基于ZigBee的井下人员定位系统说明书

摘要我国的矿山数量多，分布广，在国民经济发展中占有非常重要的位置。但由于自身的特点，矿山企业发生各种灾害和人身伤亡事故的几率较高，一直是我国安全生产工作的重点。由于煤矿生产环境的特殊性，井下人员的分布不能快速真实地反映在地面管理系统中。在正常生产期间，不能方便地统计井下工作人员的数量和分布；一旦发生事故，不能很快了解井下人员的数量、分布和位置，给救灾工作带来困难。本课题旨在以矿井重大灾害的应急救援关键技术为重点，研究应急救援过程中人员定位、通讯保障、决策指挥等内容，自主开发关键装备，初步建立矿井重大灾害应急救援的决策指挥体系，防止继发性灾害发生，保障抢险救援安全，提高应急救援水平，为矿井重大事故灾难应急救援提供技术、装备支撑。本文主要讲述了ZIGBEE技术在矿井井下人员与设备定位中的应用以及系统的实现方法。该系统利用24GHZ频段自建无线网络，移动节点在网络中移动，可以在网络中实现对移动节点的无线定位，该系统定位精度高，速度快，相对GPS，其更加适合于室内或者井下非空旷空间实现定位。将该系统应用在煤矿业中，在平时可以提高生产效率，灾害发生时，可最大限度减少人员伤亡和财产损失，因而具有重大的经济效益和社会效益。目前本设计已经通过了初步的方案论证，核心定位技术已经基本实现，具体的方案实施和详细设计正在加紧进行。本阶段的研究设计为今后工作的开展打下了坚实的基础，为今后的设计开发提供了有利条件。关键词ZIGBEE；WINCE；定位；无线个人区域网；矿井安全ABSTRACTCHINASMINESTHENUMBEROFMOREWIDELYDISTRIBUTED,INNATIONALECONOMICDEVELOPMENTPLAYSAVERYIMPORTANTPOSITIONHOWEVER,DUETOITSOWNCHARACTERISTICS,MININGENTERPRISESVARIOUSDISASTERSANDTHEHIGHERPROBABILITYOFPERSONALINJURYANDDEATH,HASBEENTHEPRODUCTIONOFOURNATIONALSECURITYTHEFOCUSOFTHEWORKCOALPRODUCTIONENVIRONMENTASARESULTOFTHESPECIALNATUREOFTHEDISTRIBUTIONOFUNDERGROUNDPERSONNELCANNOTBEATRUEREFLECTIONOFTHERAPIDMANAGEMENTSYSTEMONTHEGROUNDINTHENORMALPRODUCTIONPERIOD,THESTATISTICSCANNOTBEEASILYDOWNTHENUMBERANDDISTRIBUTIONOFSTAFFTHEEVENTOFANACCIDENTANDCANNOTQUICKLYKNOWTHENUMBEROFUNDERGROUNDPERSONNEL,DISTRIBUTIONANDLOCATION,TOTHERELIEFWORKDIFFICULTDESIGNEDTOMINETHESUBJECTOFAMAJORDISASTEREMERGENCYRESCUEFOCUSONKEYTECHNOLOGIESTOSTUDYTHEPROCESSOFEMERGENCYRESCUEPERSONNELPOSITIONING,COMMUNICATIONS,SECURITY,COMMANDANDDECISIONMAKING,ETC,SELFDEVELOPMENTOFKEYEQUIPMENT,THEINITIALESTABLISHMENTOFAMAJORDISASTERTHEMINEEMERGENCYRESCUECOMMANDSYSTEMOFDECISIONMAKINGTOPREVENTSECONDARYDISASTERSTOPROTECTTHESAFETYOFRESCUE,EMERGENCYRESCUETOENHANCETHELEVELOFMAJORINCIDENTSFORTHEMINEDISASTERTOPROVIDEEMERGENCYRESCUETECHNIQUESANDEQUIPMENTSUPPORTTHISPAPERONTHEZIGBEETECHNOLOGYANDITSPERSONNELANDEQUIPMENTPOSITIONINGSYSTEMANDTHEAPPLICATIONOFTHEMETHODTHESYSTEMOFSELFBUILT24GHZBANDWIRELESSNETWORK,MOBILENETWORKNODESINTHEMOBILE,CANBEREALIZEDINTHENETWORKOFMOBILEWIRELESSLOCATIONOFTHENODE,THESYSTEMPOSITIONINGACCURACY,SPEED,RELATIVEGPS,ITSMORESUITABLEFORINDOORORUNDERGROUNDOPENSPACETOACHIEVETARGETEDAPPLICATIONOFTHESYSTEMINTHEMININGINDUSTRY,INPEACETIMECANINCREASEPRODUCTIONEFFICIENCY,THEDISASTEROCCURRED,THEYCANMINIMIZECASUALTIESANDPROPERTYLOSSES,WHICHHAVESIGNIFICANTECONOMICANDSOCIALBENEFITSATPRESENT,THEDESIGNHASPASSEDAPRELIMINARYDEMONSTRATIONPROGRAM,THECOREPOSITIONINGTECHNOLOGYHASBEENBASICALLYACHIEVED,THESPECIFICDETAILEDDESIGNANDIMPLEMENTATIONOFTHEPROGRAMISBEINGSTEPPEDUPTHISSTAGEOFRESEARCHANDDESIGNFORTHEFUTUREWORKOFLAYINGASOLIDFOUNDATIONFORFUTUREDESIGNANDDEVELOPMENTHAVEPROVIDEDFAVORABLECONDITIONSKEYWORDSZIGBEEWINCELOCATIONWIRELESSPERSONALAREANETWORKMINESAFETY湖南科技大学本科毕业论文（设计）用纸I目录第一章概述1第二章ZIGBEE无线网络与定位系统简介221ZIGBEE介绍2211ZIGBEE定义2212ZIGBEE网络拓扑结构2213ZIGBEE2006协议栈简介2214ZIGBEE的优缺点4215ZIGBEE的适用范围522ZIGBEE与各种无线技术比较5221ZIGBEE和现有移动网（GPRS，CDMA1X）的比较5222ZIGBEE与现有数传电台的比较6223ZIGBEE与蓝牙的比较7224ZIGBEE与RFID的比较8第三章系统方案设计1031系统组成1032系统工作原理1133系统定位过程11331被动定位过程11332主动定位过程12第四章系统硬件设计1341相关器件介绍13411ZIGBEE无线定位单片机CC2430/CC243113412其它芯片简要说明1542参考节点设计1543定位节点设计1644网关节点设计16441节点电源16442网关及上位机电源17第五章系统软件设计1851通信协议1852下位机软件设计19521定位节点19522参考节点20湖南科技大学本科毕业论文（设计）用纸II523网关节点2153上位机软件设计22531总流程图24532定时事件流程图24533ZB通信事件流程图26534按键事件处理流程图27第六章系统调试2961使用的软件2962调试开发过程及截图29621PC调试过程29622嵌入式上位机调试过程31第七章技术路线与关键技术3671具体实施的技术路线36711ZIGBEE2006协议栈验证36712建立单个ZIGBEE网络36713多ZIGBEE网络与上位机通信实现36714多ZIGBEE网络定位实现36715上位机软件设计与系统联调36716现场测试与系统完善3772系统设计中的难点37721ZIGBEE网络调试比较困难37722定位节点的跨网络管理3773系统设计中的关键技术37731直接序列扩频技术DSSS37732动态组网37733低功耗设计37第八章总结39致谢40参考文献41附录部分程序421第一章概述随着社会对煤炭需求量的不断增大，近年来我国煤矿事故又有攀升趋势，煤矿安全状况令人担忧。国家安全生产监督管理总局曾要求05年年底以前，高瓦斯、煤与瓦斯突出煤矿要全部建立并完善安全监测监控系统。煤矿矿井井下环境十分恶劣，它在空间上非常有限，空气质量较差，瓦斯气体随时可能引发爆炸危险，特别是在发生事故时，人员的疏散逃离和救援工作十分有限，迫切需要改善。对井下人员实现定位跟踪，就是一种十分有效的解决办法。然而井下人员的跟踪定位技术，国内外目前仍然是一个空白领域，国内目前所使用的井下人员跟踪技术，实际上仅仅是一种考勤记录系统，而非真正的人员定位跟踪系统，无法实时地报告井下人员的具体位置，而煤矿安全事故是频有发生，在人员和财产上造成了很大的损失。本课题研究正是针对这一问题而展开的。课题研究的主要目标是实现矿井井下人员及设备的定位，从而为煤矿业平常的监控管理和人员救援提供有效的相关定位信息。本设计基于ZIGBEE技术，利用ZIGBEE无线网络，借助ZIGBEE设备的定位功能，实现可靠的，精确的定位。系统分为井下和地面两个部分。井下主要由ZIGBEE网络构成，通过网关，将数据汇集向地面传送。在地面有由工控机构成的监管系统，从而实现对整个地下工作人员及设备的实时定位跟踪。本文依次介绍了ZIGBEE的技术特点，ZIGBEE相对其它相关技术的优势，系统硬件设计，软件设计，系统的调试，设计中的难点和涉及的关键技术等，最后总结了设计的进展情况和所取得的成果。说明，本论文中所涉及到的网关即协调器，盲节点即定位节点或者目标节点，短地址即网络地址，长地址即扩展地址，论文中涉及到这些名词就不再做说明。2第二章ZIGBEE无线网络与定位系统简介21ZIGBEE介绍211什么是ZIGBEEZIGBEE是IEEE802154协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂BEE是靠飞翔和“嗡嗡”ZIG地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备5。简而言之，ZIGBEE就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。