抢救缺乏可靠信息，抢险救灾、安全 救护的效率低，效果不理想。及时得到井下的数据，显得非常重要，如果能实现井 下的无线通信，实现无线通信的同时，实现对井下人员的定位，让地面工作人员知 道井下人员的位置，就便于展开有效的灾后救援，最大限度的降低事故带来的人员 伤亡，对于矿井作业人员的人身安全有十分重要的意义。另一方面，井上监控中心 可以根据人员定位系统，实时掌握井下情况，便于实现井下人员的调度和分配，提 高工作效率。 本文的研究基于2 0 0 7 年太原市大学生创新创业项目“基于嵌入式l i n u x 的新型 矿井人员跟踪定位及考勤管理系统”。 针对井下恶劣的环境，现有的用于煤矿安全的通信技术主要分为以下几种： 1 1 1 常用的井下通信方式 目前，比较常用的有关煤矿安全的通信技术【1 】主要分为有线通信和无线通信两 种。有线通信主要是使用有线电缆连接各个巷道，然后将信息通过4 8 5 总线、或是 2 3 2 、c a n 总线传递到地面监控中心，此种方式存在的问题是，随着煤矿开采的深入， 需要铺设很多的电缆，矿层采掘完成以后原来铺设的电缆就没有用，造成投资的浪 费，另外，在发生事故的时候，有线电缆会遭到破坏，造成井下通信的中断，不利 于开展及时的救助，也无法实现人员定位。 基于z i g b e e 技术的矿井无线定位系统设计 无线通信技术主要包括红外线技术1 2 】、漏泄系统【3 i 、i 心i d ( 射频识别) 技术【4 1 。 红外线技术是应用于矿井下的最早的技术之一，也相对成熟，主要用于井下地 表温度及瓦斯浓度的测量。是一种点对点的传输方式，无线、不能离的太远，要对 准方向，且中间不能有障碍物，也就是不能穿墙而过，几乎无法控制信息传输的进 度，传输距离通常只有3 1 0 m ，不适合用于人员的定位需求。 漏泄系统工作在几百k h z 的低频段，它结合了有线和无线两种通信方式，利用 一根屏蔽层稀疏编织的特殊同轴电缆一漏泄电缆，将基台发射的无线电波一边沿电 缆向井巷纵深传播，一边“漏泄”到电缆周围的巷道内，使处于巷道中的移动台可 以收到个信号，同时移动台发出的无线电波也经同一路径反向传输给基台，于是实 现了基台与巷道中移动台的双向无线通信。电缆每隔一定距离插入一个双向中继器， 以补偿信号在电缆中传播时的损耗，由于频率低、电缆的传输损耗d , ( 2 d b k m - - 一 4 d b k m ) ，因而通信距离大。可直接覆盖1 0 k m 左右来满足井下通信的要求，如果加 接中继器，通信距离可继续扩大，简单实用，造价低。但是井下存在各种低频的电 磁干扰使数据误码率高，可靠性低，且需要有线电缆。 r f i d ( 射频识别) 是一种利用射频信号通过空间耦合( 交变磁场或电磁场) 实现无 接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术，从2 0 世纪9 0 年代开始兴 起并逐渐走向成熟。 r f i d 系统至少应包括以下两个部分，一是阅读器，二是电子标签( 或称射频卡、 应答器等，本文统称为电子标签) 。另外还应包括天线、主机等。r f i d 系统在具体的 应用过程中，根据不同的应用目的和应用环境，系统的组成会有所不同，但从r f i d 系统的工作原理来看，系统一般都由信号发射机、信号接收机、发射接收天线几部 分组成。下面分别加以说明： 信号发射机 在r f i d 系统中，信号发射机为了不同的应用目的，会以不同的形式存在，典型 的形式是标签( t a g ) 。标签相当于条码技术中的条码符号，用来存储需要识别传输的 信息，另外，与条码不同的是，标签必须能够自动或在外力的作用下，把存储的信 息主动发射出去。 信号接收机 在r f i d 系统中，信号接收机一般叫做阅读器。根据支持的标签类型与完成的功 能的不同，阅读器的复杂程度是显著不同的。阅读器基本的功能就是提供与标签进 行数据传输的途径。另外，阅读器还提供相当复杂的信号状态控制、奇偶错误校验 2 第一章概述 与更正功能等。标签中除了存储需要传输的信息外，还必须含有一定的附加信息， 如错误校验信息等。识别数据信息和附加信息按照一定的结构编制在一起，并按照 特定的顺序向外发送。阅读器通过接收到的附加信息来控制数据流的发送。一旦到 达阅读器的信息被正确的接收和译解后，阅读器通过特定的算法决定是否需要发射 机对发送的信号重发一次，或者知道发射器停止发信号，就是“命令响应协议”。 使用此种协议，即便在很短的时间、很小的空间阅读多个标签，也可以有效地防止 “欺骗问题”的产生。 