基于WiFi和ZigBee的井下人员无线跟踪与定位系统的设计.pdf

第 7 期 2011 年 7 月 工矿自动化 Industry and Mine Automation No. 7 Jul. 2011 科研成果 文章编号 1671- 251X 2011 07- 0001- 06 DOI CNKI 32- 1627/ TP. 20110628. 1355. 001 基于 WiFi 和 ZigBee 的井下人员 无线跟踪与定位系统的设计 蒋磊 1, 于雷2, 王振翀1, 张宜迟1 1. 中国矿业大学 北京 机电与信息工程学院, 北京 100083; 2. 国家安全生产监督管理总局信息研究院, 北京 100029 摘要 针对现有矿山人员定位系统成本高、 安装复杂、 只能区域定位等问题, 提出了一种基于 WiFi 和 ZigBee 技术的井下人员无线跟踪与定位系统的设计方案和一种符合矿山实际要求的基于一维线性空间的 实时定位方法, 详细介绍了该系统的软硬件设计。该系统采用 WiFi 技术组建无线语音局域网络, 采用 ZigBee 技术组建无线传感器监测网络, 通过井下综合分站同时发射 WiFi 和 ZigBee 无线信号, 实现了井下 实时通信信号和定位信号的覆盖。该系统已实际应用, 效果良好。 关键词 矿井; 人员定位; 精确定位; 无线通信; 一维线性定位算法; WiFi; ZigBee 中图分类号 TD655. 3 文献标识码 B 网络出版时间 2011- 06- 28 13 55 网络出版地址 http / / www. cnki. net/ kcms/ detail/ 32. 1627. TP. 20110628. 1355. 001. html Design of Wireless Tracking and Positioning System of Underground Personnel Based on WiFi and ZigBee JIANG Lei1, YU Lei2, WANG Zhenchong 1, ZHANG Yichi1 1. School of Mechanical Electronic and Ination Engineering of CUMT . Beijing , Beijing 100083, China. 2. Ination Institute of State Administration of Work Safety, Beijing 100029, China Abstract In order to solve problems of high cost, complex installation and limitation of zone location of current mine personnel positioning system, the paper put forward a design scheme of wireless tracking and positioning system of underground personnel based on WiFi and ZigBee and a realtime positioning based on onedimensional linear space which is perfectly fit for realistic requirement of mine underground, and introduced designs of hardware and software of the system in details. T he system uses WiFi technology to construct wireless voice local network, uses ZigBee technology to construct wireless sensor monitoring network, and achieves coverage of realtime communication signals and positioning signals through integrated substations which can transmit WiFi and ZigBee signals simultaneously. T he system has been applied with a good effect. Key words mine,personnel positioning,precise positioning,wireless communication,location algorithm of onedimensional linear, WiFi, ZigBee 收稿日期 2011- 03- 28 基金项目 科技部技术支撑项目NCSTE- 2007- JK- ZX- 195 作者简介 蒋磊 1982- , 男, 安徽淮北人, 博士研究生, 研究方 向为控制理论与控制工程。Email xx lei vip. sina. com 0 引言 由于矿井的巷道和井下作业人员的分布情况复 杂, 灾变时难以确定井下人员的数量和位置, 难以实 现井下的通信以及发生事故后的及时营救。现有的 RFID 射频读写系统 包括 SuperRFID 无法实时地 报告井下人员的具体位置, 也无法实现井下实时语 音通信, 只能用于下井人员区域定位和考勤登记。 