湖南大学生研究性学习和创新性试验计划

1、湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项 目 结 题 报 告项目名称： 基于Zigbee无线传感网络的矿井 人员定位系统设计 项目编号： 学生姓名： 邓启平 蒋良兵 所在学校和院系： 通信与控制工程系 项目实施时间： 2010年10月-2012年4月 指导教师: 方智文 谭周文 联系电话: 填表日期： 2012-3-14 湖 南 省 教 育 厅2012年制 一、基本情况项目名称基于zigbee无线传感网络的矿井人员定位系统设计立项时间2010年10月完成时间2012年4月 项目主要研究人员序号姓 名学号专业班级所在院（系）项目中的分 工1邓启平0840912308级电信一班通信与控制工程系上位

2、机软件2蒋良兵0842123108级自动化二班通信与控制工程系下位机编写345二、研究成果简介项目研究的目的、意义:近年来，随着对煤炭需求的高速增长，煤炭工业也得到了很大发展，但是煤矿重大、特大事故时有发生，仍未实现对灾害事故的有效控制。事故发生后，准确判定井下生产作业人员的受困位置、遇险人员撤退路线、井下的环境监测情况以及及时准确地制定救援方案，这对事故的救援是十分重要。在分析近期几个煤矿发生的特大事故时发现主要原因有：（1） 地面与井下人员的信息沟通不及时；（2） 地面人员难以及时动态掌握井下人员的分布及作业情况，进行精确人员定位；（3） 一旦煤矿事故发生，抢

3、险救灾、安全救护的效率低，搜救效果差。 从实际出发，本设计采用最新Zigbee无线网络技术，能够及时、准确的将井下各个区域人员的动态情况反映到地面计算机系统，使管理人员能够随时掌握井下人员的分布状况，以便于进行更加合理的管理。当事故发生时，救援人员也可根据井下人员定位系统所提供的数据、图形，迅速了解有关人员的位置情况，及时采取相应的救援措施，提高应急救援工作的效率，可以较好地解决潜在的一些问题，具有一定的先进性和实用性。研究成果的主要内容:1、构建基于zigbee无线传感网络1.1、建立定位网络zigBee网络将这两种物理设备在逻辑上又定义成为三类设备，即ZigBee协调器、ZigBee路由器

4、和ZigBee终端设备。根据现场实际需要，沿坑道每隔200米距离（与井下电源接口位置一致），在坑道适当位置（例如顶部）设置一个Zigbee网络模块（FFD,坑道中为路由器，井口为协调器），同时在其它需要定位人员身上配备一个Zigbee网络模块（RFD），该终端可由矿灯进行供电。Zigbee无线网络布局如图1所示：图1 Zigbee无线网络布局图1.2、网络终端的定位方法对自身网络终端的定位方法：信号强度测距法RSSI (Received SignalStrength Indicator) 已知发射功率，在接收节点测量接收功率，计算传播损耗，使用理论或经验的信号传播模型将传播损耗转化为距离。通过

5、测量接收信号的强度，就能计算出收发节点间的大概距离。得到锚节点与未知节点之间的距离信息后，采用三边测量法可计算出未知节点的位置。三边计算的理论依据是，在三维空间中，知道了一个未知节点到三个以上锚节点的距离，就可以确定该点的坐标。CC2431芯片自身具有测定RSSI的功能. CC2431芯片具有内置的RSSI (接收信号强度)指示器CC2431芯片的RSSI是一个8位的寄存器值, RSSI_VAL为转换前RSSI功率值,单位为dB·m。其中RSSI_VAL可以转化为与RF管脚相关的功率P. RSSI_OFFSET为与射频模块天线等因素有关的一个能量修正值,对于在不同的环境参数或具体的射

6、频模块来说,它的数值一般是不同的,需要对射频模块进行测距实验进行测定.但当距离太远时,由于RSSI值受到环境、多径效应和节点自身增益等影响,收到的信号强度值与距离的关系很难稳定得到,使测得的RSSI值将变得无效。因此在定位计算时,设定当接收到的场强低于某一值时,对接收到较小的场强值不予考虑，也即定位时该节点不参与计算.然后利用Matlab的多项式拟合函数进行，拟合的参数要根据实验或适用的环境进行调整。2、无线传感网络与控制室实现485总线通信 网络定位节点在有通信电缆的地方直接通过RS-485总线，与现有的通信电缆相连接，通过交换机再将信息上传至终端管理计算机。因RS-485接口具有良好的抗噪

7、声干扰性，长的传输距离和多站能力等上述优点就使其成为首选的串行接口。因为RS485接口组成的半双工网络一般只需二根连线，所以RS485接口均采用屏蔽双绞线传输。3、上位机监控软件系统软件采用VC6.0实现后台模拟系统，如图2所示。矿井人员位置信息、查找人员当前位置并由软件进行实时分析处理并在计算机屏幕上实时显示。数据查询和管理功能主要通过各种原始数据进行检索，能查询任一井下人员当前位置所处的位置，主要是利用程序里对定位节点坐标保存的数据进行查询和处理来实现。考勤管理功能可以实现对矿井人员下井和升井的次数进行统计，此功能的实现主要是对于各个点数据有无进行判断。图 2 定位软件成果的创新特色：1、