编程器 只有可读可写标签系统才需要编程器。编程器是向标签写入数据的装置。编程 器写入数据一般来说是离线( o f f l i n e ) 完成的，也就是预先在标签中写入数据，等 到开始应用时，直接把标签黏附在被标识项目上即可。也有一些r f i d 应用系统，写 数据是在线( o n l i n e ) 完成的，尤其是在生产环境中作为交互式便携数据文件来处理 时。 天线 天线是标签与阅读器之间传输数据的发射、接收装置。在实际应用中，除了系 统功率，天线的形状和相对位置也会影响数据的发射和接收，需要专业人员对系统 的天线进行设计、安装。 r f i d 的工作原理：标签进入磁场后，如果接收到阅读器发出的特殊射频信号， 就能凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息( 即p a s s i v et a g ，无 源标签或被动标签) ，或者主动发送某一频率的信号( 即a c t i v et a g ，有源标签或主动 标签) ，阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。 射频识别技术具有很多突出的优点： ( 1 ) 、非接触操作，长距离识别； ( 2 ) 、无机械磨损，寿命长，并可工作于各种油渍、灰尘污染等恶劣的环境； ( 3 ) 、可识别高速运动物体并可同时识别多个电子标签； ( 4 ) 、读写器具有不直接对最终用户开放的物理接口，保证其自身的安全性； ( 5 ) 、数据安全方面除电子标签的密码保护外，数据部分可用一些算法实现安全 管理； ( 6 ) 、读写器与标签之间存在相互认证的过程，实现安全通信和存储。 基于z i g b e e 技术的矿井无线定位系统设计 1 1 2 井下的定位方案 目前国内外有一些矿山在使用r f i d ( 射频识别) 技术来实现井下人员的无线通信 和定位。具体方案是在各个巷道按照射频识别的距离安装一些读头( 阅读器) ，接收来 自作业工人标签的信号，读头与读头之间类似于门，每个工人的标签信号会被邻近 的两个读头识别到，根据电磁波的强弱，或者其他的定位算法，定位人员的方位， 进行人员的管理。但是r f i d 的应用仍然面临着一些困难，其中的关键问题是成本、 标准和技术。 成本是r f i d 推广应用的“瓶颈 之一，对于不同功率以及不同性能的r f i d 系 统，其读写距离不同，电子标签产品的价位也大不相同。在我国，国产r f i d 公司生 产的产品中，低频无源电子标签价格大约为2 元人民币张，中频无源电子标签价格 大约为4 元人民币张，高频无源电子标签产品目前尚未出现。在国外企业中，t i 公 司的r f i d 产品的性能走在了同类产品的前列，它目前能够提供的远距离无源低频电 子标签的最低售价为2 5 美分左右( 其最远读写距离能达到1 米左右) 。虽然有关公司 声称，当r f i d 大规模应用后，电子标签价格能够降到5 美分左右，但如果加上阅读 器及后端软件系统，r f i d 系统的投入相对条形码系统要高得多，一个国产阅读器的 价格在1 万元，进口的阅读器价格在3 万元。在巷道密集的井下，投资成本比较大。 由此可以看出成本是影响r f i d 技术推广的重要因素之一。 标准的确定不仅仅依赖于技术层面问题的解决，更依赖于各方面力量的协调。 到目前为止，各个r f i d 企业所采用的大多是专有技术，所使用的频率、编码、存储 规则，以及数据格式等都不尽相同。阅读器和标签不能通用，企业与企业之间就无 法顺利进行数据交换与协同工作，从而把r f i d 技术的应用范围局限在了某个企业的 内部。需要制定一个详细的、统一规范而且开放的技术标准。国外几种标准之间的 明争暗斗，也使得中国r f i d 国家标准工作组左右为难。美国使用9 1 5 m h z ，欧盟要 求8 6 8 m h z ，而日本定为9 5 0 m h z 9 5 6 m h z ，中国标准则还是一个未知数。也许为 了与国际兼容，还需要考虑一个多频技术的问题，但是这样做势必又将提高芯片的 成本，产生新的问题。正是因为国际上存在这些不确定因素，所以中国国家标准迟 迟无法揭开面纱。 短时间内，技术上是不易取得突破的。但是和前面的成本问题和标准问题相比， 它又是最容易突破的。比如标签的制作工艺、射频传输距离、读出数据识别率、中 4 第一章概述 间件、设备小型化等方面，前期的工作都已经打下了一定的基础。