基于
zigbee
的矿井下人员定½系统的研究与设计
韩江洪 宋颂 冯琳 魏振春
（合肥工业大学计算机与信息学院 中½合肥
230009）
摘要：
本文讨论了基于
zigbee
的矿井下人员定½系统的研究与设计，对矿井下人员定½系统的整
½结构及定½功½的设计做了详细的阐述，½够实现井下人员管理等功½，具有定½精度高、速
度快，传输及时、保密性强等特点。
关键词：
zigbee，
定½系统，无线通信
Designing and research
of
people’s position system under
mine with zigbee
HAN Jiang-Hong Song Song FENG LIN WEI Zhen-Chun
(Hefei University of Technology， School of Computer and Information
，
Hefei 230009
，
China)
Abstract：
This paper introduces the designing and research of people’s position system under mine making
use of
zigbee wireless communication
technologies.relates the whole framework of position system and the
function in detail . The Position System. can accurately position, track the moving object,. can realize the
management of people under mine,include the characteristic such as accurately,high speed and safely.
Keywords:
zigbee，Position System, wireless communication
1.引言
煤矿产业是我½乃至全世界较大的½
源产业，
为进一步提高生产效率及生产的安
全性，
各大中型矿井½配备有自己的数字矿
井系统。与此同时，现有的数字矿井系统无
法解决井下人员跟踪定½的问题，
这对煤矿
生产信息化管理提出了新的要求，基于
zigbee的井下人员定½系统可以很½的弥
补这一空½，是煤矿安全生产的保证。
2.zigbee
技术
Zigbee技术是最近提出的一种近距离、
½复杂度、½功耗、½成本的双向无线通信
技术
[1]
，通过自组½技术进行信息传递，主
要适用于自动控制和远程控制领域，
具有以
下技术特性：
（1）
数据传输速率½：
只有 10k 字节/秒到
250k 字节/秒，专注于½传输应用
[2]
。
（2） 功耗½：在½耗电待机模式下，两节
普通 5 号电池可½用六个月到两年，
免去了
充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是
ZigBee 的支持者所一直引以为豪的独特优
势。
（3） 成本½：ZigBee 数据传输速率½，协
议简单，所以大大降½了成本。且免收专利
费。
（4） ½络容量大：每个 ZigBee ½络最多
可支持 255 个设备。
（5） 时延短：通常时延½在 15 毫秒至 30
毫秒之间。
（6） 安全：
ZigBee 提供了数据完整性检查
和鉴权功½，采用 AES-128 加密算法。
（7） 有效范围小：有效覆盖范围 10~75 米
之间，
具½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½够覆盖普通
的家庭或办公室环境。
（8） 工½频段灵活：½用频段为 2.4GHz、
868MHz（欧洲）及 915 MHz（美½）
，均为免
327
执照频段。
（9）可靠：采用了碰撞避免机制，同时为
需要固定带½的通信业务预留了专用时隙
[3]
，避免了发送数据时的竞争和冲突；节点
模块之间具有自动动态组½的功½，
