（计算机应用技术专业论文）基于zigbee技术的矿井人员定位系统研究与设计.pdf

基于z i g b e e 技术的矿井人员定位系统的研究与设计 摘要 当前由于矿井所处的恶劣环境，矿井生产安全一直是人们十分关注的闯题。如果 能够实现对井下工作人员的正确定位跟踪，使地面监控中心实时掌握井下人员的位 置，随时保持联系，实现人员的调度，这对于提高生产安全和工作效率，具有十分重 要的意义。 文章研究的主要内容是： 1 、深入研究z i g b e e 无线通信技术和i e e e 8 0 2 1 5 4 协议。分析i e e 鹋0 2 5 4 的 各种帧结构，同时研究z i g b e e 协议的通信规程，语法和语意，为定位系统软件编程 打下理论基础。 2 、进行通信节点的硬件设计和软件实现，一个主控芯片和一个通信模块组成了 最基本的通信节点，论述了主控芯片和通信模块的接口设计以及通信程序编写。 3 、采用移动自组织网以及分簇算法完成组团协议的设计与实现，并使用n s 2 ( n e t w o r ks i m u l a t o r2 ) 网络模拟仿真工具进行仿真实验，通过对仿真试验数据的 分析提出了改进算法。 通过对系统的设计以及实现的分析和讨论，希望可以为z i g b e e 无线通信技 术进一步的发展提供参考和借鉴。 关键字：z i g b e e 技术；i e e e 8 0 2 1 5 4 协议；矿井人员定位；分簇算法 r e s e a r c ha n dd e s i g no fm i l 3 i n gp e r s o np o s i t i 0 1 3 i n gs y s t e m b a s eo nz i g b e et e c h n o l o g y a b s t r a c t f o rt h es c u r v i n e s so f m i n i n gs y s t e m ，t h es e c u r i t ye n v i r o n m e n to fm i n i n g s y s t e mi sf o c u so fp e o p l e i fw ec a n t h es o l v et h ep r o b l e mo ft h ep o s i t i o n i n go ft h e m i n i n gp e r s o n ，a n dl e tt h em o n i t o rc e n t e ro ft h eg r a n dk n o wt h ep o s i t i o no ft h e m i n i n gw o r k e r s ，a n dk e e pi nt o u c h ，d i s p a t c h i n gt h ew o r k e r s ，w h i c hw i l le n h a n c e t h es e c u r i t ya n de f f i c i e n c y ，i tw i l lb eav e r yw o r t h y o u rr e s e a r c hm a i n l yf o c a s e so nt h ef o l l o w i n g ： 1 r e s e a r c ht h ez i g b e ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ei e e e 8 0 2 1 5 4 p r o t o c 0 1 w ea n a l y z e t h ef r a m es t r u c t u r e so ft h ei e e e 8 0 2 1 5 4 a n dt h e c o m m u n i c a t i o np r o c e s s ，g r a m m a r ，s e m a m i co ft h ez i g b e et e c h n o l o g y ，w h i c hi s t h ef o u n d a t i o no ft h es o f t w a r ep r o g r a m m i n g 2 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h eh a r d w a r e 0 n em c u a n dr fc h i pc o n s i s tt h e b a s i cc o m m u n i c a t i o nn o d e ；w ea l s od e s c r i b et h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h em c ua n d t h er fc h i p ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o np r o g r a m m i n g 3 u s et h ea dh o cn e t w o r k a n dt h e c l u s t e r i n ga l g o r i t h m t oi m p l e m e mt h e c l u s t e r i n gp r o t o c o l 。