此外，虽然在r f i d 电子标签的单项技术上已经趋于成熟，但在集成应用中还需要攻克大量的技术难题。 还有一个问题就是识别率。不同性质的物品对无线电信号的干扰是不同的，通 常，纸质、木质产品、农产品等对电磁信号的影响很小，在此种情况下，r f i d 标签 的准确识别率可以达到9 0 以上，但是，由于液体和金属制品等对无线电信号的干扰 很大，r f i d 标签的准确识别率目前只有8 0 左右，在情况复杂的矿井环境下，准确 识别率离大规模实际应用所要求的成熟程度尚有一定差距。 国内的研华科技推出使用n r f 2 4 0 1 射频芯片做人员粗定位的方案。n r f 2 4 0 1 芯 片工作在2 4 g h z 自由频段，它采用s o c 方法设计，只需少量外围元件便可组成射频 收发电路，在井下实现射频通信，再根据通信的有无和设定的目标节点的位置实现 人员粗定位。存在的问题是需要做射频芯片外围的微处理器和存储设备的连接，而 且定位精度不高。 当无线传感器网络技术广泛用于目标跟踪和监控、出现了z i g b e e 技术和 i e e e 8 0 2 1 5 4 【5 j 协议以后，对于矿井的定位就有了新的方法。 1 2 无线传感器网络概述 1 2 1 无线传感器网络概念 无线通信技术、集成电路、传感器技术、微机电系统( m e m s ) 等技术的进步，推 动了具有低成本、低功耗、多功能的微型传感器技术的广泛应用，从最早的军事应 用到现在，英特尔、波音、摩托罗拉、西门子等国外的公司推进了无线传感器网络 的民用进程，现在它的应用已经扩展到环境监测、交通管理、医疗健康、工商服务、 反恐救灾等诸多领域。国内的中科院、哈尔滨工业大学、中国科技大学等高校和科 研机构在从事此方面的研究。美国商业周刊和m i t 技术评论在预测未来技术发展的 报告中，分别将无线传感器网络列为2 1 世纪最有影响的2 l 项技术和改变世界的1 0 大技术之一【6 1 。无线传感器网络【7 ( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ，w s n ) 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，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织 的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息， 并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素 8 。10 1 。如 果说i n t e m e t 构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么，无线 传感器网络就是将逻辑上的信息世界和客观上的物理世界融合在一起，改变人类与 自然界的交互方式【l l 】。 基于z i g b e e 技术的矿井无线定位系统设计 1 2 2 无线传感器网络体系结构 一个典型的传感器网络结构如图1 1 所示，传感器网络系统通常包括传感器节点 ( s e n s o rn o d e ) 、汇聚节点( s i n kn o d e ) 和管理节点( m a n a g e rn o d e ) 。大量传感器节点部署 在监测区域( s e n s o rf i e l d ) l 内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监 测的数据沿着其它传感器节点，多跳的进行传输，在传输过程中监测数据可能被多 个节点处理，经过多跳路由后到汇聚节点，最后通过互联网或其它传输网到达管理 节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监 测数据。 传感器节点 图1 1 无线传感器网络结构 f i g u r e1 1w s ns t r u c t u r e 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能 力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感器节点兼 顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和处理外，还要 对其它节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其它节点协作完成 一些特定的任务。 汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，它连接传感器网络与 i n t e m e t 等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监 测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。汇聚节点既可以是一个具有足够的能 量供给、更多内存和计算资源的增强型传感器节点，也可以是没有监测功能仅带有 无线通信接口的特殊网关设备。 1 2 3 无线传感器网络的支撑技术 传感器网络的核心支撑技术为用户提供了各种具体的应用支持。包括时间同步、 节点定位、安全技术，以及向用户提供协同应用服务接口。 6 第一章概述 时间同步：传感器网络的通信协议和应用要求各节点间的时钟必须保持同步。多 个传感器节点相互配合工作，确定节点休眠也要求时钟同步。 节点定位：节点定位是确定传感器的每个节点的相对位置或绝对位置。节点定位 在军事侦察、环境检测、紧急救援等应用中尤其重要。节点定位分为集中定位方式 和分布定位方式。 安全技术：安全技术主要应用在军事上和小区无线安全网络等对数据的安全性较 敏感的领域，需要从物理层到应用层的全面防护。 分布式协同应用服务接口：传感器网络的应用是多种多样的，为了适应不同的应 用环境，人们提出了各种应用层的协议，该研究领域目前比较活跃，已提出的协议 有：任务安排和数据分发协议t a d a p ( t a s ka s s i g n m e ma n dd a t aa d v e r t i s e m e n t p r o t o c 0 1 ) 、传感器查询和数据分发协议s q d d p ( s e n s o rq u e r ya n dd a t ad i s s e m i n a t i o n p r o t o c 0 1 ) 等。 分布式网络管理接口：主要是传感器管理协议s m p ( s e n s o r m a n a g e m e m p r o t o c 0 1 ) ， 把数据传输到应用层。 1 2 4 无线传感器网络的热点技术 、 随着无线传感器网络技术应用的不断升温，关于无线传感器网络支撑技术的研究 逐渐成为热点，主要集中在几个方面： ( 1 ) 、时间同步技术：时间同步技术是需要协同工作的传感器网络的一个关键机 制。如测量移动车辆速度，需要计算不同传感器监测事件的时间差，通过波束阵列 确定声源位置节点间时间同步等。j e r e m ye l s o n 和k a yr o m e r 在2 0 0 2 年8 月的 h o t n e t s - - 1 国际会议上首次提出并阐述了无线传感器网络中的时间同步机制的研究 课题，在传感器网络研究领域引起了关注。 ( 2 ) 、定位技术：在传感器网络定位过程中，通常会使用三边测量法、三角测量 法或极大似然估计法确定节点位置。根据定位过程中是否实际测量节点间的距离或 角度，把传感器网络中的定位分为于距离有关的定位和与距离无关的定位。而与距 离无关的定位由于降低了对节点硬件的要求，使得节点更适合于大规模传感器网络， 且定位性能受环境的影响小，是目前大家重点关注的定位机制，主要有质心算法【1 2 1 、 d v - - h o p 1 3 】算法、a m o r p h o u s 算法、a p i t 算法等。 ( 3 ) 、节点技术：传感器网络节点是传感器网络的基本组成，低成本、低功耗、 高安全性、高可靠性的节点是组成一个理想的无线传感器网络的基本要素。国际上 7 基于z i g b e e 技术的矿井无线定位系统设计 几个著名的芯片制造商针对无线传感器网络纷纷推出了自己的芯片，如飞思卡尔 ( f r e e s c a l e ) ( 原摩托罗拉半导体部f - j ) ，接连推出了m c l 3 1 9 x 系列、m c l 3 2 0 x 系列和 m c l 3 2 1 x 系列，c h i p c o n 公司( 现被t i 收购) 最早推出c c 2 4 2 0 芯片，a t m e l 推出 a t 8 6 r f 2 3 0 芯片，英国j e n n i c 公司推出的j n 5 1 x x 系列，韩国r a d i op u l s e 公司也推 出了自己的无线传感器网络芯片m a n g o 系列m g 2 4 5 0 芯片等等。 