为了满足煤矿井下安全生产的需要, 井下人员无线 跟踪与定位系统在正常情况下应能为煤矿管理人员 提供人员实时监控、 进出限制、 考勤作业、 实时通信 等多方面的信息。一旦发生安全事故, 通过监控系 统应可以知道被困人员的具体位置, 保证抢险救灾 和安全救护工作的高效运作。 笔者成功开发了一种基于 WiFi 和 ZigBee 的井 下人员无线跟踪与定位系统, 实现了人员定位考勤 及无线通信功能。该系统综合运用了传感器技术、 遥测遥控技术、 嵌入式计算机技术、 分布式信息处理 技术和无线通信技术, 并且充分利用了自组织网络 动态自组、 多跳的特点, 大大提高了井下人员跟踪与 定位系统的实时性和准确性。 1 系统设计方案 1. 1 主要研究内容 ZigBee 技术是一种近距离、 低复杂度、 低功耗、 低数据速率、 低成本、 高容量的无线传感网络技术, 主要适用于数据流量较小的业务。相对于现有的各 种无线通信技术, ZigBee 技术功耗和成本最低。由 于 ZigBee 技术是一种低数据速率的无线传输技术, 只能工作在 250 kbit/ s 的通信速率上, 无法支持即 时通信的音视频传输流。与 ZigBee 技术相反, WiFi 是一种远距离、 复杂度较高、 高功耗、 高数据速率 达 300 Mbit/ s 、 高成本的无线网络技术[ 1]。在井下人 员跟踪定位系统中, 除了监测是否有人员进入巷道 和重要场所的位置之外, 还需要采集和传输数据量 较大的图像、 声音等信息。ZigBee 技术很难完成这 些任务, 但是对于 WiFi 来说则易如反掌。 本文将 ZigBee 技术和 WiFi 技术相融合, 构建 了井下人员无线跟踪与定位系统。利用 ZigBee 技 术组建无线传感器网络, 监测井下人员的位置情况, 并传输小数据量的监测信息; 利用 WiFi 技术组建 无线语音局域网络, 为井下人员提供语音覆盖信号。 系统在井下安装后, 能实现井上、 井下及矿区内 外的语音通信以及人员考勤、 定位功能。井下无线 信号可以覆盖轨道大巷、 轨道上山、 胶带上山、 轨道 下山、 胶带下山及行人回风巷和主井位置通往采掘 面的大部分巷道。当井下定位分站或通信电缆及传 输接口出现故障时, 井上监控主机有相应的显示和 报警功能; 当有矿工误入井下禁区时, 定位分站会自 动报警。井下工作人员可以通过短信或实时通话向 井上及时反馈井下信息; 一旦发生安全事故, 井下人 员可以在第一时间向外求救。 1. 2 系统组成 井下人员无线跟踪与定位系统主要由网络平 台、 分站、 服务器、 终端设备和应用软件组成, 如图 1 所示。 图 1 井下人员无线跟踪与定位系统组成 系统大体上分为 3 层, 即地面网络交换层、 井下 无线网络层和终端设备层。其中地面网络交换层主 要包括网络交换机、 语音网关、 地面分站; 井下无线 网络层主要包括井下环网交换机、 综合分站; 终端设 备层包括本安型手机、 本安型标识卡。 1. 3 系统网络拓扑结构 井下人员无线跟踪与定位系统的井下网络采用 环形加树形拓扑结构, 如图 2 所示。井下无线网络 层通过井下环网交换机构成主干环网, 各井下综合 分站彼此以接力的形式通过光纤连接到井下工业以 太环网, 实现井下的无缝隙覆盖。 2 系统硬件设计 2. 1 综合分站 1 功能设计 综合分站为本安型设计, 它拥有 WiFi 部分和 ZigBee 部分两个射频系统, 并具有通信分站和网络 交换机的双重功能。综合分站可以直接连接到主干 环网上, 无需使用分站控制器和中继器, 便于安装和 维护。综合分站具有以下主要功能 WiFi部分实现网络交换和无线网桥功能, 2工矿自动化2011 年 7 月 图 2 井下人员无线跟踪与定位系统的井下网络拓扑结构 用于构建无线骨干网, 并提供 WiFi 信号覆盖和环 网接力, 负责在上位计算机和终端设备之间双向传 递数据。 ZigBee 部分实现远距离射频识别系统的识 读器功能 [ 2] , 收集并读取矿工携带的标识卡位置和 状态信息, 并将这些信息进行本地压缩处理, 通过 WLAN 骨干网提交给上位计算机。 2 硬件设计 综合分站结构如图 3 所示。根据煤矿井下的特 殊要求, 综合分站使用支持 DD- WRT 开源路由协 议并且带 RS232 扩展接口的标准无线网络路由器 BelkinF5D7230 来构建主板, 选用 Broadcom 公司生 产的 BCM4716 处理器作为路由器板载处理器。 BCM4716 是一种高性能、 低能耗的 MIPS 处理器, 带有 RS232 数据端口, 用于与 ZigBee 主节点进行 连接和数据交换。综合分站外网组件包括 ZigBee 主节点、 电源模块、 光电耦合模块、 射频信号和路模 块, 其中射频信号和路模块用于实现两种射频信号 共用 1根全向或者定向天线。 图 3 综合分站结构 2. 2 本安型手机 1 功能设计 本安型手机可在综合分站的无线覆盖范围内进 行语音通话, 可实现手机与手机通话、 手机与固定电 话通话。同时, 本安型手机配置有 ZigBee 定位模 块, 具有定位功能。 2 硬件设计 本安 型 手机 结构 如 图 4 所 示。手 机 选 用 Samsung 公司生产的基于 ARM11 的 32 位高性能、 低功耗 RSIC 通用微处理器 S3C6410 来构建主板, 外围组件包括存储模块、 电源管理模块、 触摸屏显示 模块、 声卡模块、 ZigBee 模块和 WiFi 模块。 