基于ZigBee技术的井下人员定位系统的设计概要.docx
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基于ZigBee技术的井下人员定位系统的设计概要
1ZigBee技术介绍
ZigBee技术的出发点是希望能发展一种易布建的低成本无线网络,它填补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺,其成功的关键在于丰富而便捷的应用。
ZigBee协议是建立在IEEE802.15.4标准基础之上的。
IEEE802.15.4标准定义了ZigBee的物理层（PHY和媒访问控制层（MAC;ZigBee联盟则定义了ZigBee协议的网络层（NWK、应用层（APL和安全服务规范。
相比于其他的无线通信协议,ZigBee协议栈不但结构简单紧凑,而且在实现方面也很容易,因此就对芯片的成本大大地降低了。
一个ZigBee网络最多包括有255个ZigBee网络节点,其中一个是主设备,其余则是从设备。
若是通过NetworkCoordinator,则整体网络最多可达到65000个ZigBee网络节点;每个网络节点间的距离可以从保准的75m,经过扩展后便可达到几百米,甚至更远至几公里。
再加上各个NetworkCoordinator可互相连接,整体ZigBee网路节点数目将十分可观。
表1对ZigBee、无线高保真（Wi-Fi、蓝牙技术（BlueTheeth、移动通信进行了比较。
表1几种无线通信的比较
通过表1可以很清晰地了解到ZigBee无线网络的一些显著特点,对于在井下人员定位系统的设计中它可以说是最佳选择。
ZigBee以一个个独立的工作节点为依托,通过无线通信组成星状、串状或网状网络,因此每个节点的功能并非都相同。
为降低成本,系统中大部分的节点为子节点,从组网通信上来说,它只是其功能的一个子集,称为半功能设备（RFD;而另外一些节点负责与所控制的子节点通信、汇集数据和发布控制,或起到通信路由的作用,称之为全功能设备（FFD。
每个网络中都有唯一的一个协调器,它相当于有线局域网中的服务器,具有对本网络的管理能力。
网络中的全功能节点可作路由器、协调器以及
煤矿机械CoalMineMachineryVol.30No.12Dec.2009
第30卷第12期
2009年12月
基于ZigBee技术的井下人员定位系统的设计
于洋,张东伟,崔建军
（西安科技大学机械工程学院,西安710054
摘要:
针对目前煤矿井下人员定位网络的功能单一、组网能力差和不能同时对多个移动目标实行定位的情况,基于ZigBee技术的井下人员定位系统因能很好地解决这一问题而得到广泛研究应用。
通过井下ZigBee子网实时接收到移动节点信号再转发到地面控制中心,可以实现地面控制中心对下井人员实时定位、身份识别。
这样,一方面可以对下井人员进行考勤;另一方面对煤矿发生事故后进行有效救援提供了依据。
关键词:
ZigBee技术;人员定位系统;CC2430
中图分类号:
TP393文献标志码:
A文章编号:
1003-0794（200912-0019-03
UndergroundStaffPositioningSystemDesignBasedonZigBee
Technology
YUYang,ZHANGDong-wei,CUIJian-jun
（SchoolofMechanicalEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,ChinaAbstract:
Forthecurrentcoalmineundergroundstafffunctionsofasinglenetworklocation,thebadnetworkcapacityandnotbeinglocatedformorethanamovingtargetatthesametime,itistheapplicationofextensiveresearchthatZigBeetechnology-basedpositioningsystemundergroundstaffcansolvethisproblemverywell.ThroughZigBeesubnetcanreceivereal-timesignaloftheundergroundmobilenodesandthentransmitthemtothegroundcontrolcenter,socanachieveforpersonneltogodownreal-timelocation,identification.Inthisway,ontheonehandthegroundcontrolcentercangodownstaffattendance;ontheotherhand,afteracoalmineaccidentcanprovideabasisforeffectiverelief.
