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长春理工大学 硕士学位论文 基于zigbee技术的井下人员定位系统的研究 姓名：秦晓静 申请学位级别：硕士 专业：检测技术与自动化装置 指导教师：李海富 2012-03 摘要 目前，各级政府和职能部门都十分重视煤矿安全生产，矿井生产安全也一直是人 们十分关注的问题。因此在地面监控中心实时观测井下人员的位置和信息，实现对下 井人员的考勤和定位，对于煤矿企业的安全生产和效率的提高都具有十分重要的意义。 本文讨论的基于z i 曲e e 技术的煤矿井下人员定位系统，首先对z i g b e e 技术进行了 简介，并在整个传感器网络系统中使用c c 2 4 3 0 芯片作为节点设计的核心处理器。之 后给出了系统的硬件和软件设计方法和流程，并利用m a t l a b 工具对改进算法进行了仿 真比较，在实验室和模拟现场的环境中对系统进行了实验可行性分析。最后，对本项 目工作进行了总结和展望。 关键词：z i g b 技术人员定位无线传感器r s s i 算法 a bs t r a c t n o w 也e9 0 v e n l i i l e n ta n d 矗m 嘶o n a ld 印a r h n e n t sh a v eb e e ng r e a t 删n gt om es a f e t y o fp r o d u c t i o ni nc o a lm i n e t h em i n ep r o d u c t i o ns a f e t yi sa l w a y st 1 1 ev e r yc o n c e n lf o re v e r y p e r s o n s oi t i sv e r yi m p o r t m e n tt oo b s e em el o c a 士i o na n di n f o 如n a t i o nf o rm em i n e m a n 唧o n r e a lt i m ei i lt l l e 舯u n dm o n i t 0 血gc e n 航山1 di ti sa l s ov e q m e a i l i n g f i l lf o r 也e s a f - e t yp r o d u “o n 强dc 伍c i e i l c yo fm ec 6 a lm i n ec o m p a n i e st oa c ：h i c v et h ea 饨饥d a n c ea n d p o s i t i o n i n go fc o a 1m i l l e r s t h i s p a p e rm a i n l yi n 仃d m l c e s 也em i n e r sp o s i t i o l l i n gs y s t e m b a s e do n z i 曲e e t e d m 0 1 0 9 y f 迅t ，i ti n 仃0 d u c e sz i 加e et e d m 0 1 0 鼢a n dn l ec c 2 4 3 0 出pi sa st h ec o r ed 嘶c e o fm en o d ed e s i 印i nt h e 、i r e l e s ss e n s o rn e 腑o r k t h e ni tp r e s c n t st l l ed e s i 弘m e l o d sa n d p r o c e s so ft h eh a r d w a r ea n ds o 胁a r es y s t e m ，a 1 1 du s em a t l a bt o o l st o s i m u l a t ea 1 1 dc o n 仃邪t b e t 、e e nt 1 1 eo l da n dm ei m p r o v e da l g o r i t l l m ，i ta n a l y s i st l l ef e a s i b i l i t yo ft h es y s t 锄i nt l l e l a b o r a t o r y 觚da c t i l a le n v i r o n m e n to f 也es i m u l a t i o n 。f i n a l l y ，血ep a p e rs u m m 撕z e dm ew o r k a n dt b eo u t l o o k k e yw o r d s ：z i g b e et e c h n o l o g y p e r s o n e lp o s i 廿。血gw i r e l e s ss e n s o r r s s i a l g o r i t l l m 1 1 项目意义 第一章绪论 作为支柱产业之一的煤矿产业能否安全、高效生产关系到我国国民经济的总体发 展。国家领导人一直都十分重视煤矿安全生产问题，强调要把煤矿安全生产问题作为 落实科学发展观的重要任务来抓【l 】。但是煤矿事故却时有发生，这些不和谐的因素在一 定程度上影响了我国构建社会主义和谐社会的进程。