212ZIGBEE网络拓扑结构ZIGBEE网络有三种拓扑结构，即，星型网络、树型网络和网状网络，如下图示图21ZIGBEE网络拓扑结构10213ZIGBEE2006协议栈介绍ZIGBEE联盟在2006年年底推出了新一代技术规范ZIGBEE2006，基于此技术规范的ZIGBEE2006协议栈从软件层次实现了技术规范中所描述的功能。此协议栈功能非常强大，能够满足基于ZIGBEE技术的大部分设计需要6。目前ZIGBEE2006协议栈定义了如下的特征31）一个ZIGBEE网络由三种类型设备组成协调器（COORDINATOR），路由器（ROUTER），和终端设备（ENDDEVICE）。2）一个ZIGBEE网络可以最多有65536个网络节点，网络拓扑可以是星形，网状，树形等。3）灵活的数据路由保证数据传输的可靠性，网络自恢复能力使得网络的可靠性大大提高。这使得它特别适合于高可靠要求的无线网络。4）一个ZIGBEE网络只有一个协调器设备，但是可以有多个路由器和终端设备。协调器负责网络的建立、维护等，而路由器主要负责为数据选择最佳路由。5）标准的PROFILE定义保证了各个应用中数据交互的接口的一致性，使得ZIGBEE更加适合于多方面的应用。6）完整的协议栈整合了安全管理，数据路由，网络建立与自恢复，应用服务等各方面功能，大大降低了其应用的复杂性，提高了开发效率。ZIGBEE协议栈由一组子层构成。每层为其上层提供一组特定的服务，一个数据实体提供数据传输服务，一个管理实体提供全部其他服务。每个服务实体通过一个服务接入点（SAP）为其上层提供服务接口，并且每个SAP提供了一系列的基本服务指令来完成相应的功能。ZIGBEE协议栈体系结构虽然是基于标准的7层开放式系统互联（OSI）模型，但仅对那些涉及ZIGBEE的层予以定义。IEEE8021542003标准定义了最下面的两层，物理层（PHY）和介质接入控制层（MAC）。ZIGBEE联盟提供了网络层和应用层（API）框架的设计。其中，应用层的框架包括了应用支持子层（APS）、ZIGBEE设备对象（ZDO）及由制造商制定的应用对象3。如下图所示ZIGBEEAPPLICATIONFRAMEWORKNETWORKINGAPPLAYERNWKDATALINKCONTROLLERDLCIEEE802154LLCIEEE02154LLC,TYPEIIEEE802154MACIEEE802154868/915MHZPHY8021542400MHZPHY图22ZIGBEE协议栈体系结构4214ZIGBEE的特点1）数据传输速率低只有10KBS250KBS，专注于低速传输应用。无线传感器网络（WSN）不传输语音、视频之类的大数据量的采集数据，仅仅传输一些采集到的温度、湿度之类的数据，所以WSN对传输速率的需要不是那么高。2）功耗低在休眠状态下耗电量仅仅只有1W，通信距离短的情况下工作状态的耗电为30MW，在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月以上。这也是ZIGBEE的支持者所一直引以为豪的独特优势。WSN的节点对功耗的需求极其苛刻，传感器节点需要在危险（比如战场、核辐射）的区域持续工作数年而不更换供电单元。ZIGBEE的耗电符合这一需求。3）成本低因为ZIGBEE数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本，这正是蓝牙这类系统所不具备的。当网络中可以具有成千上万的节点时，如果不能严格地控制节点的成本，那么网络的规模必将受到严重的制约，从而将严重地制约WSN的强大功能。4）网络容量大每个ZIGBEE网络最多可支持65000多个节点，也就是说每个ZIGBEE节点可以与数万节点相连接。由于WSN的能力很大程度上取决于节点的多少，也就是说可容纳的传感器节点越多，WSN的功能越强大。所以ZIGBEE的网络容量大的特点非常符合WSN的需要。5）有效范围小有效覆盖范围在1075M之间，但是可以扩展到数百米，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。降低WSN节点的能量消耗和平衡所有节点的能量，有必要缩小节点RF模块的覆盖范围。6）工作频段灵活使用的频段分别为24GHZ、868MHZ（欧洲）及915MHZ（美国），均为免执照频段，共有27个扩频通信信道。相应的，WSN采取24GHZ工作频段的特性将会更有利于WSN的发展。7）安全ZIGBEE提供了数据完整性检查和鉴权功能，硬件本身支持CRC和AES128。这一安全特性能很好地适应军事需要的无线传感器网络。8）自动动态组网、自主路由WSN网络是动态变化的，无论是节点的能量耗尽，或者节点被敌人俘获，都能使节点退出网络，而且网络的使用者也希望能在需要的时候向已有的网络中加入新的传5感器节点。这就希望WSN能具有动态组网、自主路由的功能，而ZIGBEE技术就正好能解决了WSN的这一需要。215ZIGBEE的应用范围ZIGBEE技术的目标就是针对工业，家庭自动化，遥测遥控，汽车自动化、农业自动化和医疗护理等，例如灯光自动化控制，传感器的无线数据采集和监控，油田，电力，矿山和物流管理等应用领域。另外它还可以对局部区域内移动目标进行定位8。