a n da l s ou s et h en s 2t os i m u l a t et h ec l u s t e r i n gp r o t o c 0 1 w i t h t h ea n a l y s i so ft h er e s u l t t h r o u g ht h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e m ，w eh o p et h a tw i l lg i v ea r e f e r e n c ef o rf u r t h e r d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n o ft h ez i g b e ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：z i g b e e ；i e e e 8 0 2 1 5 4 ：m i n ep e r s o np o s i t i o n i n g ；c l u s t e r i n gp r o t o c o l 图2 1z i g b e es t a c k 示意图 图表目录 图2 2 z i g b e e 技术支持的节点的拓扑结构。 图2 3c l u s t e rt r e e 图2 4i e e e s 0 2 1 5 4 通信频段 图2 5 一般的帧结构 图2 6 信标帧的结构 图2 7 数据帧的结构 图2 8 确认帧 图3 1 矿井人员定位跟踪系统 4 5 。1 2 。1 2 图3 2 传感器网络的定位 图3 3 三边测量法 图3 4 三角测量法 图3 5t d o a 算法 图3 6质心算法 图3 7 分簇模型 图4 1z i g b e e 节点模块。 图4 2 移动节点 1 4 图4 3 电路图逻辑框图。 图4 4 主控芯片( 单片机) 引脚图 图4 5 天线。 图4 6 射频通信芯片引脚图 图4 7c c 2 4 2 0 和m c u 的连接 图4 8p i c 单片机与c c 2 4 2 0 连接 图4 9 电源模块电路 图4 1 0 复位模块 图4 i i 晶振电路 1 5 1 6 1 7 1 7 1 8 1 9 2 1 2 2 图4 1 2 下载器插槽 图4 1 3 显示和按钮按键 图4 1 4 串口模块 。2 6 2 6 2 7 2 8 图5 1m p l a bi d e 集成开发环境2 9 图5 2 一般帧结构。3 3 图5 3 程序主干流程图 图5 4 等待响应状态 图5 5 等待确认状态 图5 6 团长空闲态 图5 7 等待团员确认态 图5 8 团员空闲态 图5 9c + + b u i l d e r 开发环境 。3 8 3 8 3 9 4 0 。“ 图5 1 04 个节点组成的团。 图6 1n s 简单用户模式。 图6 2n s 总体构架。 图6 3n s 一2 2 7 开发环境 图6 4 超帧结构。 图6 5z i g , b e e 参考模型 图6 6 操作原语 4 8 4 8 图6 7 实验结果。 图6 8 组团协议成员数目分析 图6 9 改进组团协议后成员数目分析 表2 1i e e e8 0 2 1 5 4 通信频段和特征 表5 1z i g , b e ed e m o 演示r f d 的应用程序项目文件 表5 2 各类帧结构定义 表6 1n s - a l l i n o n e 2 2 7 模块 5 5 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金目b 王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料与我同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 靴糕氢俞渤 签字眺呷年白阳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金a b 王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金目b 王些太堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 钰抽 签字日期：加司年6 月f p 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位； 通讯地址； 一名：泡1 1 乇疃 签字日期：p 口7 年z 月f 日 ， 。 电话： 邮编： 致谢 本文是在导师张维勇老师的悉心指导下完成的。论文的选题，结构安排， 以及写作等方面无不渗透着张老师的心血。3 年来张老师无论在学习上，还是 生活上都给予我莫大的关怀和帮助。