图 4 本安型手机结构 3 软件设计 本安型手机软件平台为基于 ARM 的嵌入式 Linux 系统开发平台, 在构建应用平台的过程中, 必 须进行完整的 Linux 系统移植, 包括 BootLoader u- boot 、 Linux Kernel 内核、 文件系统三个部分。 另外, 还需要对一些核心硬件进行 Linux 底层驱动 开发, 如 WiFi 模块、 ZigBee 模块、 声卡模块、 键盘、 触模屏显示模块。 本安型手机软件主要功能 ZigBee 定位算法 的实现; 使用 ZigBee 模块传输短消息, 并实现时 间同步; 依托 linphone 开源软件实现 VoIP 网络 电话 程序移植, 使 WiFi 模块平时处于节电模式, 通过 ZigBee 信号进行唤醒; 基于 QT 框架实现 GUI 程序移植。 32011 年第 7 期蒋磊等 基于 WiFi 和 ZigBee 的井下人员无线跟踪与定位系统的设计 2. 3 本安型标识卡 1 功能设计 本安型标识卡利用 ZigBee 网络[ 3]实现短消息 通信与实时定位两部分功能。井下无线跟踪与定位 系统总控室应能对井下人员群发文字消息, 即广播 信息; 可以只对某一个人发送消息; 应能接收并处理 井下人员发出的普通消息和报警消息。 2 数据格式 短消息传输数据包帧结构如表 1 所示。 表 1 短消息传输数据包帧结构 数据包 格式 帧头 目标 地址 短消息 类型 短消息 长度 短消息 内容 异或 校验 长度/ B1212len1 帧头 帧头标志命令包传输开始, 其控制字段分 为帧格式类型以及帧序列号两部分。 目标地址 目的地节点的网络地址。 短消息类型 用于区分不同类型的短消息。 短消息长度 表示十六进制形式的短消息长度, 不包括 4 B 的包头和 1 B 的异或校验。 短消息内容 长度在 0 65 535 B 范围内, 具体 范围取决于短消息长度的大小。 异或校验 是整个数据包从包头到负载字段的 所有字节的校验。如果校验错误, 整个数据包将被 自动丢弃。 具体的短消息数据包类型包括手持设备发出的 数据包、 协调器发出的数据包两部分。通过 ZigBee 网络由手持设备向协调器传送的数据包规定为以下 3 种 括号中为短消息类型定义 手持设备启动请示包 0 x10 带有系统硬件 IEEE 地址以及其它手持设备的相关信息。 手持设备定位信息包 0 x11 带有手持设备 的位置信息。 手持设备短信息信息包 0 x12 带有持有人 所发送的短消息内容。 通过 ZigBee 网络由协调器向手持设备传送的 数据包规定为以下 4 种 系统时间同步包 0 x20 带有当前系统的时 间信息。当协调器接收到手持设备启动请示包时发 送本包。 WiFi 唤醒包 0 x21 平时手持设备的 WiFi 模块处于休眠状态, 当需要使用 WiFi 网络时, 由本 条数据包命令唤醒 WiFi 模块。 定位信息请求包 0 x22 协调器请求手持设 备的位置信息时发出本包。 短信息信息包 0 x23 向手持设备发送的短 消息内容。 3 硬件设计 本安型标识卡结构如图 5 所示, 包括电源模块、 ZigBee 射频发射单元、 核心控制器三个部分, 核心 控制器 与 ZigBee 射频 发射单 元之间 采用串 口 连接[ 2]。 图 5 本安型标识卡结构 ZigBee 射频发射单元采用 Chipcon 公司生产 的 CC2430 [ 4] 作为主控芯片, 该芯片是符合 ZigBee 技术的 2. 4 GH z 射频系统芯片, 是现有最完善的 ZigBee 协议 的单 片解 决 方案 之一。它延 用 了 CC2420 的架构以及 2. 4 GHz ISM 波段应用对低成 本、 低功耗的要求, 并在单个芯片上整合了 ZigBee 射频前端、 内存和微控制器, 能够满足大多数低功耗 ZigBee 无线传感器网络的应用需要。 核心控 制器 采用 STC12C5410AD 单 片机。 ST C12C5410AD 具有高抗静电性、 宽电压、 不怕电 源抖动等特点; 具有低耗能工作方式, 可较简便地实 现掉电保护; 宽温度范围能够满足相对恶劣的井下 工作环境的要求[ 56]。 3 人员定位算法 根据具体的定位机制, 现有的无线传感器网络 定位方法可分为三类 基于测距的定位方法、 基于角 度的定位方法和位置估计定位方法。考虑到井下环 境的封闭性和特殊性, 矿山井下人员的定位不需要 类似于地面空间的三维定位。因此, 本文提出一种 符合矿山实际要求的基于一维线性空间的实时定位 方法。该算法基于线性定位的思想, 首先两个分站 分别发送 RSSI 值给对方, 再利用标识卡双向通信 的特点, 在分站处得到标识卡发射的 RSSI 值, 最后 通过一定算法得到标识卡与两个分站之间的实际 距离。 3. 1 信号衰落模型的建立 由于电磁场在井下巷道中的传递具有显著的多 径效应, 加上井下设备、 人员布局等因素的影响, 井 下巷道内的无线信号分布存在着衰落现象, 且这种 信号的衰落是随机和不可预测的 [ 7] , 因此需建立信 号衰落模型。 4工矿自动化2011 年 7 月 电磁场在井下巷道传递的过程中, 信号损耗主 要表现为路径损耗和附加损耗, 其中路径损耗是通 信损耗的 主要 方面。对 路径损 耗建 立如 下模 型[ 810] PL d P d0 - 10 ln d d0 1 式中 d 表示标识卡到目标综合分站的距离; PL d表示距离为 d 的信号衰减功率; d0表示标识 卡到参考综合分站的距离; P d0 表示参考综合分 站发射的信号功率; 表示路径损耗随距离增加的 速率。 