通常，符合如下条件之一的应用，就可以考虑采用ZIGBEE技术做无线传输1）需要数据采集或监控的网点多；2）要求传输的数据量不大，而要求设备成本低；3）要求数据传输可靠性高，安全性高；4）设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；5）电池供电；6）地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖；7）现有移动网络的覆盖盲区；8）使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统；9）使用GPS效果差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。22ZIGBEE和现有无线技术的比较221ZIGBEE和现有移动网（GPRS，CDMA1X）的比较1）无网络使用费使用移动网需要长期支付网络使用费，而且是按节点终端的数量计算的，而ZIGBEE没有这笔费用。2）设备投入低使用移动网需要购买移动终端设备，每个终端的价格在人民币1000元上下，而使用ZIGBEE网络，不仅ZIGBEE网络节点模块（相当于基站）费用每只人民币不到1000元，而且，主要使用的网络子节点（相当于手机）的价格还要低得多。3）通信更可靠由于现有移动网主要是为手机通信而设计的，尽管CDMA1X和GPRS可以进行数据通信，但实践发现，不仅通信数率比设计速率低很多，而且数据通信的可靠信也存在一定的问题。而ZIGBEE网络则是专门为控制数据的传输而设计的，因而控制数据的传输具有相当的保证。4）高度的灵活性和低成本6首先，通过使用覆盖距离不同，功能不同的ZIGBEE网络节点，以及其它非ZIGBEE系统的低成本的无线收发模块，建立起一个ZIGBEE局部自动化控制网（这个网络可以是星型，树状，网状及其共同组成的复合网结构），再通过互联网或移动网与远端的计算机相连，从而实现低成本，高效率的工业自动化遥测遥控。5）兼容性好比起现有的移动网来，尽管ZIGBEE仅仅只是一个局域网，覆盖区域有限，但它却可以与现有的移动网，互联网和其它通信网络相连接，将许多ZIGBEE局域网相互连成为一个整体。有效的解决移动网的盲区覆盖问题我们知道，现有移动网络在许多地方存在盲区，特别是铁路，公路，油田，矿山等野外，更是如此。而增加一个移动基站或直放站的费用是相当可观的，此时使用ZIGBEE网络进行盲区覆盖不仅经济有效，而且往往是现在唯一可行手段。6）内部空间定位ZIGBEE容易实现，可靠性更好。移动网虽然提供定位功能，但是它不仅要支付高昂的费用，而且在内部空间定位不具有优势，而ZIGBEE却可以轻松实现内部空间定位，通过增加节点数，还可以提高定位精度，而且可靠性也很好。222ZIGBEE与现有数传电台的比较1）可靠性高由于ZIGBEE模块的集成度远比一般数传电台高，分离元器件少，因而可靠性更高。2）使用方便安全因为集成度高，比起一般数传电台来，ZIGBEE收发模块体积可以做得很小，而且功耗低，因而很容易集成或直接安放在到设备之中，不仅使用方便，而且在户外使用时，不容易受到破坏。3）抗干扰力强，保密性好，误码率低ZIGBEE收发模块使用的是24G直序扩频技术，比起一般FSK，ASK和跳频的数传电台来，具有更好的抗干扰能力，和更远的传输距离。4）免费频段ZIGBEE使用的是免费频段，而许多数传电台所使用的频段不仅需要申请，而且每年都需要交纳相当的频率使用费。5）价格低ZIGBEE数传模块的价格只有具有类似功能的数传电台的几分之一，24G，250KPS，35公里距离DSSS（DIRECTSEQUENCESPREADSPRECTRUMF直接序列扩频）数传模块每只不到1000元人民币。6）定位功能更易实现7对于具有定位功能的ZIGBEE设备，ZIGBEE网络能够提供有力的支持，并且定位性能突出。而数传电台本身没有定位功能，要增加定位功能也非常之难。223ZIGBEE与蓝牙的比较1）系统复杂性ZIGBEE的系统复杂性要远小于蓝牙的系统复杂性。这可以从它们的协议栈的参考模型（如下图）中看出。图23蓝牙协议栈参考模型图ZIGBEE协议栈简单，实现相对容易，需要的系统资源也较少，据估计运行ZIGBEE需要系统资源约28KB；蓝牙协议栈相对复杂，它需要系统资源约为250KB。ZIGBEE定义了两种类型的设备全功能设备FFD（FULLFUNCTIONALDEVICE）和简化功能设备RFDREDUCEDFUNCTIONDEVICE。网络为主从结构，一个网络有一个网络协调者COORDINATOR和最多可达65535个从属设备。网络协调者必须是FFD，它负责管理和维护网络，包括路由、安全性、节点的附着与离开等。一个网络只需要一个网络协调者，其他终端设备可以是RFD，也可以是FFD。RFD的价格要比FFD便宜得多，其占用系统资源仅约为4KB，因此网络的整体成本比较低。从这一点来说，ZIGBEE非常适合有大量终端设备的网络，如传感网络、楼宇自动化等。2）安全性ZIGBEE和蓝牙在一定程度上都能够保证安全性。但ZIGBEE比蓝牙更为灵活，这更有利于控制系统成本。3）定位功能通过从技术和应用两方面的分析与比较，可以看出ZIGBEE非常适合于低功耗、低数据速率的监视、传感网络。蓝牙则适合于较高数据数率的应用，如语音和数据传输。两者之间同时又存在着竞争，比如，在计算机外设、互动玩具、家庭自动化和工业自动化等应用领域及在未来的穿戴网络WEARABLENETWORK中蓝牙面临着ZIGBEE技术8的竞争。但是任何一种技术的成功，并不只由其技术本身的因素决定，客观市场对技术成败也有很大作用。ZIGBEE技术要想获得成功，ZIGBEE联盟应尽早公开发布规范，尽早开发出ZIGBEE芯片。