信息在
整个 ZigBee ½络中通过自动路由的方式进
行传输，从而保证了信息传输的可靠性。
在工业实际应用现场如煤矿井下，
现有
的移动½络无法覆盖，
GPS½用效果差，
定½效果很难保证，而zigBee½络以其技术
特性很½的解决了这一问题，首先，在矿井
下设备维护是很困难的，zigBee结点功耗极
½，持续工½时间长，避免了频繁维护的问
题，其次，ZigBee½络容量大，可以很½的
满足矿井下地½复杂，½络难以覆盖的问
题，再次，矿井下电磁场环境比较复杂，而
ZigBee技术½用的是抗干扰½力极强的直
序扩频和动态路由数据传输的通信方式，
在
安全和可靠性方面较之其他无线技术更适
合于工业现场环境
[4]
。
监
控
中
心
地下矿井
矿灯
zigbee
无线通信
½络
节点
图1
系统整½结构
3．系统框架结构
ZigBee ½络是一个信息传输½络，
要将
它用½一个定½½络，我们只需 ZigBee 系
统中的½络主节点 FFD ½为定½系统中的½
络节点，½络子节点 RFD ½为移动终端
[5]
；
同时，为了更有效的利用 ZigBee ½络来定
½，我们需要根据实际定½的需要，调整主
节点和子节点的接收灵敏度和发射功率，
以
½½络节点的通信范围，
和定½精度范围½
½满足实际应用的需要。另外，我们还可以
保留子节点的接收功½，
以便在实际定½应
用中，
监制中心和移动目标可以进行相互通
信。
本系统采用了 zigbee 无线通讯技术，
信号强度几½中心定½技术，
数据采集技术
和数据存储等计算机½络通信与数据处理
技术，采集并记½井下人员的½½信息，具
有定½精度高、适应性强、½用效果½、抗
干扰½力强的特点。
人员定½系统由三部分组成，即：矿灯
终端、zigbee½络和监控中心。矿灯终端主
要用于提供移动目标的身½信息， zigbee
½络½为井下人员和监控中心沟通的媒介，
用来接收移动目标的身½信息和信号强度，
并½发到监控中心，
而监控中心将收集到的
人员身½信息和信号强度进行计算处理并
显示，可以确定移动目标的½½,提供定½
功½，如图1所示。
系统的工½原理是：
安装在人员矿灯上的
终端将身½码信息及信号强度发射给附近
的½络节点，
½移动目标在不同的½½发射
身½码信息时，
处于该移动目标附近的½络
节点，因距该移动目标距离远近的不同，所
收到的信号强度也不同。
Zigbee½络结点将
把该移动目标身½码，
以及接收到的信号强
度通过自动路由的方式传往控制中心，
通过
几½中心定½技术，再加上现场实测效正，
很容易确定该移动目标的½½。
如人员脱离
zigbee½络，则监控中心自动报警。
4.系统详细设计
系统设计分为硬件和½件设计，
硬件上
主要完成移动终端和 zigbee ½络节点的设
计，½件上完成对结点和终端的嵌入式编
程，以及监控中心的设计。
4.1
硬件设计
本系统硬件分为移动终端和 zigbee ½
络结点，
移动终端与½络结点的硬件结构相
同，由主板，收发天线，连接线束，无线射
频模块，电池等组成，如图 2 所示。所不同
的是，移动终端安装在人员安全½内，通过
无线模块将信号强度及人员身½信息如工
号，工种等发送到附近的½络结点， ½络
结点安装在矿井巷道内，每隔一段距离一
个，
相½于小型基站，
具有存储及路由功½。
328
存储模块
天线
通信模块
主板
CPU
图2
移动终端硬件结构
4.2
½件框架设计
如图 3 所示，系统½件由三部分组成，
移动终端部分，
½络结点部分以及监控中心
部分，
移动终端部分负责定时发送人员身½
信息给周围½络结点，根据 IEEE802.15.4
协议和 zigbee 媒½介入层（MAC）[6]编写，
½络结点部分负责存储，
并½发移动终端发
来的信息，根据 zigbee ½络及应用层协议
编写，
监控中心部分实现将收集到的信息进
行定½计算，处理并显示，根据数据查询技
术和几½中心定½技术处理。
人员身½信息
移
动
终
端
½络
结点
½络
结点
½络
结点
监
控
中
心
½络
结点
将同时启动其它联动的应急设备。
4.3.3.