使我顺利地完成了硕士研究生阶段的学习。 在这里感谢张维勇老师，张老师渊博的知识，严谨治学的作风，敏锐的学术洞 察力对我一生的学习和工作都会有巨大的影响。在此向张老师表示忠心的感谢 和崇高的敬意! 分布式控制实验室是学校的重点实验室，有着自己科研特点，浓厚的学习 氛围和严谨的治学作风，有着优秀的师资队伍和学生。在实验室里面完成了不 少科研基金和横向课题。充实了自己的科研能力。感谢实验室的老师，韩江洪 老师，陆阳老师，张丽老师，魏老师，刘国田老师，史老师等等在科研方面的 指导，令我受益匪浅，将来在社会上也会大有帮助。 实验室是一个大家庭，充满着互相帮助，共同进步的气氛。和各位实验室 的成员在一起学习和生活上过得很充实，感谢冯师姐，张芬，蔡志文，还有同 一届的梅勃，钱军，戴丽。师兄，师姐，师弟，师妹们，让我度过了愉快的研 究生生活。 感谢我的父母和家人。你们是我人生事业的精神支柱。每逢失意的时候， 想到你们我总会重新振作起来。 n i 作者：俞海 2 0 0 7 年5 月2 6 日 第一章绪论 无线通信技术正在从各个方面改善我们的生产和生活，作为新型的z i g b e e 无线通信技术已得到较为广泛的应用，例如无线传感器网络，智能家庭网络等 等。另外煤矿工业作为我国的国民支柱行业，在我国的经济建设中有着重要的 地位。论文主要针对基于z i g b e e 无线通信技术的矿井人员定位系统进行了研究 与设计。 1 论文背景和项目支撑 项目支撑1 ：安徽省“十五”二期科技攻关计划项目：“矿井安全生产数字 化控制平台”子项目，项目编号：0 4 0 1 2 0 4 9 2 项目支撑2 ：合肥工业大学科学研究发展基金，“基于z i g b e e 无线通信技 术的矿井人员定位系统”，项目编号0 4 0 5 0 3 f 2 项目研究的主要内容 无线通信技术：现有无线通信技术很多，无线局域网，u w b ，蓝牙，红 外线等等。而本文着重研究z i g b e e 无线通信技术。 嵌入式硬件技术：嵌入式系统是现在研究的一个热点。相关的系统很多， 例如像a r m ，单片机，d s p 等等。本文着重研究单片机技术，以及射频通信技术。 嵌入式软件技术：嵌入式的硬件少不了嵌入式的软件。有基于l i n u x 的 系统和应用编程，d s p 的编程，a r m 的编程等等，本文的软件主要是讨论基于单 片机的，特别是p i c 单片机的编程和p c 机端的监控程序。 网络仿真技术：网络仿真的技术很多，有m a t l a b 的网络编程，还有o p n e t ， o m n e t + + 等等。o p n e t 是商业软件。n s 开源，免费，不断更新的特点使得其是 适合高校和研究所研究所使用的工具。 3 论文的结构安排 论文共分为七章，第一章为绪论，第二章重点对z i g b e e 技术和i e e e s 0 2 1 5 4 协议的应用进行了分析；第三章从国内外的角度阐述了矿井人员定位系统相关 技术发展的概况；第四章着重论述了基于z i g b e e 技术的矿井人员定位系统的硬 件结构设计；第五章讨论了基于z i g b e e 技术的矿井人员定位系统的软件设计， 其中包括单片机上的组团协议和节点的后台程序。第六章应用仿真工具对基于 z i g b e e 技术的矿井人员定位系统进行了仿真实现，并对实验结果进行了分析。 在第七章对论文完成的工作进行了总结，并提出了存在的问题和对下一步的研 究工作的展望。 2 第二章z i g b e e 技术和i e e e 8 0 2 1 5 4 协议 2 1z i g b e e 技术的发展情况 生产和生活的需求促进了新技术的产生和发展，随着有线通信技术的发展， 无线通信技术正在受到全世界的通信公司和研究者们的普遍关注和研究。无线 通信z i g b e e 技术作为一种新兴的技术，有着能量消耗低、数据速率低、和通信 范围较小的特点，正在世界范围内得到应用和推广。而z i g b e e 技术的特点同时 也决定了z i g b e e 技术适合于承载数据流量较小和o o s 要求不高的业务。 z i g b e e 名字来源于蜜蜂之间的通信方式，蜜蜂之问是通过跳z i g z a g 形状的舞蹈 来相互交流信息，以便共享食物源的方向、距离和位置等信息。 2 0 0 0 年1 2 月，美国电子和电气工程协会i e e e 成立了i e e e 8 0 2 1 5 4 组， 致力开发一种可以应用到固定，便携活移动设备上的，低成本，低功耗的低速 率的无线连接技术。 2 0 0 1 年8 月，美国h o n e y w e l l 等公司发起了成立z i g b e e 联盟，他们提出 的z i g b e e 技术被确认为i e e e s 0 2 1 5 4 标准。 2 0 0 2 年，摩托罗拉，飞利浦和三菱等企业加盟z i g b e e 联盟，0 6 年中国的 华为公司也加入了该联盟，现在联盟内部有1 8 0 多个成员企业，包括软件供应 商，系统集成商和终端产品商。 2 0 0 3 年，i e e e 8 0 2 1 5 4 标准获得通过，并且在2 0 0 4 年1 2 月推出了z i g b e e 技术规范1 0 版本。 