在2 0 0 6 年度国家高技术研究发展计划( 8 6 3 ) 中，关于无线传感器网络的课题研究 数量也很多，均包括了以上几方面的热点技术。如无线传感器网络的节点技术、 无线传感器网络定位优化方法、无线传感器网络时间同步与节点定位、无线 传感器网络的低功耗技术等等，总计有十几个之多，充分说明了无线传感器网络 当前的研究趋势。 1 3 本文采用的研究方法及定位方案 通过对常用的无线通信及定位方案的比较，本论文拟采用z i g b e e 技术来实现井 下的无线通信及人员的定位。 论文主要进行了以下工作： 一、针对煤矿安全的现状，对目前采用的有线及无线的通信方式进行了比较， 研究现有的几种通信方式及定位方案，结合煤矿生产的实际环境提出了新的使用 z i g b e e 技术的解决方案。 二、通过对z i g b e e 常见组网方式的比较，选用了m e s h 网构建井下的无线通信 网络。比较了常见的z i g b e e 芯片，选用了j n 5 1 3 9 模块作为构建网络的硬件。在研 究基于无线传感器网络的定位方法的基础上，本文提出了基于3 个锚节点的平面定 位方案和基于8 个锚节点的空间定位方案，采用l q i ( 链路质量指示) 参数来实现对人 员的定位。最后开发客户端，在客户端界面显示出定位的结果。 1 4 本文的章节安排 第一章主要介绍了煤矿安全的现状，现有的通信和定位方案以及无线传感器网 络的概况。 第二章介绍了几种常见的近距离无线通信技术及z i g b e e 技术。 第三章比较常见的几种z i g b e e 芯片，做硬件选型，构建井下无线通信网络，介 绍硬件的引导驱动( b o o o ，以及开发所需要的软件编译及下载工具的使用。 第四章介绍无线传感器网络定位算法，提出基于3 个锚节点的平面定位方案和 基于8 个锚节点的空间定位方案。 8 第一章概述 第五章给出无线定位系统软件的实现，开发客户端，总结进行的工作及今后努 力的方向。 9 蔓三至垄堕墨查垡望笪垫垄丝兰! 些! ! 垫查塑蕉 第二章近距离无线通信技术及z i g b e e 技术概述 2 1 常见的近距离无线通信技术 随着大量、廉价和高度集成的无线模块的普及，以及其它无线通信技术，如g s m 蜂窝电话和w l a n ( w i r e l e s sl o c a l a r e a n e t w o r k ，无线局域网) 的成功，无线联网技术 以其安装成本低、使用方便等特点在工控网络和自动化领域越来越多地引起人们的 关注。 i e e e 8 0 2 15 委员会制定了3 种不同的w p a n ( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) 无 线个域网标准，区别在于通信速率、q o s ( j 眼务质量) 能力等。8 0 2 1 5 3 标准是高速率 的w p a n 标准，适合于多媒体应用，有较高的q o s 保证。8 0 2 1 5 1 标准即蓝牙技术， 具有中等速率，适合于从蜂窝电话到p d a 的通信，其q o s 机制适合于话音业务。 8 0 2 1 5 4 标准和z i g b e e 技术完全融合，目标市场是工业、家庭以及医学等需要低功 耗、低成本无线通信的应用，对数据速率和q o s 的要求不高。 近距离无线通信技术1 4 1 正在成为业界关注的焦点，包括无线局域网( w i f i ) 、无 线城域网( w i m a x ) 、超宽带通信( u l t r aw i d eb a n d ) 、近场通信( n f c ：n e a r f i e l d c o m m u n i c a t i o n ) 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 、红外线数据通信( i r d a ) 和z i g b e e 。 1 、w i f i w i f i 原是无线保真( w i r e l e s sf i d e l i t y ) 的缩写，即i e e e 8 0 2 1l x ，是目前无线局域 n ( w l a n ) 的主要技术标准，可以实现几m b p s 至几十m b p s 的无线接入，实现用户 “最后1 0 0 m 的通信需求，主要用于解决办公室无线局域网和校园网中用户与用户 终端的无线接入。