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基于ZigBee技术的井下人员定位系统的设计.pdf

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第 3O卷 第 12期  20o9年  l2月  煤  矿  机 械   Coal Mine Machinery  Vo1.3ONo.12  Dec. 20o9  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 7l0054)  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(2009)12—0019—03  Underground Staf Positioning System  Design Based on ZigBee  Technology  YU Yang,ZHANG Dong—wei,CUI Jian-jun  (School of Mechanical Engineering,Xi’all University of Science and Technology,Xi’an 7 10054,China)  Abstract:For the current coal mine underground staff functions of a single network location,the bad  network capacity and not being located for more than a moving target at the same time,it is the  application of extensive research that ZigBee technology-based positioning system underground staf  can solve this problem very wel1. Through ZigBee subnet can receive real-time signa l of the  underg round mobile nodes and then transmit them to the ground control center,SO can achieve f or  personnel to go down real-time location,identification .In this way,on the one hand the g round control  center can go down sta f  attendance;on the other hand,after a coal mine accident can provide a basis  for effective relief.  K ey words:ZigBee technolog y ;personnel positioning system ;CC2430  1  ZigBee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 fPHY1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 Network Coordinator,  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 Network Coordinator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 盼作 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  Vo1.30 No.12  基于 ZigBee技术f ̄#T.kYa定位系堕  设计——于 洋 ,等  第 30卷第 12期  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 l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 。  r  …  i  井上  广一一井下  一 一 一 一 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 在人 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 。  2.4  ZigBee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 2.4 GHz  IEEE802.15.4/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 128 KB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 3.3 V电 源 电  压 。  2.5  ZigBee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  57 600,8,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 。  第 3O卷第 12期  基 于 ZigBee技 术 的井下 人员 定位 系 统 的设计— — 于 洋 ,等  Vo1.30No.12  \  / 一 随  I信息信号  对收到信息处理后 l  转发到下一节点 l  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 Windows XP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 3 GHz,内存 不 小 于 512 M,硬  盘 不 小 于 240 G,显 示 器 大 于 19英 寸 ,图形 显 示 卡  显存 不低 于 256 M。  (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.  [3]秦 霆 锈 ,豆 晓强 ,慧 文 彬 ,等 .ZigBee技 术 在 无 线 传 感 器 网 络 中 的  应 用 [J].仪 表 技 术 ,2007(1):57—59.  [4]蒋 挺 .紫 蜂 技 术 及 其 应 用 [M】.北 京 :北 京 邮 电 大 学 出 版 社 ,2006.  塑堡:  垦  : 鉴:  塞!堕  兰些堕 !!竺!!:  作 者 简 介 : ̄ (1968一),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 :  zdw83 1 225@ 1 26.conl  收稿15t期:2009—06—02  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 。  一 21—   (李 剑 峰 ) 

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