2 1 1z i g b e e 技术的特点和协议构架 z i g b e e 无线通信技术由于它的低功耗，低成本，并且可以工作在2 4 m h z 国际免费频段i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n c em e d i c a lb a n d ) ，它的底层借助于 i e e e 8 0 2 1 5 4 通信协议，可以将其应用于矿井和无线传感器网络等等一些场 合。国内一些新兴的z i g b e e 技术方面的公司像深圳旭昂和成都西谷正在将 z i g b e e 无线通信技术应用于我们的生活和生产的各个方面。 为了在世界范围内的推广z i g b e e 无线通信技术，世界5 0 0 强等公司像日本 三菱电气公司、美国摩托罗拉公司，以及荷兰飞利浦半导体公司，在2 0 0 3 年成 立了z i g b e e 联盟。并且请世界级的科学家和研发人员制定了z i g b e e 规范2 ， 而这个规范还在每年不停的更新的过程中。现在出来的是1 1 版本的z i g b e e 技术规范。它规定了z i g b e e 技术的体系构架，以及和i e e e 8 0 2 1 5 4 的接口， 网络层，应用层，安全，等等。现在世界很多公司都加入了z i g b e e 联盟，已经 有2 0 0 多家。公司或是学校的研究人员也可以免费从联盟的官方网站上下载 z i g b e e 协议规范。z i g b e e 的协议栈结构如图2 1 所示。 a p p l i c a t l o n z i g 瞻ed e v i c e o b j e c t o b j e c t 、 l u r ) ”y【“胯u p s ”) a p p l i c a t i o ns u p p o r t 。一 l a y e r ， ( n l d e - s a p) n e t w o r kl a y e r 7 、 ( ， e - s p 、)l m l m e - s a p 夕 、 m a cl a y e r ，、，、 (咿s ”)( p l “- s ”) 、p h pl a y o r 、 ：一z il 。- 5 ，m 一； 图2 1z i g b e es t a c k 示惹图 z i g b e e 的底层是i e e e 8 0 2 1 5 4 协议口1 ，包括物理层和数据链路层。上面 是网络层，应用层。此外，z i g b e e 协议栈还提供了安全机制，可以对发送和接 收的信息进行加密从而提供安全性能。底层为高层提供服务，类似于以太网的 设计构架，而应用层又分为应用子层( a p p l i c a t i o ns u p p o r ts u bl a y e r ) 和应用 层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 。应用子层为应用层提供服务，而应用层直接面向实际 的应用开发。在z i g b e e 协议中，z i g b e e 协议的地址分为两种，分别是长地址， 和短地址：长地址有6 4 位，短地址有1 6 位。 2 。1 2z i g b e e 技术的网络拓扑结构 z i g b e e 技术是一个无线通信技术，它所支持的网络拓扑结构有三种，分别 4 是星型，树型，m e s h 网( f i g 状网) ，如图2 2 所示。而从节点的功能上来看， 有两种功能不同的设备：全功能设备( f u l lf u n c t i o nd e v i c e ) 和精简功能设 备( r e d u c ef u n c t i o nd e v i c e ) 。而从一个网络的组建来看，每个网络( t g 就是有 一个协调器( p a nc o o r d i n a t o r ) 节点) 可以有2 5 5 个节点，而不同的网络之间可 以互连，从而进行扩充。全功能设备可以担当协调器节点，或是中间节点，而 精简功能设备只可以担当叶予节点。图2 3 是树形网络结构的一个例子。1 。 图2 2 z i g b e e 技术支持的节点的拓扑结构 图2 3c l u s t e rt r e e 2 1 3z i g 瞻e 技术的应用场合 z i g b e e 无线通信技术的应用场合“”很多，主要适合应用在功耗要求低、数 据传输率不是很高而且传输距离不是十分远的场合。而z i g b e e 技术最大的优点 是节省能量。 目前z i g b e e 在无线传感器网络n 钉n ”方面的应用研究越来越受到重视。 ( 1 ) zig b e e 在在无线传感器网络方面的应用 所谓的无线传感器网络，是由很多节点组成的面向任务的无线网络，它综 合了传感器技术，嵌入式技术，现代无线网络，分布式处理技术等等多个领域 的跨学科技术，通过各类微型传感器对目标信息进行实时检测，由嵌入式计算 对信息进行处理，然后通过无线通信网络将信息传送到远程的用户“”。