应煤矿安全生产中以人为本原则 的要求，确保下井工作人员的人身安全，本系统采用的z i g b e e 技术对井下人员的定位 和日常管理工作就显得十分有意义。 1 2 论文主要工作 l 、文章首先对z i g b e e 技术进行了简要介绍，包括z i 曲e e 技术的特点以及主要应 用领域，并与其他几种的无线通信技术进行了比较。 2 、分析概括了煤矿井下人员定位系统的国内外发展现状，并指出z i g b e e 技术在井 下人员定位中应用的可行性和优势。 3 、对z i g b e e 方案进行可行性分析，最后挑选c c 2 4 3 0 s o c 芯片做为无线传感器的 核心器件，并对c c 2 4 3 0 s o c 芯片和定位算法进行了介绍，提出系统的改进算法。 4 、系统采用模块化思路设计，按逻辑功能将整个系统分为网关节点部分、参考节 点部分以及终端定位节点部分。分别设计了系统的硬件节点电路图和软件节点流程框 图，并利用m a t l a b 工具对定位算法进行仿真测试。 5 、在实验室条件和室外模拟矿井现场对系统进行了实验分析，实验结果表明，该 系统性能稳定，适合于井下人员定位。 6 、对本文进行了工作总结，并提出文中应用不足之处。 1 3 主要技术参数 1 、当携带移动模块的人员或设备快速移动时，该系统亦能进行准确的定位。 2 、远距离识别，井下识别距离可达5 0 米以上。 3 、数据存储量：6 0 0 0 0 条记录 4 、识别卡编码范围：1 2 2 0 5 、防爆形式：本质安全 6 、工作频率：2 4 g h z 7 、计算机控制界面具有实时观测功能。 2 1z i 曲e e 技术简介 第二章z i g b e e 技术及系统概述 在这个网络通信技术不断推陈出新的时代，z i g b e e 无线技术以其低功耗、低成本 等特点备受关注【2 】。z i g b e e 的名字来源于蜜蜂与同伴之间一种特殊的交流方式【3 】。作为 新兴技术之一，它遵循i e e e 规范中的8 0 2 1 5 4 协议，工作在全球免费的2 4 g h z 频 段，采用先进的d s s s 直接序列扩频技术吲。新技术的诞生给人们的生活增添了色彩， 也为生产带来了新的发展机遇。 2 1 1z i g b e e 技术的特点 z i 曲e e 技术在成本和功耗要求低、通信数据量不大、数据传输速率相对降低并容 易安装使用的场合得到了广泛的应用，它具有以下几个特点： 1 、具有灵活的工作频段【5 j z i 曲e e 是一种无线连接技术，使用“免注册”频段的2 4 g h z 、8 6 8 m h z 和9 15 m h z ， 前者在全球通用，后两者分别在欧美国家流行。它的传输距离在1 0 7 5 m 的范围内，也可 以继续增加。我国使用的z i g b e e 设备工作在2 4 g h z 频段，在2 4 g h z 频段里分配了1 6 个 信道，较多的信道提高了z i 曲e e 得可用性和灵活性。 2 、极低的功耗 它的发射功率和接收功率都非常小，而且在不需要工作的时候能够开启休眠模式， 它支持的这种工作方式能够最大限度的降低功率损耗。 3 、较低的成本 首先z i g b e e 协议是免专利费的，且终端移动模块和路由模块的成本都比较低：其 次网络协议较简单，对处理器的要求不是很苛刻，因此对于需要大量布置无线传感器 网络节点的领域来说采用该技术将会大大降低成本。 4 、数据传输可靠性好 m a c 层使用载波监听多路访问冲突避免( c s m r c a ) 的数据传输方法，这种传输方 式有效的避开了发送数据的竞争和冲突，在一定程度上增强了数据传输的准确性。 5 、网络容量大且结构多样 支持的网络结构多样，一个网络最多可以容纳2 5 5 个设备；z i 曲e e 的数据传输方式 既可以单跳，也可以实现多跳并且使用的地址范围宽泛。 2 1 2z i g b e e 协议栈结构 z i 曲e e 技术建立在i e e e 8 0 2 1 5 4 标准之上，z i 曲e e 协议由物理层( p h y ) 、介质访问 控制层( m a c ) 、网络层( n w k ) ，应用层( a p l ) 四部分组成【6 1 。 z i g b e e 联盟 i e e e 8 0 2 v 应用层( a p l ) 标准 网络层( n w k ) i 薹囊? j i ”：| i | ；| | i 媒体接入控制层i 善m a e ) j 一 。i j 3 。q物理层( m a c ) 物理层( m a c ) 8 6 8 9 15 m h z2 4 g h z 图2 1z i g b e e 协议栈图示【7 】 i e e e 8 0 2 1 5 4 有两个物理层( p h y 层) 【8 j ，分别操作于8 6 8 9 1 5 m h z 和2 4 g h z 频率 范围。z i g b e e 的传输距离、输出功率与工作时周围的环境等因素有关，一般为1 0 1 0 0 米之间。p h y 层主要负责处理的任务有检测数据通信信道的能量和接收、发送数据等。 m a c 层使用了载波监听冲突避免( c 砧c a ) 机制，可以对无线信道访问进行 安全控制，并进行数据的管理服务。