早期的8 0 2 1 1 b 规范只有1 1 m b p s 的速度，新的8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 1 9 规范可达5 4 m b p s ，但速度随距离增加而下降，缺点是难以提供理想的流媒体q o s ， 有优异的带宽但是功耗较高，便携的w i f i 装置需要较高的电能储备，不适用于工业 上的推广应用。 2 、w i m a x w i m a x 即i e e ew i r e l e s sm a n ，提供一种在城域网一点对多点的的多厂商设备 环境下，有效进行互操作的宽带无线接入手段。可以实现7 4 8 1 m b p s 的最大传输速 度，是3 g 所能提供的宽带速度的3 0 倍，主要解决用户“最后l k m ”通信需求，最 大可为5 0 k m 线性区域内的用户服务，无需线缆即可与基站建立宽带连接，极具发展 潜力。 基于z i g b e e 技术的矿井无线定位系统设计 3 、u w b 1 5 】 超宽带通信技术0 d w b ) 是一种独特的、很有前景的无线通信技术，最初用于军 事，目前民用的i e e e 国际标准尚在激烈讨论之中，候选方案主要来自两大阵营：一 是由英特尔及德州仪器领导的“多频带o f d m 联盟”，共有1 6 家成员；另一个是由 x t r e m e s p e c t r u m ，摩托罗拉及p a r t h u s c e v a 为首的联盟。该技术在时域中以纳秒级的 非正弦波窄脉冲信号为载波，因而在频域中具有扁平的很宽的频谱，目前建议标准 的带宽为5 5 m b p s ，可保证q o s ，通过跳频避免与其它无线信号的冲突。由于频谱扁 平，因此能够实现在一定发射功率下，在各个频点上都不超过f c c 规定的无线电干 扰标准，所以不必申请即可用于任何频段。同时由于它的收发电路结构简单且具有 低成本的特点，特别适用于室内等密集多径场所的高速无线接入，目前的应用是视 频消费娱乐。缺点是它可能成为潜在的干扰源，同时由于功率限制，传输距离短， 只有1 0 m 左右的距离。 4 、n f c n f c 技术是p h i l i p s 、n o k i a 和s o n y 公司主推的一种类似于r f i d ( 射频识别) 的短 距离无线通信技术标准。采用了双向的识别和连接技术，在2 0 厘米距离内工作于 1 3 5 6 m h z 的频率，最初只是遥控识别和网络技术的合并，现在已经发展成无线连接 技术，能快速的自动建立起无线网络，可在采用n f c 技术的设备之间传输任何类型 的数据，设备涵盖手机、数码相机、p d a 、p c 、膝上型电脑、游戏控制器或p c 外 设，传输速率极高，可确保传输高质量图片。将任意两个无线设备间的“通信距离” 大大缩短。但是n f c 芯片的高成本是影响其发展的主要障碍。 5 、b l u e t o o t h 蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术推出较早，是曾被寄予厚望的一种通用中低速无线互连标准 ( 1 m b p s ) ，目的是取代电脑周边设备及移动设备之间的一切电缆连接。但由于与w i f i 共用一个频段而相互冲突，普及情况不尽人意，目前只在无线鼠标和蓝牙耳机上有 较多的应用。连接距离一般小于1 0 米，蓝牙对每个微微网最多只能配置7 个节点， 因此制约了其在无线传感器网络中的应用。新的蓝牙标准和技术加强了速率和距离 方面的研究，2 ，o 版支持高达1 0 m b p s 以上的速率，加上高增益的天线可以将有效通 信距离扩展到1 0 0 米。鉴于蓝牙在睡眠状况下的消耗电流及激活延时，一般电池可 以达到2 - 4 个月的使用寿命，由于节省功耗，它可以广泛应用于无线设备、图像处理 设备、智能卡、身份识别等安全产品，以及娱乐消费、家用电器、医疗健身和建筑 等领域。但是因为每一个网络所能配置的节点数目比较少，不适用于井下作业人员 1 2 至= 三至堑堕墨歪垡望笪垫垄垄圣! 些竺塾查塑垄 较多的情形。 6 、红外线数据通信i r d a i r d a 是利用红外线进行点对点通信的技术，i r d a 标准的无线设备传输速率已经 发展到4 m b p s 、1 6 m b p s ，目前在小型的移动设备，如p d a 、手机、笔记本电脑上已 经被广泛使用，虽然它的体积小、功耗低、连接方便、简单易用、成本低，但是它 只能同时在2 台设备之间连接，还存在视距( 1 i n e o f - s i g h t ) 的问题，一般不用在工业网 络上。 