这是一 个十分广泛的研究领域，在世界各国，特别是美国，几乎各个大学都有从事这 方面的研究。传感器网络节点的基本组成和功能包括如下几个单元：传感单元 ( 由传感器和模数转换功能模块组成) ，处理单元( 由嵌入式系统构成，包括c p u 、 存储器、嵌入式操作系统等) 、通信单元( 由无线通信模块组成) ，以及电源部分。 借助于无线传感器网络，可以进行生态，海洋，火山，森林火灾等等环境的检 测，以及桥梁，楼宇等安全的检测等等。而其中一个难题就是如何保证这么多 的传感器节点在长时间的能量的供应问题。如果使用z i g b e e 通信技术作为节点 之间的通信技术，它宣称能量的消耗是呐安培级的。这样就可以解决能量难题， 从而使得节点的使用寿命大大增加。另外，无线传感器网络的应用面也非常广 泛。例如”“： 军事方面的应用 传感器网络研究最早起源予军事领域。无线传感器网络技术通过飞机撒播、 特种炮弹发射等手段，可以将大量便宜的传感器密集地撒布于人员不便于到达 的观察区域如敌方阵地内，收集到有用的微观数据，在传感器网络中，即使个别 传感器因为遭破坏等原因失效时，传感器网络作为整体仍能完成探测任务。 环境方面的应用 应用于环境监测的传感器网络，一般具有部署简单、便宜、长期不需更换电 池、无需派人现场维护的优点。通过密集的节点布置，可以观察到微观的环境因 素，为环境研究和环境监测提供了崭新的方法。传感器网络研究在环境监测领域 已经有很多的实例。这些应用实例包括：对海岛鸟类生活规律的观测：气象现象 的观测和天气预报：森林火警：生物群落的微观观测等等。 医疗卫生方面的应用 6 远程健康监测通过在老年人身上佩戴一些血压、脉搏、体温等微型无线传 感器，并通过住宅内的传感器网关，医生可以从医院里远程了解这些老年入的健 康状况。通过这种方法，还可以对一些冠心病、脑溢血等高危病人进行2 4 小时 健康检测，并且不妨碍病人的日常起居和生活质量。 ( 2 ) z i g b e e 在数字家庭领域的应用 z i g b e e 技术可以应用到家庭网络中“”，进行各种家用电器的无线控制，实 现智能家居系统的照明、温度、安全、控制等功能。 通过z i g b e e 终端设备可以收集家庭各种信息，传送到中央控制设备，或是 通过遥控达到远程控制的目的，提供家居生活自动化、网络化与智能化。韩国 第三大移动手持设备制造商c u r i t e lc o m m u n i c a t i o n s 公司已经开始研制世界上 第一款z i g b e e 手机，该手机将可通过无线的方式将家中或是办公室内的个人电 脑、家用设备和电动开关连接起来。这种手机融入了“z i g b e e ”技术，能够使 手机用户在短距离内操纵电动开关和控制其他电子设备。 ( 3 ) z i g b e e 在工业领域的应用 通过z i g b e e 网络自动收集各种信息“”，并将信息回馈到系统进行数据处 理与分析，便于工厂整体信息之掌握，像火警的感测和通知，照明系统之感测， 生产机台之流程控制等，都可以使用z i g b e e 网络提供相关信息，以达到工业与 环境控制的目的。韩国的n u r it e l e e o m 在基于a t m e l 和e m b e r 的平台上成功研 发出基于z i g b e e 技术的自动抄表系统。该系统无需手动读取电表、天然气表及 水表，为公用事业企业节省数百万美元。 ( 4 ) z j g b e e 在智能交通的应用 如果沿着街道、高速公路及其他地方分布式地装有大量z i g b e e 终端设备， 你就不再担心会迷路“。安装在汽车里的器件将告诉你当前所处位置，正向何 处去。全球定位系统( g p s ) 也能提供类似服务，但是这种新的分布式系统能够 向你提供更精确的信息。即使在g p s 覆盖不到的楼内或隧道内，你也可以使用 此系统。从z i g b e e 无线网络系统能够得到比g p s 多很多的信息，如限速、街道 是单行线还是双行线、前面每条街的交通情况等。使用这种系统可以跟踪公共 交通情况，你可以适时地赶上下一班车，而不至于在寒风中或烈日下在车站等 上数十分钟。可以看到，随着z i g b e e 规范的进一步发展和完善，许多公司均在 开发基于z i g b e e 的产品。采用z i g b e e 技术的无线网络应用领域有家庭自动化、 家庭安全、工业与环境控制与医疗护理、检测环境、监测、监察保鲜食品的运 输过程等等。基于i e e e 8 0 2 1 5 4 上的z i g b e e 无线通信技术有着广泛的应用前 景，它将会极大的改变我们的生产和生活。 7 2 1 4z i g b e e 技术与其他无线通信技术的比较 ( 1 ) 红外线技术 红外线是指波长为0 7 5 1 0 0 0 i im 的光，它是一种视距传输技术，也就是说 两个设备之间如果传输数据，在视觉上必须对准，中间不能有阻挡物，这种要求 在两个设备之间是容易实现的，但如果是在多个设备之间，就必须彼此调整位置 和角度”。 另外，红外线又是一种热辐射，只要有一定温度的物体都会向外辐射，温 度不同辐射光波( 电磁波) 的波长也不同，而常温下的热辐射通常就是红外线 的波长范围。