在蓝牙方面，SIG除致力于制定更多的应用模式和完善规范之外，还应促进不同厂商生产的设备的互通性；针对目前市场特点，蓝牙应优先发展音频应用，因为在低速数据传输领域，蓝牙面临ZIGBEE的竞争，而在高速数据传输（如多媒体）领域，蓝牙又面临UWB的竞争。224ZIGBEE与RFID的比较1）灵活性更高专门用于长距离识别的的有源RFID系统，不仅读写器往往需要固定位置安装，对RFID卡的方向位置和读写器天线的方向的匹配还有一定的要求，因而系统的灵活性大受限制，而且整个系统包括有源卡的成本已经不再便宜。2）功耗更低，更安全无源RFID需要由读写器的射频信号提供电源，因此要求读写器能够提供足够的能量，这样就增加了系统的功耗。这种通信方式要想增加通信距离也非常困难。因而，它们不得不在读写器上下工夫提高接收灵敏度，在发射天线上下工夫增大发射功率，这样就会使功耗增加。除其此外，当高频微薄的发射功率过大时，它不仅超出国家无规定的功率限制，还有可能对人体带来伤害。而ZIGBEE技术则在这方面专门做了优化，不仅功耗极低，而且由于发射功率严格限制，对人体基本没有危害。3）价格更便宜RFID的优点是标签便宜，使用寿命长。当RFID变成有源时，价格优势也就丧失了。微功率收发机通过在降低成本，降低功耗，在用电管理上，在通过睡眠唤醒功能上的改进，已经大大缩小了这个差距；当微功率收发机特别是采用直序扩频通信方式，低功耗的ZIGBEE微功率收发机问世以后，在远距离身份识别和无线网络定位领域，就显示了无与伦比的优越性。4）抗干扰能力强，保密性好，工作可靠目前市场上微功率单芯片收发机有许多种，它们的的通信方式也各有不同，因而工作的可靠性和抗干扰能力也有很大的差别，特别是在一般干扰很强的工业现场环境，无线通信设备的抗干扰特性非常重要，它是一个无线收发设备能否在现场工作，和它是否能在现场可靠地工作的决定因素。现在市场上有一种SUPERRFID，它们就是由一种微功率收发机单芯片做成的，但它并没有使用抗干扰能力强的直序扩频DSSS方式，因而，在使用时特别要注意避免环境干扰。不仅如此，由于SUPERRFID通信方式要求较高的信噪比，因而，在接收灵敏度相同的条件下，它的通信距离要短得多，现有的SUPERRFID的接收灵敏度一般只有90DBM，因而，为了增加读写距离，SUPERRFID也9只能在读写器上下功夫，加强天线的方向性以提高天线增益，同时提高发射功率和读写器的接收灵敏度。5）定位功能RFID不能算是真正意义上的定位，而只能说是身份识别。虽然有源RFID在煤矿业中有应用，但只能算是考勤记录而已，不具备定位能力，而ZIGBEE则可以实现真正意义上的定位。通过以上的对比可以明显地看出，在煤矿的矿井环境中，ZIGBEE非常符合矿井下的定位，它具有功耗极低，可靠性高，定位精度高，灵活方便，网络自恢复能力强，成本低，扩展性好，高度兼容性等诸多优点，正好满足煤矿矿井环境对电子设备的苛刻要求，而这些突出优点是其它无线网络与定位技术很难达到的。因而，在煤矿矿井中采用ZIGBEE定位技术是必要的，也是十分可行的。10第三章系统方案设计31系统组成系统组成分为四个部分，即，上位机、网关、参考节点和定位节点。整个系统的原理框图如下图所示。图中REF表示参考节点，BLD表示定位节点，CRD表示协调器。其中，CRD与上位机安装在一起，他们之间通过串口进行通信，用双向实线表示可进行双向通信；其他双向虚线表示可通过无线进行双向通信。REFREFREFBLD上位机CRDREF图31基于ZIGBEE的矿井井下人员及设备定位系统原理框图下面对各个部分进行逐一分析。1）上位机上位机是移动的嵌入式设备，他可以看到整个网络的状态。2）网关网关采用CC2430设计，能够组建一个ZIGBEE子网。网关充当协调器的角色，而且把定位节点坐标及外部环境参数传给嵌入式上位机。3）参考节点参考节点也是采用CC2430设计，在网络中充当路由器的角色。而且在定位系统中，它由用户指定固定坐标，并为定位节点提供该坐标和RSSI（RECEIVEDSIGNALSTRENGTHINDEX接收信号强度）平均值。4）定位节点定位节点采用CC2431设计，其内部具有定位引擎，能够根据参考节点提供的固11定坐标和RSSI平均值计算出自身的精确位置（坐标），并把该坐标协同定位节点标志号发送给网关。定位节点是移动的，被安装在人员和设备上。32系统工作原理在下井之前，把事先调整好参数的定位节点配备给每个矿工。33系统定位过程331被动定位过程所谓被动即定位节点的位置是被动发现的，也就是别人请求后才把自己的位置信息反馈给请求者，具体过程如下图所示。先通过上位发送一条目标发现请求命令给网关（通过串口），当网关收到命令后就根据地址的形式以广播或者单播的方式通过电磁波发送出去，盲节点收到命令后，马上开始向周围的参考节点发送信号强度收集命令，参考节点收到命令后就开始收集盲节点发过来的信号，并多次累加，盲节点发送完一定次数的信号强度惧命令后就向参考节点发送信号强度请求命令，参考节点收到该命令后就把累加的信号强度总和求平均，然后再和自身的参考坐标一起发送给盲节点，盲节点只要收集到三个或者三个以上的包含信号强度和参考坐标的信息包就可以通过CC2431自带的定位引擎计算出自身所处的位置，位置计算完毕后，盲节点就把这一自己的位置信息发送给存储在FLASH里的目的设备（本系统中保存的是网关的地址，所以目的设备就是网关），目的设备再传给上位机，最后通过上位机显示出坐标，这样就完成了一次被动定位过程。