m a c 层的主要功能是对信标进行日常管理、帧确认、 应答帧传送等。 网络( n w k ) 层在整个协议栈中具有核心地位。网络层有提供网络节点地址分配， 组网管理，消息路由，路径发现等功能。 z i 曲e e 应用( a p l ) 层是协议栈的最上层用户，其功能是规定不同类型的业务。 2 1 3 节点结构 z i g b e e 设备从功能上可分为全功能设备f f d ( f u l lf u n c t i o nd e v i c e ) 和精简功能设 备i 江d ( r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ) ，从逻辑类型上可把设备分为z i 曲e e 协调器，z i 曲e e 路由器和z i 曲e e 终端设备。 r f d 只用来和其它f f d 或i 心d 之间收发数据；路由器( f f d ) 有信息双向传输功 能；网路协调器( f f d ) 在整个网络中起着枢纽的作用，包含所有的网络信息，存储 容量最大，有维护网络、存储和管理网络节点信息、寻找节点问路由信息等。 z i 曲e e 协议中定义了三种拓扑结构例：星型网络( s t a r ) 、网状网络( m e s h ) 和簇树状网 络( c l u s t e r t r e e ) ，如图2 2 所示。 q 、 、 ， 、 ， 一一- 、 ，7 ， 星型网 ，一 ，_ ，7 ： ，、， 心i 、一。、t 默0 良分- ， q 谂i 、国 留曩 舀 图2 2z i g b e e 网络拓扑结构 紫球代表网络协调器，黄球代表路由器，绿球代表终端简化功能设备 1 、星型网络 在该网络类型中中心协调器负责整个网络的建立，维护和运行，各个终端节点之 间的通讯需要与中心协调器进行配合才能够完成，主从结构的这种网络其控制和同步 都比较的简单，适用于设备比较少的场合。 2 、网状网络 在网状网络中路由节点之间可直接进行通信，即使一个路由路径出现了问题信息 则可以选择其他的路由途径传输，这样就极大地提高了信息通讯的效率。 3 、簇树状网络 如上图2 2 所示，该网络结构较前两种较为复杂，功能也更加全面一些，各节点之 间的通信路径也较多。 2 1 4 应用 z i 曲e e 技术在各个领域都有着广泛的应用价值，下面就来简单看看z i 曲e e 的一些 应用，包括智能交通、智能家电、军事应用、环境监测、医疗卫生、工业控制以及电 信应用等方面【1 0 j 。 1 、智能交通方面 当前，g p s 技术被广泛的应用在交通领域，在公共交通领域也达到了智能化的程 度。但是由于g p s 技术使用费用高这一问题阻碍了其在这一系统中快速发展的步伐， 而z i 曲e e 技术的诞生弥补了g p s 技术的很多不足之处。我们可以应用z i g b e e 技术的 自组织网络的特性，在每辆公交车上安装一个子节点( r f d ) ，再在公交线路上的每个站 点上安置一个可以与子节点互通信息的网络节点f f d ，并配置相关的终端管理平台， 这样就可以对所辖网络内的交通情况进行实时有效的调度。 2 、智能家用设备 在家里的电器和电子设备中嵌入z i 曲e e 无线网络模块，可以实现防盗报警等功能， 真正实现家庭的智能化管理。同时可以利用该技术把工业控制中大量的传感器和控制 器，连接成一个网络进行监控，可加强作业管理，降低生活成本。 3 、环境方面的应用 在环境研究和检测的很多地方需要满足部署简单、成本低廉、无需派人现场维护 以及长期不需要更换电池的特性，而该技术所具有的特点正好满足了环境监测方面的 问题。例如，在海岛等地方布置节点可对鸟类的生活规律进行监测以及对气象和森林 方面的监测等等，这都为环境监测和研究提供了新的方法。 4 、医疗卫生方面的应用 在医疗卫生方面，例如在患者身上佩戴各种需要的无线传感器终端节点，就可以 直接把情况反馈到远程医生的电脑里，这样就可以对健康状况进行远程监测，使就医 过程方便快捷。同时在医院中也可以借助各种传感器和z i g b c e 网络对在病房的病人的 各项生理指标进行实时监测。 5 、电信应用方面 由于g p s 技术的定位难以满足对室内定位的要求，而该技术的定位功能正好可以 弥补这一不足。因此早在2 0 0 6 年，国外的电信公司就把z i g b c e 集成在电信的终端部位 而制成了基于z i g b e e 技术的s l m 卡。 2 1 5 几种无线传输技术比较 近年来无线传输通信技术得到了较快发展，几种近距离无线通信技术正在成为业 界的焦点，下面就这几种技术做简要的介绍和对比【1 1 】。 1 、无线局域网( w i f i ) w i - f i ( w i r e l e s sf i d e l 匆) 是无线局域网的主要技术标准之一，其最初规范是在 1 9 9 7 年提出。w i f i 网络因其便携性在校园网以及办公室无线局域网的用户与用户终 端之间得到广泛的应用，实现了用户最后“1 0 0 m ”的通信需求。i e e e 8 0 2 1 1 流行的版本 包括8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 1 b 和8 0 2 1 1 9 。