头盔式煤矿井下人员无线定位跟踪系统设计与实现

摘要：基于对BlueTeeth、Wi-Fi、ZigBee、UWB技术的分析和比较，设计了基于ZigBee无线通信技术的头盔式煤矿井下人员定位跟踪系统。重点介绍了井下人员无线定位跟踪系统的结构、网络组成及目标节点的定位过程。该系统便于煤矿管理人员及时了解井下人员分布情况与运动轨迹。

关键词：ZigBee技术定位跟踪移动目标

在煤矿系统中，矿井危险事故时有发生。只有获得受困工人准确的位置信息，抢救工作才能保证及时而又避免误伤。因此，设计安装一套煤矿井下人员的定位跟踪系统，成为一项十分紧迫的任务。

1方案的比较与选取

表1所示为四种无线通信方式的性能参数比较。

由表1可以看出ZigBee技术的优势是成本低、功耗小，而针对于煤炭行业资金不足、煤矿井下巷道曲折多变、风门众多、电源供电控制严格的特点非常适合应用Zig-Bee技术。虽然ZigBee技术的数据传输率不高，但足以满足定位系统的传输速度要求。

本方案选用2.4GHz频段的全球通用的ZigBee技术，采用基于ZigBee的无线传感器网络设计方案实现井下人员定位。在定位算法方面，采用国际上最先进的RSSI（接收讯号强度指标）算法，实现矿工的精确定位。

2定位跟踪系统的组成

定位跟踪系统主要由井上和井下2部分组成。井上部分包括大屏幕、计算机网络、485或光纤传输介质等。井下部分采用以太网技术，按照网络拓扑结构进行模块设置，每个网络模块由一个无线定位网络和若干个移动目标节点组成，定位网络节点简称FFD，移动目标节点简称RFD。系统组成如图1所示。

2.1ZigBee无线定位网络组成ZigBee无线定位网络的有网关、参考和定位节点三个部分，网关节点完成有线与无线信号的切换，参考节点为移动目标节点提供参考坐标与信号强度信息，网关和参考节点均以cc2430芯片为核心。移动目标节点以cc2431芯片为核心。

针对现场环境要求，沿巷道每隔45～180m，或者工作面高度降低45m时，在巷道合适位置（如巷道两侧顶部）设置参考节点，合理布局定位节点，安置完成的网络模块会自动形成一个ZigBee无线定位通信网络。每个节点模块的标识地址都是唯一的。为保证ZigBee网络的可靠通信，网络模块布局要保证每个模块可以保持与两个以上的模块实时通信。

2.2移动目标节点将基于ZigBee并具有身份识别功能的无线模块制作成一个便携式装置，并置于井下作业人员的头盔式安全帽内，完成无线收发功能。为了节省电力，利用IEEE802.15.4无线传输技术对模块的休眠、唤醒过程合理地控制，模块自身也只是每隔10～30s向邻近的定位网络节点发射身份地址码信号。每个下井的作业人员，都随身佩戴这样一个标志唯一身份地址的装置，其位置参数的获得来自于利用无线信号的强弱与定位节点的距离对照换算，理论上定位精度很高，可以达到2.5m。

3定位过程

cc2431模块自带了一个用于定位的引擎硬件，该引擎是在节点层面根据网络中的已知定位节点所接收到的无线信号强度值（RSSI）采用分布式算法对移动目标节点的位置完成估算。其计算原理是：由于通过预先实际环境的测量获得了信号强度与距离的函数关系，因此依据信号的强度，定位引擎可以通过已知的定位节点来确定与正在进行通信的移动目标节点之间的距离。只要利用两个定位节点来计算所获得的此目标节点的信号强度值，该移动目标的具体位置就可以确定。

4结语

通过比较B1ueTeeth、Wi-Fi、ZigBee、UWB这四种无线通信技术的具体特点，选取了基于ZigBee技术设计的头盔式煤矿井下人员无线定位跟踪系统的设计方案，并对系统的设计进行了重点阐述，详细说明了无线定位跟踪的实现流程，该设计方案中无线定位跟踪系统非常适合于煤矿的井下人员使用。

参考文献：

[1]王志中.煤矿井下人员定位系统研究[J].中国优秀硕士学位论文全文数据库，2011，S1.

[2]郭秀才，滕以金，窦美玲.井下人员定位跟踪检测系统的研究[J].矿业安全与环保，2009，36（5）.

[3]谢晓佳，程丽君，王勇.基于zigbee网络平台的井下人员跟踪定位系统[J].煤炭学报，2007，32（8）.

作者简介：

左翠红（1966-），女，山东威海人，教授，主要从事电气自动化方面的教学与研究工作。