图32一次被动定位过程的流程图12332主动定位过程所谓主动即定位节点的位置是主动报告给上位机的，也就是不需要别人来请求就自动的把自己的位置信息告诉别人，具体过程如下图所示。盲节点按照一定的时间周期向来发送信号强度收集命令，参考节点收到命令后就开始收集盲节点发过来的信号，并多次累加，盲节点发送完一定次数的信号强度惧命令后就向参考节点发送信号强度请求命令，参考节点收到该命令后就把累加的信号强度总和求平均，然后再和自身的参考坐标一起发送给盲节点，盲节点只要收集到三个或者三个以上的包含信号强度和参考坐标的信息包就可以通过CC2431自带的定位引擎计算出自身所处的位置，位置计算完毕后，盲节点就把这一自己的位置信息发送给存储在FLASH里的目的设备（本系统中保存的是网关的地址，所以目的设备就是网关），目的设备再传给上位机，最后通过上位机显示出坐标，这样就完成了一次主动定位过程。图32一次主动定位过程的流程图13第四章系统硬件设计41相关器件介绍411ZIGBEE无线定位单片机CC2430/CC2431图41无线定位单片机CC2430/CC2431内部框图图42无线定位单片机CC2430/CC2431典型应用电路CC2430/CC2431是整个系统设计的核心硬件，在此有必要对其进行相关的介绍。CC2430/CC2431是真正的系统芯片（SOC）CMOS解决方案2。这种解决方案能够提高性能并满足以ZIGBEE为基础的24GHZISM波段应用对低成本、低功耗的要求。它结合了一个高性能24GHZDSSS射频收发核心和一颗工业级小巧、高效的8051控制器9。CC2430与CC2431的主要区别在于只有CC2431有定位跟踪引擎，CC2430没有定位跟踪引擎。除此之外，其它功能完全一样。14CC2430/CC2431芯片采用018MCMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27MA，在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27MA或25MA。CC2430/CC2431的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。CC2430/CC2431芯片的主要特点如下1）高性能和低功耗的8051微控制器核；2）集成符合IEEE802154标准的24GHZ的RF无线电收发机；3）优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性；4）在休眠模式下仅09A的电流损耗，外部的中断或RTC能唤醒系统，在待机模式下低于06A的电流损耗，外部的中断能唤醒系统；5）硬件支持CSMA/CA功能；6）较宽的电压范围（20到36V）；7）强大的DMA功能；8）具有电池监测和温度感测功能；9）集成了14位的模/数转换的ADC；10）集成AES安全协处理器；11）带有两个强大的支持几组协议的USART，以及1个符合IEEE802154规范的MAC计时器、1个常规的16位计时器和2个8位计时器；12）ZIGBEE/802154全兼容的硬件层、物理层；13）集成1个高精度定位跟踪引擎；14）较少外围电路；15）强大和灵活的开发工具。CC2431无线定位引擎介绍CC2431的定位引擎用于计算无线网络中定位节点的位置。定位节点为移动节点，其位置是随时变化的，具体位置由CC2431的定位引擎通过接收参考节点的RSSI值经过定位算法计算而得到。在CC2431无线网络定位系统中定位精度与参考节点数量有关。一般而言，参考节点越多，定位精度越高。CC2431无线定位引擎有如下主要特点1）38个参考节点参与定位计算；2）最高定位精度可达05M；3定位节点响应时间少于40S；4）定位区域为64M64M；5）定位误差小于3M；6）硬件定位计算，消耗非常少的CPU资源。无线定位引擎的工作过程见下图。15使能定位引擎读坐标LOCENGREFLD1读参考点坐标读第8个参考点坐标LOCENGREFLD0LOCENGPARLD1读标准参数（A值，N值，RSSI值）读参数命令读完所有参数LOCENG。PARLD0LOCENGRUN1开始定位计算等待完成计算输出定位坐标LOCENGREFLD0关闭定位引擎读取参考节点坐标Y读命令YYNNNNLOCENGEN1图43无线定位引擎的原理框图412其它芯片简要说明S3C2440A三星ARM9微处理器，速度快，功耗低，适合做手持设备；LMS1587为低压差33V输出稳压IC；LT1511电源控制芯片。42参考节点设计由于CC2430/CC2431几乎将所有功能集成于一身，只要很少的外部元件便可以正常工作，因此大大简化了硬件设计。参考节点的原理图如下图所示。可见整个电路设计非常简洁明了。161234567890UCRKPLNHYMKVE_P/DSIOTNA图44定位节点原理图43定位节点设计参考节点的硬件电路和定位节点的硬件电路基本上是一样的，唯一不同的就是其中使用的芯片是CC2431而不是CC2430。另外，由于运行的软件不同，参考节点与定位节点执行的功能是不同的。定位节点的电路可以参考一下参考节点的电路设计。44网关节点设计网关节点的硬件和参考节点以及定位节点的设计一样，只是多了个串口与上位机通信。