8 0 2 1 l a 使用在5 8 g i z 频段，其最高传输速率为 5 4 m b p s ：8 0 2 1 l b 使用在2 4 g h z 频段速率只有几个m b p s ：8 0 2 1 1 9 在2 4 g h z 频段与 8 0 2 1 1 b 兼容，最高速率亦可达到5 4 m b p s 。但由于该技术装备消耗的功率较高，因此 不适于工业上的推广应用。 2 、b l u e t o o m 蓝牙( b l u e t o o t l l ) 技术是爱立信、诺基亚以及i b m 等公司在1 9 9 8 年率先推出中低速 无线技术，该技术也工作在2 4 g h z 频段。采用f h s s 扩频方式，其信道带宽为l m h z ， 连接距离一般小于l o m ，且对每个微型网络最多只能配置7 个节点，由于其能够配置 的传感器节点数目较少，因此不适用于井下复杂的环境。 3 、u w b u w b 即超宽带通信技术，具有低功耗、低复杂度的特点，在发射接收实现高速 数据传输领域具有广泛的应用，在近年来得到了迅速发展。超宽带通信技术虽然具有 传输速率高和分辨率高等的优势，但由于其功耗和传输可行距离的限制，不适用于井 下通信环境。 4 、z i g b e e z i g b e e 采用直接序列扩频技术，在各领域都有较为明显的应用优势。 下面是对这几种通信技术性能的简要对比，如表2 1 所示。从表2 1 中比较可知 z i g b e e 技术具有低成本和低功耗的明显优势，因此非常适合井下人员定位系统对性能 方面的要求。 表2 1 上述无线通信技术性能比较表【1 2 1 2 2 国内外发展状况 2 2 1 国外发展状况 早在2 0 世纪9 0 年代初基于红外的无线检测系统就被南非国家的一个矿山应用【1 3 】， 通过在矿山的关键部位安装红外设备并通过红外识别技术实现对所监测对象的识别。 从具体上说，这种红外识别系统并非具有真正的人员定位功能，只是简单的识别和考 勤等。 微波信标系统的矿山监测器来自于1 9 9 4 年南非的一个金刚石矿山，这种监测器 的工作原理是通过检测设置在矿山周围特定位置的微波节点来进行定位【l4 1 。 紧接着基于r f l d 射频识别技术的人员探测系统在澳大利亚问世，其工作原理是通 过监控矿工身上携带的无源信标节点来确定矿工是否进入危险地带及其他情况。在这 之后主要用于井下和隧道作业的t t 井下人员跟踪系统也相继问世，该系统的定位原理 为携带在个人身上的移动标签在采集到信息之后将信息传输到地面的计算机控制系 统。 6 2 2 2 国内发展状况 近年来有关煤矿井下人员定位系统的技术发展迅速，生产此系统的厂家有北京凯 瑟新起点科技有限公司生产的k j 2 7 8 系统、北京阳普世纪科技有限责任公司的2 0 8 系统、唐山理士机电成套设备有限公司的1 3 3 系统、上海澳霖矿井人员定位管理系 统等。其中日2 7 8 系统为多学科综合应用产品，产品核心部分采用r f i d 技术进行工作， 主要由主机、数据传输接口、分站、读卡器、人员识别卡、电缆接线盒和其它必要设 备及系统监测软件等部分组成。工作过程为终端移动识别卡发射的射频信号经读卡器 接收之后发送到地面计算机监控中心，监控中心根据接收到的信息来进行日常管理工 作【1 5 】。 2 3 本项目目标 2 3 1 与r f i d 定位系统的比较 目前井下人员定位系统大多采用r f i d 射频识别技术，该技术利用射频识别来进行 数据的交换工作。在该技术的定位系统中，井下人员随身携带i 疆i d 卡，读写器收集到 i 心i d 卡上得信息后通过井下通信电缆与地面控制中心联系，但存在以下方面的制约因 素： 1 、价格因素： 一般r f i d 无源卡虽然具有基本不耗电的优点，但其信号传输距离一般仅在1 0 米 左右，且漏检现象严重，而有源r f i d 卡在工作中与其配套使用的读写器价格比较昂贵， 大约在人民币1 万元左右。由于在定位中需要使用许多具有参照位置作用的读写器的 这显然是不利于资本节约的。 2 、技术问题： ( 1 ) i 强i d 芯片内部没有记忆功能【1 3 1 ，因此仅能实现考勤和简单的日常管理等工作。 ( 2 ) 无源的r f i d 标签传播距离近，有源标签虽能主动发射信号，但传播距离仅有 3 0 5 0 米。 ( 3 ) r f i d 无源标签读卡器对移动目标的识别不够敏锐，有源标签亦存在大量的信号 碰撞问题，无法大量识别射频标签，因此极易造成漏检现象。 ( 4 ) r f i d 系统不能自动无线组网，读卡器之间只能靠通信电缆连接，灵活性差，且 安装维护十分麻烦。 2 3 2 本项目的优势 相对以上r f i d 系统，本项目系统具有高效、高可靠性、低成本、低功耗、布设容 易、有效解决漏度和误判等的问题的优势【1 1 】。 1 、i 强i d 读写器价格在一万元左右，而本项目读写器的价格只有前者的百分之几， 而且便于携带，因此z i g b e e 定位系统在价格方面具有比较大的优势。 2 、在i e e e 8 0 2 1 5 4 的物理层使用媒体接入控制机制，大大减少了人员漏检问题。 3 、硬件内部附带载波监听多路访问冲突避免机制，能较好的解决误判问题。 