Keywords:
ZigBeetechnology;personnelpositioningsystem;CC2430
种类
网络扩展性
电池寿命
传输速率/Kbps网路节点数
单点覆盖范围/m安装使用难易使用成本ZigBee
自动扩展
数年
0.25
65000
50~300
非常简单
低
蓝牙
无
数天
1
8
10
一般
低
Wi-Fi
无
数小时
1~11
50
50
难
一般
移动通信
依赖现有网路覆盖
数天
0.0384
可达几公里
一般
高
19
终端节点来使用,而半功能节点只能用作终端节点使用。
2基于ZigBee技术井下人员定位系统
2.1人员定位系统的总体结构
如图1所示,人员定位系统的网络结构主要由终端监控中心、数据接口、有限网络、无线人员定位各个独立的ZigBee子网等部分组成。
通过ZigBee无线自组织网络和RS232有线网络将井下上传的全部信息传至地面控制中心计算机,然后中心计算机对信息进行集中综合处理,并同时在显示屏幕上动态显示出工作人员的位置。
图1井下人员定位系统总图
2.2定位系统的功能
（1考勤由于工作人员在入井和出井的时间都被系统所记录,所以以此来实现对工作人员的考勤。
（2定位在任一时刻,计算机屏幕都动态显示ZigBee控制范围内的工作人员的大概位置。
当出现任何形式的事故,比如有瓦斯爆炸、部分井矿塌方等,通过系统可确定发生事故时井下人员的位置,从而可以有效地为救援工作提供保证。
（3跟踪查询每个随身携带定位节点的工作人员,从下井起直至上井前可以查询他每一段时间在井下的位置,以此来考核其工作。
2.3定位原理
该定位系统在工作中,每个下井的工作人员会随身携带一个终端节点模块,在模块开启后,它会按预定程序定时发出一种友好握手信息包,该信息包被最近的路由节点模块接收。
路由模块在接收到握手信息后,将自己的网络地址信息与收到的节点模块物理地址信息处理后一并选择最优的通信路径,通过其他的路由节点一层层上传到ZigBee协调器,协调器对信息再处理后再传入RS232有线网,即通过基于ZigBee技术的无线自组织网络实时地将井下人员信息上传到CMC（地面控制中心,从而达到对工作人员位置定位的目的。
在地面控制中心计算机上建立一个强大容量的数据库,并有一款专门显示井下各个安置有ZigBee子网的地理位置图,通道壁上固定的路由节点在显示图上早已确定,当收到某一路由节点发送来的信息可准确地查处终端节点是在哪一个或几个路由节点的周围,从而可判定出该终端节点一定精度的位置。
2.4ZigBee模块硬件设计
CC2430是Chipcon公司推出的用来实现嵌入式ZigBee应用的片上系统。
它支持2.4GHzIEEE802.15.4/ZigBee协议。
根据芯片内置闪存的不同容量,可分为3个版本,因为128KB的内存能够很好满足系统的设计要求,现选其为协调器节点、路由节点和终端节点的模块主芯片。
CC2430只需要很少的外接元件就可以达到目标了,这就给硬件设计难度减小了很多,基于CC2430芯片的节点模块设计只需一块CC2430芯片、简单的外围元器件和提供稳定的3.3V电源电压。
2.5ZigBee模块软件设计
如图2,在网络协调器中首先初始化CC2430,然后程序开始初始化协议栈并打开中断。
之后程序开始格式化一个网络,如果网络格式化成功,可以通过串口看到格式化网络的一些信息。
通过串口57600,8,N,1可以在串口调试助手中看到网络协调器的物理地址、现在建立网络的网络ID号和频道号等。
之后程序开始进入应用层,处理函数aps-FSM（监测空中的ZigBee信号。
如果现在有终端节点或路由节点加入网络,则串口输出都会显示有新的终端节点或路由节点加入网络,并显示加入网络节点的物理地址,此时网络协调器给节点分配网络地址。
同样在函数apsFSM（里接收终端节点发送过来的信息值。
图2协调器流程图
如图3,在路由节点中程序同样首先初始化CC2430,然后初始化协议栈,就开始发送加入网络信号,等待网络协调器或前面的路由节点响应,并给自己分配网络地址。
路由节点加入网络后,就循环执行RouterWork（函数。
用于对接受来自终端节点的信息再处理后发送给上一节点。
终端监控
计算机交换机
井上
井下
RS232
ZigBee子网
ZigBee子网ZigBee子网
初始化
建立一个新的网络
显示网络的ID号、频道号等
进入无线监控状态
监视空气中的无线信号
给节点分配
网络地址有申请
加入网络
有
发送信息到
控制中心20
图3路由器流程图
如图4,在终端节点上,程序同样首先初始化
CC2430,之后初始化协议栈,并开始发送加入网络