7 、z i g b e e 、 z i g b e e 是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向 无线通信技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案，相对现有的各 种无线通信技术，z i g b e e 技术将是最低功耗和成本的技术之一。以2 4 g h z 为主要频 段，采用扩频技术，被业界认为是最有可能应用在工业监控、传感器网络、家庭监 控、安全系统等领域的无线技术。 2 2z i g b e e 技术概述 z i g b e e 这个词源自于蜜蜂群借跳z i g z a g 形状的舞蹈，来通知其他蜜蜂有关花粉 位置等资讯，以达到彼此沟通信息的目的，以此作为对新一代近距离、低复杂度、 低功耗、低数据速率、低成本无线通信技术的命名。它与蓝牙类似，是一种新兴的 近距离无线通信技术，国内也有人翻译成“紫蜂技术【1 6 】”。与其它通信技术相比较， z i g b e e 技术为了大幅降低无线终端的成本及功耗，偏重于向低速率、近距离发展， 最终可以达到无所不在的目的，事实上在工业上的有些领域，不需要高速率、远距 离的技术，对于低功耗技术会有更高的需求，所以从2 0 0 2 年z i g b e e 技术诞生到现 在，虽然只有几年的时间，相关的z i g b e e 联盟、标准的制定已经蓬勃发展，z i g b e e 网络的代码现在已经标准化，设计出来的产品具有广泛适用性。随着芯片价格的逐 步降低，z i g b e e 在工业上的应用已经越来越引起人们的关注。 对于井下的通信，使用z i g b e e 技术有以下优点： 功耗低，发射功率仅为l m w ，因此，z i g b e e 设备非常省电，仅用两节5 号电 池就可以维持长达6 个月到2 年左右的时间，非常适合在井下使用。 成本低，并且z i g b e e 协议是免费的。 基于z i g b e e 技术的矿井无线定位系统设计 节点容易配置，工作在i s m2 4 g h z 频段，可以组成a d h o c 网络，在突发情 况下，通信节点如果发生通信链路的中断，会自发寻找附近可以链接的链路，实现 与上一层节点的通信，特别适用在矿难的情况下应用。 z i g b e e 采取了碰撞避免策略，可以避开发送数据的竞争与冲突，提供了基于 循环冗余校验的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用a e s 一1 2 8 加密算法， 安全性能高。 网络容量大，一个z i g b e e 网络最多可以包括1 个z i g b e e 主设备，2 5 4 个z i g b e e 从设备，对于人员密集的井下作业情况比较适用。 2 2 1z i g b e e 技术的体系结构 z i g b e e 技术的体系结构主要由物理层( p h yl a y e r ) 、媒体接入控制层( m a c l a y e r ) 、网络层( n e 咖r kl a y e r ) 、安全层( s e c u r i t yl a y e r ) 、应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 组成。结构如图2 1 示。 ，回 圈 回 回 图2 1z i g b e e 技术的体系结构 f i g u r e 2 1t h es y s t e ms t r u c t u r eo f z i g b e et e c h n o l o g y 以上结构包含两种不同单位所制定的标准。由z i g b e e 联盟主导的标准，定义了 网络层( n e t w o r kl a y e r ) 、安全层( s e c u r i t yl a y e r ) 、应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 及各种应 用产品方案( p r o f i l e ) ，而另外一个是由国际电气和电子工程学会( i e e e ) 定义了物理层 ( p h yl a y e r ) 及媒体接入控制层( m a cl a y e r ) l 拘8 0 2 1 5 4 标准【1 7 1 。 2 2 2i e e e 8 0 2 15 4 标准 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准定义了物