441节点电源参考节点和定位节点均采用电池供电，但是电池会随着使用时间的推迟而电压下降，所以会对定位的精度产生影响，为了保证发射机的接收机的发射功率和接收功率基本保持稳定，节点采用多节电池串联后经LM1587稳压到33V，电路如下图所示。17GND1VOUT2I34LMS587C0UF图45参考及定位节点电源电路原理图442网关及上位机电源本系统将网关和上位机安装在一起，电源由专门设计的电源板供给，主芯片采用LT1511，部分电路如下图所示。WB6P9EAOTCR/KPKNLADBMISYER图46上位机及网关电源电路原理图18第五章系统软件设计51通信协议为了对ZIGBEE协议栈的运行情况进行监视和一般的通信，协议栈中特别加入了MT模块，可以通过条件编译选择是否加入该功能模块，模块与上位机之间的通信采用串口通信，为了保证数据的正确性，协议栈在通信中加入了一个简单的协议，只有按照这种协议进行通信才能被协议栈识别，下面就通过两帧数据来简单的介绍一下通信协议的帧格式，这两帧数据分别为上位发送的接收，如下所示。发送12BYTE0X02,0X00,0X18,0X07,0XCB,0XFF,0XFF,0XCA,0X17,0X00,0X00,0X09。表51上位机发送（即下位机接收）数据帧格式接收48BYTE0X02,0X10,0X18,0X0B,0XCB,0XF5,0X50,0XD2,0X15,0X00,0X04,0X50,0X00,0X54,0X00,0XAA。表52上位机接收（即下位机发送）数据帧格式数据说明0X02帧头（1BYTE）0X0018命令（2BYTES）0X07数据长度（1BYTE，该字节至校验码之间的字节数，其中不包括他们本身）0XCB目的终端号（1BYTE）0XFFFF发送形式（2BYTES，如目的地址）0XCA源终端号（1BYTE）0X0017簇号（2BYTES）0X00数据长度（1BYTE，该字节至校验码之间的字节数，其中不包括他们本身）0X09校验码（1BYTE，帧头至校验码之间的所有字节的异或和，其中不包括帧头和校验码本身）数据说明0X02帧头（1BYTE）0X1018命令（2BYTES）0X0B数据长度（1BYTE，该字节至验码之间的字节数，其中不包括他们本身）0XCB目的终端号（1BYTE）0X20F5发送形式（2BYTES，如目的地址）19软件大体上可以分为下位机软件设计和上位机软件设计两个主要部分1）下位机软件借助于ZIGBEE2006协议栈，在强大的IAR集成开发环境支持下，可以很轻松实现ZIGBEE网络的建立，然后我们编写基于ZIGBEE2006协议栈的应用层程序，就可以实现节点定位，数据传输，而且还可以扩展更多的功能。2）上位机软件上位机软件也是本系统的一个重点，本系统的上位机软件属于嵌入式上位机，程序运行在WINDOSCE环境下，它包括用户、数据通信、管理等等。下面进行详细介绍。52下位机软件设计521定位节点定位节点要实现如下一些主要的功能1）自动入网离网，无线收发数据的功能；2）控制参考节点多次收集与定位节点通信时的信号强度值的功能；3）控制参考节点计算多次收集定位节点信号强度值的平均值并发送给定位节点的功能；4）被协调器空中动态配置标准参数的功能；5）掉电后标准参数信息不丢失的功能；6）计算和发送X，Y坐标的功能；7）发送定位节点编号的功能；8）一般还具由路由的功能；9）还可加入扩展功能如现场温度，温度采集等。定位节点的程序原理框图如下图所示。0XD2源终端号（1BYTE）0X0015簇号（2BYTES）0X04数据长度（1BYTE，该字节至校验码之间的字节数，其中不包括他们本身）0X0050,0X0054数据域NBYTES字节数由数据长度域决定0XAA校验码（1BYTE，帧头至校验码之间的所有字节的异或和，其中不包括帧头和校验码本身）20开始收到数据XYRSSI请求定位节点发现请求定位节点配置定位节点请求配置收集RSSI应答YNNNN强制位置发现强制位置发现将配置信息写入FLASH取出配置值发送给协调器接收RSSI平均值NNYYYYY图51定位节点程序流程图522参考节点参考节点要实现如下一些主要的功能1）自动入网离网，无线收发数据的功能；2）多次收集和定位节点通信时的信号强度值的功能；3）计算多次收集定位节点的信号强度平均值的功能；4）被协调器空中配置X，Y坐标的功能；5）掉电后X，Y坐标信息不丢失的功能；6）发送X，Y坐标和信号强度平均值的功能；7）还应该具备路由的功能。除此之外，我们还可以在参考节点上增加一些传感器，来监测矿井中复杂多变的环境状况，从而扩展系统的功能。参考节点的程序原理框图如下图所示。21开始收到数据XYRSSI请求参考节点配置参考节点请求配置收集RSSIYNNNN发送RSSI平均值将配置信息写入FLASH取出配置信息发送给协调器多次收集RSSINYYYY图52参考节点程序流程图523网关节点网关节点应实现如下一些主要的功能1）建立网络、无线收发数据的功能；2）上位机通信的功能；3）计算效验的功能；4）转发上位机数据配置参考节点、定位节点的功能；5）转发上位机数据请求参考节点、定位节点配置的功能；6）转发上位机数据请求定位节点坐标的功能。网关节点的程序流程图如图53所示。