8、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ZigBee芯片，选用了休眠电流较小，通信距离较远的CC2430和CC2431芯片。2、定位算法上采用基于CC2431的RSSI(信号强度测距法)测出定位节点与参考节点的距离，再利用三边测量法计算出未知定位节点的坐标。利用RSSI测距，定位测量时间段定位实时性更好。3、传输上是采用485总线，它具有高抗干扰能力、高传输速度及长距离的传输距离，加强了对井下环境的适应能力并且能快速的把井下作业人员的情况反映到上位机，达到井上井下同步的效果。4、上位机软件使用C+编写，更加易懂，又由于其有比较完整的库封装，更加方便软件的维护工作。成果的

9、实践意义和社会影响：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。本项目以CC2430和CC2431为硬件基础，实现了对井下人员的查询及当前位置定位和查询的功能，有效的提高了对井下人员的作业情况及安全情况的掌握，当遇到特殊情况或是安全事故时，可以更加方便了井上人员对井下人员的安全情况的了解以提高了实施救助工作的开展。研究成果：

10、1、 公开发表论文一篇；2、 Zigbee无线传感器一套；3、 上位机定位软件一套；三、项目研究总结报告预定计划执行情况：一、2010年5月-2010年10月对项目进行理论研究和方案论证。通过调研、查阅文献和技术手册，熟悉Zigbee的工作原理及关键技术，建立理论基础，确立设计方案。二、2010年10月-2011年12月对项目方案中的硬件电路和软件程序进行调试。其中硬件电路设计，主要包括Zigbee全功能设备单元、Zigbee简化功能设备单元、Zigbee无线网络的设置以及RS485与上位机的接口电路。软件主要包括：zigbee协议、Zigbee简化功能设备单元的测距定位、Zigbee网络的通

11、信、RS485通信、上位机操作平台。项目研究和实践情况：1、实现了无线网络的组网，通过一个CC2430建立一个无线网络、其他几个CC2430以路由的形式加入网络，定位节点再通过路由加入无线网络。2、定位实现，几个参考节点根据其所在位置设置相应的固定坐标，定位节点利用CC2431的信号强度测距法算出到各个参考节点的距离，并通过距离和参考点的坐标确定定位节点的坐标。3、串口通信，无线网络将定位节点坐标传给无线网关，网关利用串口和PC机进行通信将节点ID号和坐标位置传递给PC机。4、上位机软件数据保存与显示，上位机接收串口信息并以文件形式保存数据，在显示时通过从文件中获得各个节点的坐标，并实现地面坐

12、标到显示坐标的转变最后显示在上位机上。5、人员定位查询，通过对文件里面保存的数据查询来获得要求查询人员的坐标，并且显示在显示区的界面中，这样可以一目了然的看到所查询人员所在位置。工作中取得的主要成绩和收获：1、 主要成绩：完成了上位机软件的编写，Zigbee无线传感网络设计及无线定位的实现，完成定位模型一组并公开发表论文一篇。2、 主要收获：（1）使用VC 6.0进行上位机软件开发，其中主要学习利用COM组件和多线程进行串口通信设置、文件系统数据保存和读写以及GDI进行图形的绘制定位节点显示；（2）利用zigbee模块CC2430和CC2431的组网，了解到无线网络组建流程。同时通过Zigbe

13、e无线的标准协议栈的开发应用，协议栈中主要包括应用层的任务添加和每层的事件及各个事件的属性。（3）了解了项目开发流程，在项目开发之前我们需要做好每一步的计划，磨刀不误砍柴工，好的计划能够更好的帮助完成。（4）经过了一个真正项目的开发，让我明白了对于未知的领域并不需要害怕，只要的是征服的自信，遇到问题解决问题。研究工作的不足：1、由于上位机软件设计经验有限，软件设计时主要关注于功能的实现，加上界面设计功底欠缺，所以外观设计不够漂亮。2、由于无线网络的稳定性较差，而不同条件对于无线的影响也不同。由于环境对无线信号强度的干扰，CC2431的基于信号强度测距法（RSSI）也存在一定的误差，所以做定位实

14、验时可能会在一定范围内跳动。尚需深入研究的问题： 1、软件中对人员定位查询，是利用ID号对定位节点进行查询，若建立数据库进行数据保存，通过人与ID号的对应，通过输入人名来查询会更合适。 2、定位算法的优化，由于外界条件对无线信号影响，在不同的条件下定位效果也不尽相同，通过实际的测试来优化定位算法，尽量缩小定位的误差。研究工作中的困难、问题：1、开始时，由于基础知识的欠缺对于设计不知道从何下手，后面在老师的指导下查阅相关资料，学习VC的MFC编程进行界面设计。通过一段时间的学习，选择了利用VC 6.0中Windows提供的API函数进行界面设计，如：GDI函数绘制定位点和背景，文件读写函数进行数据的文件保存使用等。2、项目初期网上关于zigbee无线网络的资料相对较少，而Zigbee无线网络的建立牵扯到复杂的协议栈的应用，进行无线组网需要对Zigbee无线协议有较为深入的了解，学习起来比较吃力，所以进展很慢。3、设备价格昂贵，开发经费比较紧张。四、经费使用情况经费合计12685元，其中，学校配套资助 2685 元，学院（所）配套资助 0元，其他经费 10000 元。经费支出情况：1