4 、z i g b e e 模块具有一定的数据记忆功能，可真正实现对井下人员的跟踪定位。 5 、不需要使用有线设备来传输位置信号，其本身可以自行动态组织网络，大大提 高了系统的灵活度和可靠性。 2 4 本章小结 本章主要对z i g b e e 技术及其有关组成进行了简要概述，明确了该项目使用的主要 技7 r 一z i g b e e 技术具有工作频段灵活、功耗低和成本低等的诸多优势。之后对z i g b e e 技术的协议栈结构进行了陈述，在分析了z i g b e e 协议的三种拓扑结构之后，又对该技 术目前在各个领域的有关应用进行了阐述，接着对井下人员定位系统的国内外现状进 行了说明，提出了本项目目标的实际性、可行性以及优势所在。 3 1 系统总体构成 第三章系统主要组成 该系统的构成如下图3 1 所示。井上地面部分主要包括定位系统终端计算机和具有 数据传输和转换功能的转换器【1 6 】，后者在信息处理等方面具有重要作用。井下设备主 要由网关节点基站、参考节点、定位节点组成，采用簇树状拓扑结构布线，其中中继 器具有增大无线网络传输距离和调整传输信号的作用。本系统的传输方式结合使用光 纤有线网络和z i g b e e 无线网络，井下的无线z i g b e e 子网负责定位信息的采集，z i g b e e 子网的网关节点汇总信息后，通过矿用光纤将信息传送到地面终端计算机系统，此传 送方式转变为有线。 图3 1 系统总体结构示意图 3 2 工作原理及各部分功能简介 3 2 1 工作原理 无线基站在矿井中安装完成之后，将参考节点的位置坐标存储在地面终端计算机 中【1 7 】。系统上电之后系统各组成部分和各节点自动组成无线传输网络，井下人员随身 9 携带的移动终端部分发送无线定位信息，参考节点收到后加上自身的i d 和r s s i 信息， 通过z i g b e e 网络转发给网关部分，网关部分再通过矿用光纤发送给地面的计算机监控 系统，根据r s s l 信息及己知的参考节点的坐标信息和定位算法，终端计算机接收到数 据之后进行处理和分析完成各种任务，各部分功能如下。 3 2 2 各部分功能介绍 地面监控计算机作为整个系统的管理和控制者，在整个人员定位系统的运行中发 挥着重要的作用，通过与相关的定位软件配合可以对井下上传的各种数据和信息进行 汇总处理，实时显示井下人员的定位状况，并且进行查询和数据输出等的后期管理【1 8 】， 另外井下作业信息可以通过因特网传给相关部门，供存储和查询使用。 井下部分由z i g b e e 子网、光纤以太网和电源等部分组成，各组成部分主要性能如 下： l 、z i g b e e 子网部分 如上图3 1 所示，本系统利用装载在工作人员和设备上的z i g b e e 终端移动模块进 行实时定位，在井下每隔一段距离( 5 0 米到3 0 0 米左右) 就要覆盖一个z i g b c e 子网， 按逻辑功能划分其主要组成部件为： 网关( 协调) 节点：网关节点是一个z i g b e e 组织者，充当协调器的作用，接收来 自参考节点的数据，把定位节点坐标及其他参数通过有线或无线的方式发送给地面p c 机。其数据采集和传输使用以光纤以太网技术组网的有线网络和以z i g b e e 技术构建的 无线网络相结合的组网方式。 参考( 路由) 节点：从功能划分为全功能设备，它的位置由用户提前自行设定， 在系统中负责与终端定位节点和网关之间的通讯，一方面将自身信息传达给终端定位 节点，另一方面将定位节点发送的信息送往网关。 定位( 移动) 节点： 移动定位节点为z i 曲e e 网络的精简设备，井下人员身上携带的定位节点将根据已 设定的参考节点位置值计算出到自身到各临近参考节点的距离值，并把该信息发送给 上一级的参考节点供使用。 2 、光纤以太网部分【l 9 j 随着科学技术的发展，光纤的成本在不断下降，光纤通信就是使用光信号为介质 进行传输。这种信号传输方法不仅损耗低，而且工作性能安全可靠，非常适用于煤矿 井下易燃易爆的环境。 本系统选用外层具有保护钢索和套管的单模矿用光纤。 光纤以太网技术是将光网络和以太网融合与一体的技术，亦融合了二者具有的传 输可靠、易于与因特网连接等的优势。在井下数据通信中应用光纤以太网络，不仅提 高了系统的通信速率，而且大大提高了系统的性能。 3 、电源部分【2 0 】 由于井下可燃性的气体和粉尘含量相对较高，因此本系统使用防爆稳压电源。该 电源一方面可以将井下非本安交流电转换成本安低压直流电，另一方面在煤矿电力供 应不足时能够自动启用蓄电池装置对系统进行供电，使用安全可靠。 3 3 定位算法研究 本系统采用基于测距的r s s i 定位技术，在目标节点主动发送数据到z i g b e e 无线 定位网络之后，通过对各已知节点之间距离的测量和估计间接计算所求未知节点的位 置【2 1 1 。 3 3 1 接收信号强度r s s i 测距【2 2 】 该算法是将信号的传输损耗转化为距离，再选择其中三个有效距离，并以这三个 距离为半径分别做圆，则这三个圆的交点就是所求的位置。基于井下的网络环境以及 成本和功耗等的方面的考虑，本系统采用基于接收信号强度( r s s i ) 指示的定位方法 作为本文的基本定位技术。 