22开始收到上位机数据收到各个节点数据检验正确通过串口发送发送至节点计算出校验值从串口发送NYY结束YN图53网关节点程序流程图53上位机软件设计本嵌入式系统的软件平台采用嵌入式操作系统WINDOWSCE50，利用PLATFORMBUILDER进行WINDOWSCENET内核定制、利用EVC进行应用程序开发，WINDOWSCE在快速建立智能移动和小内存占用的设备方面提供了一个健壮的实时操作系统，具备完整的操作系统特性集包和端对端开发环境，非常适合本系统的软件平台。上位机是整个系统与人进行交互的接口，所有的实用功能都通过上位机来实现，上位机的资源配置比较丰富，性能较高，软件设计相对复杂，功能也比较多。软件设计应该能够实现如下功能1）登陆系统的权限控制并不是任何人都可以登录系统，而是有不同级别的权限的。登陆权限针对管理阶层的人员设计。当要进入系统进行查询时，各人根据自己的射频卡号、用户名、设定的查询密码可以进入系统进行查询。最高级的管理人员可以适时更改系统的某些设置，如更改员工资料等。其它如矿长的权限仅限于浏览本矿入井人员的下井记录情况等，但是无权更改员工的信息。在登陆界面中将显示详细的登陆时间、日期，跟踪定位系统总运行时间，其次登陆人员可以点击界面的进入按钮，进入系统权限范围内的查询、当然也可以点击界面的退出按钮退出。此外，软件还可以提供系统设置、信息录入、23信息查询等菜单。2）考勤系统对井下人员的出入井时间进行记录及显示，以用于考勤。在软件中设计考勤表，便于矿领导随时方便、快捷的了解入井人员的考勤情况。可以在界面栏内输入任意存在的日期查询任意入井人员的信息，如入井人员的入井日期，其编号、姓名、射频卡号、工种、单位、班次、入井类别，入井的具体时间、出井时间等详细的信息。这样的考勤表单能有效的解决传统的靠人工记录人员入井情况带来的假公济私、公报私仇等一系列的不便，可以公正、客观、方便、快捷、高效率、科学的记录入井人员的考勤情况。3）定位适时查询时，计算机屏幕显示当前时刻井下总人数及井下人员分布（按网关所在区域）情况，系统只限有权限的相关管理人员可以适时查询，了解井下人员的分布情况。4）查询对某一持卡人自入井始在井下活动至升井全过程进行跟踪查询，以考核该人工作；也可以在特定情况下查询此人在系统中最晚出现时间及地区，以便查找。在发生紧急情况时，可迅速检索井下人员所在位置，以便减少伤亡损失。为充分发挥系统在人员救援中的作用，可以专门设计一个搜索功能，可以进行组合搜索。进行全方位的查询。5）联网查询在权限范围之内的用户可以通过本地局域网或因特网，在该网上任何一台有相应权限的计算机上自由查询任意入井人员的详细资料，如查询这些信入井人员编号、姓名、性别、出生日期、射频卡号、血型、工种、单位、入井类别、图片等。6）综合报表打印系统可按统日期（日、月）对矿井人员按矿领导、管理人员、区队长（分单位）、工人（分单位）综合打印下井次数，每次入、升井时间，井下工作时间等内容报表。7）系统复用，保护原有投资，功能扩展人员跟踪定位系统可以和原有的安全生产监测系统共网复用，减少投资也可以在人员跟踪定位系统网络中加设瓦斯、环境参数的监测功能，构成多功能的综合监测系统。甚至还可以加入压缩语音或短信传输来获得更多功能。24531总流程图开始系统初始化创建ZB通信线程创建按键线程ZB通信事件事件处理按键事件按键处理定时事件定时事件处理消息循环消息循环图54嵌入式上位机流程图532定时事件流程图25开始发送参考节点配置请求命令连接是否正常参考节点列表为空目标节点列表为空发送目标节点配置请求命令更改参考节点请求超时时间更改目标节点请求超时时间PINGZIGBEE网关通信线程不在运行参考节点列表非空是否有参考节点配置请求命令发送显示当前节点响应为“成功”收到应答查询下一节点显示当前节点响应为“超时”是否超时重新发送命令123NNNNYYYY26查询完毕目标节点列表为空123是否有目标节点配置请求命令发送收到应答查询下一节点显示当前节点响应为“超时”是否超时重新发送命令查询完毕返回NNNNNYYYY图55嵌入式上位机定时事件处理流程图533ZB通信事件流程图由于通信事件处理事件分支较多，比较复杂，在这里只是简单画出主要步骤。显示当前节点响应为“成功”27开始校验是否通过返回命令解析复位响应提取消息系统命令用户命令系统PING响应盲节点发现应答盲节点配置参考节点配置相应处理相应处理相应处理相应处理相应处理无新消息接收置消息处理中标志位清零消息处理中标志位YNYN图54嵌入式上位机通信事件处理简要流程图534按键事件处理流程图键盘是通过一个MEGA8的AVR单片机扫描后直接把键值通过串口发送给上位机的串口1，按键事件处理比较多，这里只简单的画一下28开始校验是否通过返回状态判断主界面状态设置状态根据键值相应处理根据键值相应处理YN图56嵌入式上位机按键事件处理简要流程图29第六章系统调试61使用的软件1协议栈开发与调试软件IAR72H（不能开发V143以后的版本）或IAR73B2协议栈监视工具ZTOOL20（还需FRAMEWORKNET20及更高版本的支持）3程序下载软件SMARTRFFLASHPROGRAMMER4IEEE地址修改软件IEEEADDRESSPROGRAMMER5定位PC上位机软件ZLOCATIONENGINE16定位数据监视软件LEMONITOR7串口调试助手SSCOM328串口监视软件PCOMMMONITOR329上位机开发软件EVC42或者VS2005或者VS200810WINCE内核定制软件PLATFORMBUILDER50以上是主要用到的几个软件，要想把整个开发过程弄完，还有很多相关软件