移动目标½½的确定
1． ½移动目标在不同的½½发射身½
码信号时，如果定½精度要求不高，坑道情
况比较复杂时，人员密度较高时，则我们可
以将任½一个接收到该移动目标身½码信
息的½络节点½½，½½为移动目标½½
[7]，这种方法往往需要较小的½络节点间
距，和较小的无线身½模块的发射功率。
2． ½定½精度要求较高，坑道环境相
对简单时，可以½络结点定½半径为基础,
½用几½中心定½法对移动目标进行定½，
如图 4 所示。
½络结点的定½半径 Rba：假定 B 为
zigbee ½络节点，A 为移动终端，½ A 的½
½固定，A 的发射功率和 B 的接收灵敏度一
定时，B 只有½处于一个以 A 为圆心，
Rab(Rab 为移动终端 A 的信号覆盖半径)为
半径的一个固定范围内时，
才½接收到 A 的
信号。反之，将 B 的½½固定，则只有½ A
进入到一个以 B 为圆心，Rab 为半径的一个
固定范围内时，B 才½接收到 A 的信号。这
个半径也就是 B 相对于移动终端 A 的定½半
径 Rba（Rab＝Rba） 接收到的信号越强，
。B
A 离 B 就越近。
图3
zigbee½络结构
4.3
定½功½的设计
在本系统中,对移动目标的定½无疑是
最主要的。
定½功½的实现包括建立定½½
络，
建立移动目标的无线身½码以及移动目
标½½的确定。
4.3.1
建立定½½络
首先， 设½ Zigbee ½络，在需要定½
和½络连接的地方，
安½ Zigbee ½络模块,
每个模块½有接收信号强弱指示功½.其
次，所安½的½络模块将自动组成一个
Zigbee 通信½络，
这就是一个定½½络，
每
一个½络节点就是一个定½点。
4.3.2
建立移动目标的无线身½码
首先，每一个需要定½的移动目标，½
需要随身携带一个无线身½卡.其次，无线
身½模块每隔一定时间间隔发射一个身½
码信号。
为了避免井下环境对无线信号的干
扰，
所有无线身½卡模块½用的½是抗干扰
的直序扩频通信方式；再次 该无线身½模
块还可与瓦斯探测传感器等相连，
½出现瓦
斯超标时，
该无线模块可以立即通过 Zigbee
½络,将报警信号传往监控中心，必要时，
图4
结点B定½半径（相对于移动终端A）
几½中心法[8]：
½移动目标 A 发射的定½信号仅被某一
节点 B 收到，几½中心就是节点 B。移动目
标 A 处于以 B 为圆心，以定½半径 Rab (B
相对于 A 的定½半径)为半径的圆周范围内，
这种情况同样适合以定½信号最强的节点
½为移动目标½½的定½方法。
如图 5 所示，2 个和 3 个节点½用几½
中心方法定½的情况：
左图中节点 A 和 B 收
到了移动目标的定½信号，或者节点 A、B
上的定½信号强度大于其他节点上的定½
信号强度。这时我们以节点 A、B 的几½中
心——节点 A、B 连线的中点½为移动目标
的½½。
329
图5
½用几½中心定½的情况
右图是 3 个节点定½的情况，
图中节点
A、B、C ½收到了移动目标的定½信号，或
者节点 A、B、C 上的定½信号强度大于其他
节点上的定½信号强度。
这时我们以节点 A、
B、 的几½中心——即△ABC 三条中线的交
C
点½为移动目标的½½。
Zigbee ½络将把该移动目标身½码，
以及信号强度传往控制中心，
通过上述方法
进行计算处理，再加上现场实测效正，很容
易确定该移动目标的½½。
3. 在½用以上方法定½时，
为了进一步
提高定½的准确性，必要时，还需要对½络
节点，移动目标节点的收发机的接收灵敏
度，和发射功率进行适½的调整。
为了确保通信的可靠性，
和减½可½的½
络数据传输流量，
每个坑道的 Zigbee ½络，
除了自身通过无线方式与控制中心相连接
以外，
还可在适½的地方与坑道的其它通信
光纤或电缆相接，
以保证与控制中心通信的
可靠性。
线通讯的应用领域，
具有广阔的市场前景和
应用价值。
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Computing
Engineering Journal(Vol 16) [C]．
2005． - 13．
12
5.结束语
系统在zigbee和嵌入式技术的基础上
完成井下人员定½功½,具有定½精度高、
速度快，传输及时、保密性强等特点，是对
现有数字矿井系统的良½补充，
较½的弥补
了井下人员管理这一空½，
拓展了zigbee无
[8] Nicholson, A.J，Noble, B.D．Automatic Network
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