信号,等待前面的路由节点响应,并给自己分配网络地址。
终端节点加入网络后,就循环执行RfdWork（函数。
该函数是一种按一定时间规律发送友好握手信息给路由节点。
图4终端节点流程图
3定位系统的软、硬件环境（1软件环境
该系统在WindowsXP操作系统环境下开发,
开发软件工具为VB.net,后台数据库使用Oracle数据库系统。
（2硬件环境
要实现井下人员定位系统的功能,由于工作人员数量很大,所以需要使用大容量、高性能的计算机,CPU主频不低于3GHz,内存不小于512M,硬盘不小于240G,显示器大于19英寸,图形显示卡显存不低于256M。
（3模拟测试结果
在本系统的测试过程中,选用学校楼道作为模拟场景。
测试中,暂时安装了8个路由模块,5个终
端模块在其范围内自由移动。
再将定位系统根据实际情况安装到位,设好地面的主机,连接好相应的电源、通讯电缆,布置定位分站等。
同时将各定位分站的通讯线与地面数据通讯接口和计算机串口连接。
在地面主机上安装矿井人员跟踪定位及考勤管理软件,对各受试监控分站进行初始化设置、定义。
录入人员基础信息资料,使各相关设备投入正常工作。
首先,让终端节点依次在安装有路由节点的范围内自由移动,在计算机上观察终端节点在显示界面上快速移动,随着终端节点在不同位置的出现,相应的在界面上出现在不同的固定路由节点附近。
通过多次试验,得出以下结论:
定位系统反应速度快、系统在终端节点“群入”方式时的准确性能高。
4结语
ZigBee具有低功耗、低成本、抗干扰强、协议紧
凑简单、通信可靠等特点,非常适合煤矿井下恶劣的工作环境。
通过串状拓扑组网,将矿工安全帽中的ZigBee终端设备（RFD通过路由节点的中转与基站的协调器（FFD建立无线连接,数据传输可靠、漏检率低。
ZigBee协调器与地面的数据通过RS232有线传输到地面的主机中,在地面主机端实时再现井下人员的行踪,为煤矿安全及发生事故后救援工作提供了有利的保证。
由于现实条件、资金等的限制,对本课题的研究设计暂时只能在地面模拟试验,不过从多次试验来看,虽然课题设计方案在某些方面还有点欠缺,但如果真正实施的话,在此基础上做些适当处理则一定会取得很好的效果。
参考文献:
[1]瞿雷,刘盛德.ZigBee技术及应用[M].北京:
北京航空航天大学
出版社,2007.
[2]煤炭工业部安全司.矿井安全监控原理及应用[M].北京:
中国矿
业大学出版社,2000.
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应用[J].仪表技术,2007（1:
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[4]蒋挺.紫蜂技术及其应用[M].北京:
北京邮电大学出版社,2006.[5]谭浩强.C程序设计[M].2版.北京:
清华大学出版社,1999.
作者简介:
于洋（1968-,陕西西安人,副教授,主要从事机械制造设计及自动化和CAD/CAM技术的教学与科研工作,电子信箱:
zdw831225@.
收稿日期:
2009-06-02
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初始化加入网络
进入无线监控状态
判断收到
的信号
信息信号
加入网
络信号给节点分配
网络地址
对收到信息处理后转发到下一节点
初始化否
否是
发送成功?
发送加入网络信号
空闲状态是按一定规律发送友好握手信息
加入网络是否成功?
实现油缸活塞杆往复运动的简易液压系统
山东省煤炭科学研究所和济南化纤总公司研制出实现油缸活塞杆往复运动工作要求的简易液压回路,取得很好使用效果。
在现代生产过程中,许多设备都是通过直线往复运动来实现的,例如煤矿生产中的井口安全门、推车机、升降装置等。
它们都需要一种动力系统实现执行元件的往复运动。
此项研究成果的液压系统采用了集成块的形式,既简单方便又节省购买液压元件的资金,集成块安装在油箱内,液压系统的回油可以直接流回油箱,省去了回油管路。
液压泵采用可以实现正反转的齿轮泵和摆线齿轮泵等,通过电动机的正反转实现油缸活塞杆的往复直线运动。
在执行元件中可以实行一泵带多缸同步运行。
应用实践表明这项成果具有以下优点:
系统工作时,活塞受到的外力超过调定的额定输出力或行程达到极限值时,如果电动机仍然在转动,则油压将会迅速地增高,使溢流阀溢流,实现过载保护;在油路集成块中设计了液压自锁机构,电动机断电时,活塞杆将会停止在运行位置上并且进行自锁。
（李剑峰
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