例如人体的正常体温为3 7 度左右，热辐射的波长约为1 0um ，属 于远红外线的范围，体温变化的时候，辐射光的波长也会随之变化。根据这一 机理，可以通过检测热辐射的光波长，测量温度( 体温) ，这就是非接触式体 温计的测量原理；也可以通过探测特定空间中，一定波长范围内红外光线的位 置移动，识别空间范围内是否有移动人体存在，达到安全警戒或者自动控制的 目的，如；被动式红外线入侵探测、自动冲水、自动水龙头、自动路灯、火灾 探测等等，都是这一原理；红外技术有用于探测大地，测矿井下的温度和大气 “1 ，还有岩石，人员计数。但是这都是运用了红外线的热辐射的性质，作为探 测器使用。红外线的通讯应用是作为遥控器，例如，电视机的遥控器。 红外线技术是最早应用于矿井下的技术之一，技术也相对成熟，在矿井下 可以用作矿井下的地表的温度测量，瓦斯气体浓度的测量和煤仓煤位的测量等。 但是由于它的传输距离十分有限，( 通常只有3 1 0 米) ，限制了它的使用范 围，可靠性也不够高m ，。 ( 2 ) 漏泄通信技术 我国8 0 年代开始研究漏泄通信技术，并研制了k t 6 型、k d l t l 、k t 6 一 a 等多种漏泄通信系统。它由有线和无线通信方式组成。首先在矿井的巷道内 布置好同轴电缆，然后在同轴电缆的周围借助电缆可以实现无线通信。它的缺 点是无线通信离不开有线电缆的帮助，离电缆的距离也不能太远。国外典型的 宽带漏泄系统具有3 2 路话音数据通道、1 6 个图像通道，并且可与无线电话、 数据光纤网络相汇接。漏泄通信系统可实现信息的综合化传输，监测监控系统 的数据、移动通信的话音、视频图像等可在同一个漏泄信道中传输。这是目前 对信息综合传输使用比较好的传输系统”1 。 ( 3 ) 蓝牙技术 蓝牙无线通信”1 也是工作在2 4 g h zi s m 国际免费频带，每个网络最多只有 8 7 8 个节点，传输数率为i m b p s ，目前大多手机上都有这个功能，通过蓝牙让计 算机和手机迸行通信。而蓝牙通信的传输距离一般为l o m i o o m ，加大功率可 以传输到更远，但是应用一般是短距离的。它的好处是可以在有效范围内可越 过障碍物进行连接，没有特别的通讯视角和方向要求。蓝牙技术使用的是跳频 频谱扩展技术，把频带分成若干个跳频信道( h o pc h a n n e l ) ，在一次连接中， 无线电收发器按一定的码序列不断地从一个信道“跳”到另一个信道。这一点 和z i g b e e 无线通信技术不同，z i g b e e 使用的是扩频技术d s s s ( d i r e c ts e q u e n c e s p r e a ds p e c t r u m ) 。有着更加可靠的抗干扰能力。 ( 4 ) u w b 技术 u w b ( u l t r a w i d e b a n d ) 是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非 正弦波窄脉冲传输数据。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，u w b 能在 1 0 米左右的范围内实现数百m b i t s 至数g b i t s 的数据传输速率。u w b 具有 抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势， 主要应用于室内通信、高速无线l a n 、家庭网络、无绳电话、安全检测、位置 测定、雷达等领域“。 u w b 技术最初是被作为军用雷达技术开发的，早期主要用于雷达技术领域。 2 0 0 2 年2 月，美国f c c 批准了u w b 技术用于民用。u w b 的发展步伐开始逐步加 快。 u w b 作为一个新兴的高速短距离通信技术，在短距离( i3m 以下) 有很大 优势，最高传输速度有1 g b s 。而传统的窄带技术在长距离、低速传输有优势。 u w b 技术覆盖的频谱低范围为3 1 1 0 6 g h z ，频谱范围很宽，但是发射功率非 常低。u w b 技术目前可以支持1 1 4 m b s 的传输速度，距离1 3 m 完全可以满足短 距离家庭娱乐应用需求，直接传输宽带视频数码流。目前，u w b 技术只有在美 国官方承认“”。目前u w b 标准化的工作还没有完成，一些技术问题需要不断完 善，但它将可能成为新一代w l a n 和w p a n 的技术基础，从而实现超高速宽带无 线接入。专家指出，在军事需求和商业市场的推动下，u w b 技术将会进一步发 展和成熟起来。 2 2l e e e 8 0 2 1 5 4 协议 i e e e 8 0 2 1 5 4 规定了m a c 层和物理层的功能。 m a c 子层提供两种服务：m a c 层数据服务和m a c 层管理服务( m a cs u b l a y e r m a n a g e m e n te n t i t y ，m l m e ) 。前者保证m a c 协议数据单元在物理层数据服务中 9 的正确收发，后者维护一个存储m a c 子层协议状态相关信息的数据库。 