从式1 可看出, 路径损耗主要受通信距离的影 响, 随着通信距离的增加, 路径损耗也随之增加。 3. 2 定位算法的实现 假定 A、 B 两个综合分站的发射功率分别为 PA、 PB, 两者之间的距离为 a, 标识卡 X 到 A、 B 的 距离分别为 DA、 DB, 分站 A、 B 之间的距离 D DA DB, X 的发射功率为 PX。建立如图 6 所示的 位置模型。 图 6 综合分站与标识卡的位置模型 由于标识卡具有双向通信功能, 因此, 标识卡 X 在定位周期内同时向分站 A 和分站 B 发送包含 RSSI 值的消息包。设分站 A 和分站 B 接收到的 RSSI 值分别为 PAX、 PBX, 则有 PAX PX- LXA2 PBX PX- LXB3 式中 LXA为无线信号从 X 传播到综合分站 A 的信号衰落; LXB为无线信号从X 传播到综合分站 B 的信号衰落。 根据信号衰落模型, 可得 LXA Pd0 - 10 ln DA d0 4 LXB Pd0 - 10 ln DB d0 5 设 PAB和 PBA分别表示在综合分站 A 和综合分 站 B 接收到的由对方发出的 RSSI 值, 则有 PAB PB- LBA6 PBA PA- LAB7 LBA LAB P d0 - 10 ln DB DA d0 8 式中 LBA、 LAB分别表示无线信号从综合分站 A 和综合分站 B 传到对方的信号衰落。 将式 4 、 式 5 代入式 2 、 式 3 , 得 PAX PX- Pd0 10 ln DA d0 9 PBX PX- P d0 10 ln DB d0 10 将式 8 代入式 6 、 式 7 , 得 PAB PB- P d0 10 ln DB DA d0 11 PBA PA- Pd0 10 ln DB DA d0 12 将式 9 与式 11 相减、 式 10 与式 12 相减, 得 PAX- PAB PX- PB 10 ln DA d0 - 10 ln DB DA d0 13 PBX- PBA PX- PB 10 ln DB d0 - 10 ln DB DA d0 14 由于分站和标识卡采用相同的发射模块和发射 功率, 所以 PX PB, 从而得出 PAX- PAB 10 ln DA d0 - 10 ln DB DA d0 15 PBX- PBA 10 ln DB d0 - 10 ln DB DA d0 16 用式 15 除以式 16 , 并根据 D DA DB, 综 合分站 A 和综合分站 B 可计算出 DA和 DB的值, 从而确定人员的具体位置。 4 结语 设计的基于 WiFi 和 ZigBee 的井下人员无线跟 踪与定位系统实现了井下人员的精确定位以及矿井 上下的实时通信, 使煤矿调度室中心可以更有效率 地监控工作现场, 及时地发现并处理所遇到的问题。 目前该系统已在冀中能源集团有限责任公司邢台煤 矿使用, 效果良好。 参考文献 [ 1 ] 郭韡, 李郴, 郑岚, 等. 煤矿井下人员定位系统的现状 和发展[ J]. 江西煤炭科技, 2008 2 3334, 36. 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College of Computer and Ination of Hefei University of Technology, Hefei 230009, China. 2. GOCOM Ination and T echnology Co. , Ltd. , Hefei 230088, China. 3. Changzhou Automation Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group Corporation, Changzhou 213015, China Abstract T he paper proposed a design scheme of signal transmission of mine locomotive based on leakage communication technology,and focused on how to send state ination encoded into DTMF signals of the locomotive to certain handset and display the state ination in text fast, accurately and realtimely through leakage communication plat.T he scheme realizes wireless transmission of locomotive signals, and can improve security of underground locomotive transport and safety management capability of underground locomotive deployment and transport.The actual application showed the feasibility and effectiveness of the scheme.