接收信号强度限s s i ) 法是一种通过计算信号在传播中的衰减来估计节点之间的距 离的测距方法。根据接收到的信号强度值就可以估计计算出发射端与接收端之间的距 离d ，该距离一般服从如式( 3 1 ) 所示的数学模型： d r 脚( d ) = 尸( d ) = 尸( 吃) 一1 0 刀l g ( 0 一k ( 3 1 ) 口0 式( 3 1 ) 中，以为参考距离，其上限值4 ，下限值1 ：d 为发射和接收两点之间的距 离：n 是衰减因子：) ( 0 为均值为o 的随机变量，且服从高斯分布，其大小由周围所处环 境决定。凡( 哦) 是以哦为参考距离的信号发射强度，其值已知；足跚( d ) 是在d 处的 接收功率。因此通过这种测量方式就可以计算出未知节点与己知参考节点之间的距离 d ，再根据三边测量法进而确定未知节点的具体位置。 设m 、必、必三点分别为三个已知的参考节点，为未知节点，m 、必、心 三点的坐标分别是( x ，、y 。) 、( x ：、y ：) 、( x ，、y ，) ，点的坐标设为( x 、y | ) ，且m 、鸩、 坂到点的距离分别设为么、巩、么，数学模型如图3 2 所示，且有如下公式： 厄i 而= q 2 厄i 再而：髫 厄j 歹砑= 弓2 由( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 联立求得的( x 、y ) 即为未知节点的坐标位置值。 ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 3 3 2 对距离测量的改进算法 图3 2 三边测距法原理图 虽然r s s i 测距算法实现简单，且具备低功耗和低成本的优势，但是由于煤矿井下 环境比较复杂，存在诸如干扰、多径和遮挡等影响测量的因素，使得r s s i 测距的精度 较低。为了减小测距误差对定位精度的影响，本文提出了一种基于r s s i 的对距离测量 的改进算法【2 3 1 。 由于r s s i 的测量值与实际损耗之间有偏差，因此测量距离总是大于实际距离，即 在上图3 2 中的圆m 、鸠、心不会相交于点n ，而是如下图3 3 所示，三个圆的交点之 间出现了一个区域，此时三条弦相交于一点设为1 ，改进算法使用m 点的坐标代替 点坐标a 设图3 3 中以m 、鸠、坞三点为圆心的圆其实际半径分别用碣、畋、吃( 三 个值为r s s i 测量得来) 表示，m 点坐标设为( h 、) ，则m 点的位置坐标可以如下所 求： ( 一五) 2 + o 一m ) 2 = 珥2 ( 3 5 ) 0 一恐) 2 + o “一咒) 2 = 2 ( 3 6 ) o 一毛) 2 + 0 “一乃) 2 = 呜2 ( 3 7 ) 将上述三个方程式两两相减即可求出m 点的坐标。 图3 3r s s i 实际测距图 下面分别对测量距离4 、畋、吃进行修正。 设点m 、鸠、坞三点到m 点的距离分别为、乞、乞，则提出系统的总体修正 系数口如下式( 3 8 ) 所示： 口= 1 一 ( 3 8 ) 实际测量距离4 的系统修正系数设为呸 鲺 铲似赢 。9 ) 面的系统修正系数为口， 姒 旷纵南 。10 ) 同理，以的系统修正系数为 3 反 铲似赢 。1 1 ) 则修正后的距离分别标记为“、畋”、或”，其中 d 1 = d l ( 1 一口1 ) ( 3 1 2 ) d 2 ”= d 2 ( 1 一口2 ) ( 3 1 3 ) d 3 ”= d 3 ( 1 一口3 ) ( 3 1 4 ) 求出修正距离之后分别带入上式( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ，联立消元求解，求出m 点 的新坐标用( h ”、”) 表示，则把( h ”、蜘”) 作为所求节点修正后的位置坐标值。 其改进算法流程图如图3 4 所示： 3 4 本章小结 ( 开始 ) 山 未知节点计算r s s i 平均值 求出到参考节点距觏 0 取以中最小的个截畋吃 山 计算l 点坐标 0 计算 l i l ，l 、 + 求出总体修正系数口 士 分别求出 0 求蹦修正距呙 “畋”吃” 求出修正后坐标 ( x 。，y 。) 一 ( 结束 ) 图3 4 改进算法流程示意图 本章主要对井下人员定位系统的主要组成部分进行了系统的概述，采用了有线通 信与无线通信相结合的方式，选择了使用集成无线模块和矿用光纤通信相结合的方式， 由矿工所携带的移动定位终端定时发送信息，经上位机定位计算之后确定矿工的位置。 之后提出了一种基于r s s i 的对距离测量的改进算法，该算法有效的提高了系统的定位 精度。 1 4 4 1 z i 曲e e 方案的选择 第四章系统硬件电路设计 目前提供z i g b e e 芯片的厂商很多，例如t i 公司生产的c c 2 4 酝系列产品； e m b e r s t 公司的e m 2 5 0 e m 2 6 0 ：i 己a d i op u l 公司生产的m g 2 4 0 0 m g 2 4 5 0 m ( 挖4 5 5 ； m i c r oc l l i p 公司生产的m r f 2 4 j 4 0 等，其方案主要有以下几种【1 9 】： 1 、z i g b e e 芯片内置协议栈加通用微处理器。