m a c 子层主要功能包括下面六个方面； ( 1 ) 协调器产生并发送信标帧。普通设备根据协调器的信标帧与协议器同 步； ( 2 ) 支持p a n 网络的关联( a s s o c i a t i o n ) 和取消关联( d i s a s s o c i a t i o n ) 操作： ( 3 ) 支持无线信道通信安全： ( 4 ) 使用c s m a c a 机制访问信道； ( 5 ) 支持时槽保障( g u a r a n t e e dt i m es l o t ，g t s ) 机制； ( 6 ) 支持不同设备的m a c 层间可靠传输。 关联操作就是一个设备在加入一个特定网络时，向协调器注册以及身份认 证的过程。l r - w p a n 网络中的设备有可能从一个网络切换到另一个网络，这时 就需要进行关联和取消关联操作“1 。 物理层定义了物理无线信道和m a c 子层之间的接口，提供物理层数据服务 和物理层管理服务。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据，物理层管理 服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。 物理层数据服务包括以下五方面的功能： ( 1 ) 激活和休眠射频收发器； ( 2 ) 信道能量检测( e n e r g yd e t e c t ) ； ( 3 ) 检测接收数据包的链路质量指示( 1 i n kq u a l i t yi n d i c a t i o n ，l q i ) ； ( 4 ) 空闲信道评估( c l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t ，c c a ) ； ( 5 ) 收发数据。 信道能量检测为网络层提供信道选择依据。它主要测量目标信道中接收信 号的功率强度，由于这个检测本身不进行解码操作，所以检测结果是有效信号 功率和噪声信号功率之和。 链路质量指示为网络层或应用层提供接收数据帧时无线信号的强度和质量 信息，与信道能量检测不同的是，它要对信号进行解码，生成的是一个信噪比 指标。这个信噪比指标和物理层数据单元一道提交给上层处理。 空闲信道评估判断信道是否空闲。i e e e8 0 2 1 5 4 定义了三种空闲信道评估 模式：第一种简单判断信道的信号能量，当信号能量低于某一门限值就认为信 道空闲；第二种是通过判断无线信号的特征，这个特征主要包括两方面，即扩 频信号特征和载波频率；第三种模式是前两种模式的综合，同时检测信号强度 和信号特征，给出信道空闲判断“埘。 z i g b e e 无线通信技术是基于i e e e 8 0 2 1 5 4 t 的短距离无线通信。它使用的 是国际免费的2 4 g h z 频带，同时还包括9 1 5 m h z 和86 8 m h z 频段，其中，总共 1 0 可以使用的通信频段有2 7 个，其中2 4 m h z 有1 6 个，9 1 5 m h z 的频段有1 0 个， 8 6 8 m h z 的有1 个。具体使用哪个频段可以在程序里面设置。在我们的开发中就 可以使用命令s e t c h a n n e l ( i n t ) 函数对要使用的频段进行设置，例如选择5 号频段，就是s e t c h a n n e l ( 5 ) ，如图2 4 所示，各个信道的特性见表2 1 。 8 8 8 m h z ， 9 噜5 m h 芏 p h y 2 4 g h 窿 p h y e ：h o n n la l 8 6 a0 埘 铀毒嗍l 鼙l - 铃叫卜2 精惯 。m m m l ， c h a n n e l s1 1 - 2 6 , 一 卜唿 。l 鑫毒蠡盛鏖i 鑫盘鑫毒童童。 图2 4i e e e s 0 2 1 5 4 通信频段 表2 1i e e e8 0 2 1 5 4 通信频段和特征 b a n d c o v e r a g ed a t a r a t e o fc h a n n e l ( s ) 2 4g h z i s mw o r l d w i d e2 5 0k b p s1 6 8 6 8m h z e u r o p e 2 0k b p sl 9 1 5m h z i s ma m e r i c a s4 0k b p sl o 2 4 g h z 是国际免费频段。支持的数据传输数率为2 5 0 k b p s ，而8 5 8 m h z 和 9 1 5 m h z 分别是欧洲和美国的通信频段。支持的数据率也较低，只有2 0 k b p s 和 4 0 k h p s 。 i e e e 8 0 2 1 5 4 协议使用4 种帧结构”1 分别是信标帧( b e a c o nf r a m e ) ，命 令帧( c o m m a n df r a m e ) ，数据帧( d a t af r a m e ) 和响应帧( a c k n o w l e d g ef r a m e ) 。 分别见图2 5 至2 8 。 