基于无线通信技术的井下人员定位系统设计

摘 要：针对现有煤矿井下定位系统存在的不足,本文将ZigBee和嵌入式技术共同运用于井下人员定位系统中,并介绍了系统软硬件设计方案.最后经实验证明该设计能够实现井下人员定位与管理,提高了煤矿井下工作的安全性.

关 键 词 ：ZigBee；煤矿；人员定位

0 引言

近年来,煤矿的安全生产越来越受到国家重视,一系列新出台的法律法规规范了煤矿生产方式方针,但因技术原因引起的安全事故还是屡有发生.事故的发生造成了人员伤亡和经济损失,为了进一步减少事故发生的隐患,设计并实现一项更有效的井下人员定位系统显得尤为迫切.

目前,煤矿井下普遍采用RFID技术进行人员定位.这种技术存在通信距离短、读卡器造价昂贵等缺点,因此其定位效果并不理想.而国外近几年新推出的漏泄通信系统,如英国的DAC系统,这类系统存在的弊端有两点：一是没有充分利用该系统可利用的频段（75MHz或150MHz）；二是都是采用单工或者半双工的通信方式.针对以上问题,本文设计了ZigBee和嵌入式技术相结合,并充分利用其优点的井下人员定位系统.

1.系统的总体设计

井下人员定位系统结构由参考节点、移动节点、网关节点、Web怎么写作器和互联网组成.参考节点为已知具体位置的节点；移动节点为不知具体位置而需经参考节点进行定位的节点；网关节点作用是配置参考节点位置信息和接收移动节点位置信息后传给Web怎么写作器；Web怎么写作器则是将接收到的位置信息通过互联网传给远程计算机.

2.硬件设计

2.1 节点硬件的设计

参考节点与移动节点主要包括无线通信、数据采集和传感器模块.而网关节点和Web怎么写作器是相连接的,因此需要多一个串口模块.其中参考节点和网关节点采用CC2430处理器芯片,该芯片整合了ZigBee/IEEE802.15.4射频/内存和微控制器.移动节点采用CC2431处理器芯片,该芯片较CC2430多了一个定位引擎,此定位引擎结合参考节点的坐标利用三边测量法可计算出移动节点的坐标.由于采集模块采集的只是温度,所以只需要有温度传感器.温度传感器芯片采用SHT11芯片,该芯片有集成度高、安全性高、精确度高等优点.

2.2 Web怎么写作器硬件的设计

由于该系统需要远距离传输数据,故采用嵌入式Web怎么写作器接入网可以很好的实现.Web怎么写作器采用S34BOX处理器芯片,该芯片具有功耗低、成本低等优点.以太网接口芯片采用RTL8019AS,该芯片可自动检测10BASE-T的RJ-45接口.USB接口芯片采用ISP1161,该芯片可轻松与数字信号处理器或RISC指令集处理器相连接.

3. 软件设计

3.1 参考节点软件设计

由于参考节点位置固定,所以它不参与任何定位计算,其流程图如图1所示.

3.2 移动节点

移动节点是根据参考节点的位置采用RSSI算法来实现自身定位的.

3.3 网关节点

网关节点既要接收参考节点的配置信息又要接收节点的反馈信息.

3.4 Web怎么写作器软件设计

Web怎么写作器采用μClinux操作系统.该系统稳定性强、具有丰富的API,且该系统可很好的适用于MMU微控制器的设计中.

4.实验验证

4.1 实验地点

为模拟井下人员定位环境,实验地点选择4m×10m地下室中进行.

4.2 实验步骤

首先将20个参考节点分散放置在地下室中,并通过PC给参考节点配置坐标,然后将移动节点放入实验场地,最后进行多次实验后查看并分析定位结果.

4.3 实验结果分析

根据实验结果发现人流量越少定位越精确.主要原因是噪声对RSSI的影响.对人流量较少的情况进行实验,发现误差均在0.5m范围内,实验表明该系统能够较精确的实现井下人员定位功能.

5.结论

煤矿井下人员定位系统是煤矿生产安全的重要保障.本文提出的基于ZigBee的井下人员定位系统通过实验表明能够完成对井下工作人员进行定位跟踪,因此该系统能够应用于煤矿安全生产的工作中.