如e m 2 6 0 、c c 2 4 8 0 。 2 、z i g b e e i 江芯片加上指定微处理器。如c c 2 4 2 0 c c 2 5 2 0 + m s p 4 3 0 等。 3 、z i g b e e s o c 芯片。如z i g b e e 专用芯片c c 2 4 3 0 c c 2 4 3 1 、m c l l 3 2 2 4 、m c l 3 2 1 3 笙 1 ro 在以上三种方案中，与前两种芯片相比单芯片全集成( s o c ) 具有以下优势： l 、s o c 芯片为单集成芯片占用的p c b 面积小，设计复杂度低，电路可靠性高， 抗干扰能力强，所需成本低。 2 、s o c 集成芯片可以更好的满足系统对低功耗的要求。 3 、开发环境性能稳定优良。例如c c 2 4 3 0 芯片内核为增强型8 0 5 l 微控制器，在 一般嵌入式开发中被广泛的使用，故对c c 2 4 3 0 芯片平台更加易于掌握和进行快速开 发；其次适用i a r 公司推出的专门的开发环境，此开发环境技术领先、性能稳定。 4 、s o c c c 2 4 3 0 芯片支持免费的z s t a c k 协议栈。支持目前最新的z i g b e e 2 0 0 6 和 z i b g e e 2 0 0 7 标准，且2 0 0 6 年该协议被推出可以获得免费使用。 综上考虑，本文选用t i 公司的c c 2 4 3 0 s o c 芯片进行z i 曲e e 无线模块的开发。 4 2c c 2 4 3 0 介绍 4 2 1 芯片主要性能特点 c c 2 4 3 0 系统芯片采用c m o s 方案解决，符合i e e e 8 0 2 15 4 和z i g b e e 标准，其内 部核心器件为使用频率为2 4 g h z 的射频收发器( r f ) 、内存和8 0 5 1 m c u 【2 0 】。在整个 芯片上使用3 2 6 4 1 2 8 k b 可编程n a s h 、8 k b 的r a m 、一个8 位微控制器( 8 0 5 1 ) ，还集 成了a e s 1 2 8 安全处理器、模数转换器等功能模块，因此仅需很少的外围电路。该芯 片接收灵敏度高、传输速率快( 最大为2 5 0 k b p s ) ，采用低电压供电( 电压范围2 0 v 3 6 v ) 且功耗很低，休眠之后苏醒所用的时间很短，适合本系统井下设备电池要求寿命长的 特性，其内部组成如图4 1 所示。 固臣圃 蔓d 黜q 埔d 图4 1c c 2 4 3 0 内部组成不意图 c c 2 4 3 0 芯片的主要特点如下： 其内部的8 0 5 1 微控制器核具有高性能和低功耗的特点。 内部的无线电收发机采用直接序列扩频通信，且符合i e e e 8 0 2 1 5 4 标准。 休眠模式和待机状态下的电流损耗值分别为0 9 肛a 和不大于0 6 “a ，且能够被 外部中断唤醒。 硬件支持载波侦听兼多路访问冲突避免( c a m 刖c a ) 功能，内部无线电收 发机采用直接序列扩频通信方式，且其硬件层、物理层与z i 曲e e 8 0 2 1 5 4 全兼容， 可以有效的避免数据冲突。 内部硬件支持r s s i l o i 功能。 模数转换功能最多可支持1 4 位的数据。 采用7 m m 7 m m q l p 封装。 带有2 个强大的u s a r t ，1 个常规的1 6 位计时器，1 个符合i e e e8 0 2 1 5 4 规范的m a c 计时器和2 个8 位计时器。 性能稳定和灵活的开发环境。 1 6 g；饿j 32一j654一j 2一j一嵋一6j 4一旧，o 嘲 咒挖一心豫心 n n n n n n n n m孙瓣珊册粥扮 贬 狮舯 4 2 2 芯片引脚功能 c c 2 4 3 0 芯片共有4 8 个引脚，从功能上可以分为输入输出端口线引脚、起控制作 用的端口引脚和为芯片工作提供电源的引脚共三大类型，如下图4 2 所示。 争l l 爹l62 羹5耋 争薹毒毒 挚l 耋誊 争薹奎器 驺v 猃7 擎差l器 雾l 黎爹 麓融董滢n 重臻 辩l 鹣一l 擎囊 4 2 3c c 2 4 3 0 典型应用电路 图4 2c c 2 4 3 0 芯片各引脚 鏊蛰鬻 鋈蕊避褥 鬟露多器 臻鹫嚣卷麝嚣逮嘲遂霹舔鑫晶譬镁瓷熬蚤瀑蛰。委羹谶囊一q搿器詈树罄一繇蕊嚣尊繇 图4 3c c 2 4 3 0 应用电路图 综上介绍，采用c c 2 4 3 0 芯片作为传感器网络节点的核心器件需要另外搭设的外 围电路较少，且其体积小、成本低，经济实用，能够更好的完成该井下人员定位系统 中对数据采集、传输和数据处理功能的要求。 4 3 各节点的硬件设计 本文井下人员定位系统主要组成部件从模块上可分为网关基站节点、已知参考节 点和终端移动定位节点三部分i l 。 4 3 1 网关节点硬件设计 网关节点固定部署在煤矿巷道中，在整个网络中充当协调器的主导核心作用。网 关节点通过串口与地面计算机系统进行相连，并采用无线通信的方式与其他逻辑节点 进行数据通信。