o 2 v a r i a b l e 2 o c t e t s ：2l o 2 0 2 8 0 2 8 序列号目的p n 标名目的地址源p a n 标志 源地址 帧控制p a y l o a d f 璐 地址域 h c 帧头部 m a cp a y l o a 帧授验 图2 5 一般的帧结构 o c t e t s ：2l 4 1 0 2 v a r i a b l ev a r i a b l e v a r i a b l e 2 帧控制 序列号 地址字段超帧规范 g t s 字段 源地址 p e n d i n g 地址 字段 f c s m c m a c 帧头 帧校验 p a y l o a d 图2 6 信标帧的结构 o c t e t s ：2 l 4 1 0 v a r i a b l e2 帧控制 序列号 地址字段 d a t a 帧效验和 p a y l o a d m a c m a c 帧头 m a c 效验 p a y l o a d 图2 7 数据帧的结构 o c t e t s ：21 2 帧控制 序列号 帧效验和 m a c 帧头 图2 8 确认帧 可以看到帧的结构一般为帧控制字段，帧序列号码，源地址，目的地址， p a y l o a d ，校验和。由于有了帧格式的规定，世界各个厂商和通信协议开发公司 在生产出来的芯片和开发出来的程序就可以相互兼容，便于在世界范围内的推 广。 2 3 本章小结 z i g b e e 是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于无线标 记技术和蓝牙之间的技术提案。它的基础是i e e e8 0 2 1 5 4 ，其功耗低，成本 低，网络容量大，时延短，安全，工作频段灵活，将在家庭自动化，遥测遥控， 汽车自动化、农业自动化和医疗护理，矿井等领域发挥重要作用。 第三章矿井人员定位系统的技术发展概况 3 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g s m 、c d m a 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，z i g b e e 技术在井下 可通信且状况良好，通信的距离可达2 0 0 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k j l 5 5 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k j 一1 9 井下 人员及设备跟踪系统等等。这些井下人员跟踪系统基本上都是采r f i d ( r a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n 无线射频) 技术“8 “3 ，通过在矿井进口处以及一些 关键通道口使用射频卡读取的方法对下井人员进行登记记录和人员查找。 然而使用r f i d 这种无线通信技术方法也存在一些问题： ( 1 ) 射频卡读写系统读写距离有限，一般被用于上下矿井人员的考勤纪 录； ( 2 ) 射频卡读写系统使用的频率一般来说较低，抗干扰能力不足； ( 3 ) 系统读卡速度受到限制，对很多人同时快速通过读卡系统的情况没有 充分考虑； ( 4 ) 如果使用远距离射频卡( r f i d ) 系统，读写器价格较高。 成都西谷无线通信公司“”和深圳许昂公司旺”在他们的z i g b e e 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。 3 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p e d 系统让2 1 是使用超低频信号穿透岩层传输的无线急救通信系统。 该系统在美国，加拿大，澳大利亚等煤矿实施。该系统在发生矿难的时候能够 发生很好的急救措施作用，然而价格也比较昂贵。 3 3 基于z i g b e e 技术的矿井人员定位系统 系统目的是搭建一个矿井人员定位跟踪系统。首先在地面上有一台控制 台( p c 机) 负责收集矿井下面的各种信息，然后在矿井的巷道内每隔一段距离 ( 按照z i g b e e 通信技术，可以选择1 5 0 米到2 0 0 米) 放置一个固定节点。由于 矿井下漆黑一片，必须安装矿灯。所以可以将固定节点安排在矿灯的附近，这 样将使得固定节点有着更好的能源供应。让矿井工作人员佩戴有小型无线通信 模块的节点，作为移动节点，这些移动节点将自己的信息发送到固定节点上， 再借助固定节点将自己的信息例如身份i d 号等信息传送到地面的控制台，然后 由地面的控制台实时的显示出来。这样地面上的工作人员可以知道矿井下的情 况。基于z i g b e e 技术的矿井人员定位系统的总体构架如图3 1 所示： 图3 1 矿井人员定位跟踪系统 如果控制台连接了网络，还可以通过网络将收集到的信息传输到远程终端， 实现远程控制。 1 4 3 4 传感器网络的定位技术 关于传感器网络的定位技术“卅的研究很多，基本的定