在信息传输时，一方面网关节点在接收到地面控制中心的数据后将数 据信息存储到相应的区域，并通过无线方式传输给参考节点和末端的定位节点；另一 方面，“网关节点同时也承担路由节点的角色，当定位节点发出存在信号，且网关节点 收到该存在信号时，网关节点将存在信息加上自己的地址信息，并将此信息通过矿用 光纤传送到上位计算机”【2 0 j 。 本系统网关的硬件体系结构如图4 4 所示，主要包括c c 2 4 3 0 模块、无线部分、通 信转换部分和电源等。由于网关设备是整个z i g b e e 网络的核心部件，需要长时间运行， 因此不能采用独立便携的电池供电，本系统采用外接矿用隔爆兼本质安全型不间断电 源箱来为设备基站供电，可较好的满足系统要求。关于本安电源后面有专门介绍部分， 此处不作详细说明。 图4 4 网关节点系统框图 1 、接口模块设计 接口模块用于射频芯片与计算机间的通信。由于本设计中使用r s 2 3 2 串口与上位 机进行通信，因此，需要用m a x 2 3 2 将r s 2 3 2 电平转换为t t l 电平。则其数据通信转 换接口电路如图4 5 所示。 图4 5 接口模块电路图 1 9 图4 5 串口连接电路中，m a x 2 3 2 的第1 0 端口与c c 2 4 3 0 的p 1 2 端口相连，第9 端口与c c 2 4 3 0 的p 1 3 端口相连。r s 2 3 2 的2 端口为数据接收端，接收数据时c c 2 4 3 0 先接收数据信号，然后经过m a x 2 3 2 将t t l 电平转换为r s 2 3 2 的标准电平，然后送 入上位机中；r s 2 3 2 的3 端口为数据发送端，其发送数据是接收数据的逆反过程。 2 、网关键盘部分的电路设计 p 0 2 p 0 3 p 0 _ 4 p 0 5 p 0 6 p 0 7 三 、。 s 1 三妻奎奎妻 s 2 s 3 s 4 ： s 5 s 6 图4 6 网关键盘电路图 网关节点做为z i g b e e 系统的协调器，该键盘部分提供了s 2 、s 3 、s 4 、s 5 上、下、 左、右4 个方向键，s 1 和s 6 为功能键，其中s 1 键有确定输入参数的功能，s 6 键功 能为从当单返回上一级菜单或忽略当前输入的参数。 4 3 2 参考节点硬件设计 参考( 路由) 节点广泛分布于各个工作面以及各个岔路口处，它的布置密度与定 位精度有很大关系，为了使定位更加精确一般在巷道中每隔4 0 m 的距离放置一个参考 节点定位器。其大小约为1 5 cm l o c m ，且只能与其邻近节点进行通信。系统管理人员 在部署参考节点时为其进行编号和提前给出其坐标地址，并将该编号和坐标地址信息 存于上位机的管理系统软件中。从z i g b e e 子网的组成来划分，参考节点作为终端定位 节点的父节点，在信息的传递过程中起着路由跳转的功能。 该节点主要由主处理器c c 2 4 3 0 、无线部分和本部分亦采安电源及管理模块等组 成，其结构框图如4 7 所示。同网关节点相似，本节点电源用本安电源管理模块。 图4 7 参考节点结构框图 2 0 4 3 3 定位节点硬件设计 本系统的定位通信模块置于井下人员的矿帽中，大约2 c i n 2 c m 大小，用于携带它 的工作人员的定位。在人员下井之前将该人员的姓名等个人信息与定位终端芯片的永 久地址相对应，其发出的定位信息被参考节点定位基站的z i g b e e 模块接收以后继续上 传到网关部分，网关部分通过矿用光纤上传到地面终端计算机。这样，当地面的煤矿 人员定位系统接收到网关节点传来的定位信息时，能够通过所记录的永久地址与井下 人员信息的匹配性来了解井下人员的具体情况信息。 井下定位模块主要由微处理器c c 2 4 3 0 、语音部分、无线部分、终端按键及显示部 分和本安电源及管理等部分组成，其组成如图4 8 所示。考虑到移动终端需要携带方便 的原则，加上井下环境具有易燃易爆的特殊性，该部分由本安锂电电池进行供电，该 电池与限流限压装置封装一体。 图4 8 终端定位节点结构框图 1 、电源模块设计 由于定位终端需要具有体积小、重量轻以及便于携带的特点，而电池的体积和重 量等因素直接关系到该终端的性能，而体积小、重量轻、环保性和安全性高以及对环 境污染小的锂电池备受青睐。本系统移动终端选用上海申诗电池科技有限公司生产的 1 0 0 0 m a h 的锂电池。 由于c c 2 4 3 0 芯片最高的输入电压为3 6 v ，为了提高芯片的安全性能和得到稳定 的电源输入，在电源输入之前加上一个线性稳压电路，本文采用t p s 7 3 3 3 q 作为主器 件输出3 3 伏稳定的电源为c c 2 4 3 0 供电。 t p s 7 3 3 3 q 为t p s 7 3 敞系列的一款微功耗低电压稳压器，其输入电压范围广泛， 从o 3 v - 1 1 v 均可，采用t s s o p 封装，输出电压3 3 伏，允许误差3 ，在电池供电 设备、通讯设各、音频视频设备中有广泛的应用。该稳压器采用p m o s 技术有效的降 低了压降和静态电流，电源模块原理图如下图4 9 所示，为了增强器件的稳定性和较好 的抑制噪声，在输出端和地线之间需要分别连接1 0 u f 和0 1 u f 的电容来提高电路的性 能。 2 1 t p s 7 3 3 3 q r g