基于ZigBee的矿井无线定位系统

　煤炭工业是国民经济的基础，因此，煤炭行业的安全生产工作也得到了国家的高度重视。但是，由于各种原因，矿井下的安全事故仍会不断发生，而地面工作人员往往难以掌握井下人员的位置，一旦出现灾情，对被困人员的救援缺乏可靠的信息，而造成人员伤亡和财产损失。因此，实现煤矿井下的无线通信，准确获知井下工作人员的位置和数量具有十分重要的意义” 。为此，笔者提出了基于ZigBee技术的矿井人员定位系统。

　　1 系统功能

　　ZigBee的无线定位系统经济实用，工作可靠，可实现对井下工作人员的精确跟踪定位。该系统不但在发生事故时可发挥重要作用，也可对工作人员进行13常管理；既可对井下进行环境监测，也可完成人员定位任务。系统工作时，监控中心与终端可实现双向通信，即监控中心可以广播报警信号通知作业人员，作业人员也可以发送异常求救信号到监控中心 。

　　2 矿井ZigBee网络的构建及硬件实现

　　2.1 ZigBee网络的构建

　　工作人员作为ZigBee的终端节点，随身携带RFD设备（使用电池供电），与上层的路由设备（FFD）保持无线联络。由于井下工作人员数量较多，故路由器采用分区域设置。考虑到突发情况，为了避免节点出现故障而与网络断开，可以采用网状网络（mesh）组网，这样可保证数据不丢失。在网状网络的拓扑结构中，当其中某一个路由器（Router）出现故障时，则数据流选择其他的路由器或协调器（Coordinator）进行数据流的传输。考虑到巷道较深，故路由器之问采用无线电波接力的方式实现无线通信的连接。数据经协调器实时汇总后发送到PC机，在监控终端可以实时获取井下工作人员的集体信息。FFD设备作为协调器，采用有线电缆供电方式，同时要设有备用电源，防止灾害发生时由于电缆中断而无法正常工作 。

　　2.2 网络的硬件实现

　　井下无线通信网络硬件实现方式如图1所示，其中JN5139 End device节点由井下人员随身携带，作为终端节点，分布在各个巷道内，数量可以很多，实时与上层路由JN5139 Router节点之间进行信息的传递和接收，终端（End device）节点彼此之间不能进行通信，只能与上层的路由（Router）节点进行通信。JN5139 Router节点可作为管理节点，分布在各个巷道内，主要用于接收来自终端（End device）节点的信息并进行信息汇总，然后将收集并处理过的数据发送到协调器（Coordinator）节点。在网络中可以根据需求来选择路由节点个数，使其有效地管理各个巷道。协调器节点的主要任务是对来自各JN5139 Router节点的数据进行处理，经RS-232总线传递到PC机（网络中该节点只能设置1个）。

　　3 无线定位系统的实现

　　3.1 无线定位系统的硬件实现

　　通过对ZigBee无线通信网络的构建及无线定位算法LQI的研究，便可设计出如图2所示的无线定位系统。

　　通信的实现：

　　（1）“待定位节点”即为井下工作人员随身携带的终端节点，由于人员是不断流动的，因此终端节点分布在巷道的任意位置，并与路由节点进行无线连接用于数据传输。

　　（2）“锚节点”由分布在各个巷道内位置固定的路由器节点组成，其中锚节点与待定位节点之间采用无线通信方式进行链接和数据传输，而各路由器之问则采用无线电波接力的方式。最后路由器将收到所有信息汇总到协调器节点。

　　（3）“协调器”对接收到的数据进行处理，然后经RS.232总线将数据输送到地面的监控终端，实时显示待定位节点（即工作人员）的动态信息。

3.2 系统的软件实现

　　要想完成基于ZigBee的无线定位系统的设计，首先要对ZigBee的协议栈进行开发，具体的开发流程如图3所示。该流程图适用于平面或空间定位方案，路由节点和终端节点的个数由所选用的定位算法来确定。图1中的路由节点作为锚节点，设置在巷道内相应的位置，而终端节点由井下工作人员随身携带，从而实现对节点的定位。

　　要完成以上基于ZigBee网络开发的流程图的功能，需要对协调器（Coordinator）节点、路由（Rout·er）节点、终端（End device）节点分别编写程序。以下是部分程序的说明：

　　ZigBee节点初始化函数：

　　协调器（Coordinator）节点的API函数说明：

　　4 结语

　　目前，国内外已有的井下监控与人员定位系统不能及时提供井下人员的动态分布情况及作业情况等信息，一旦出现事故，很难进行营救工作。因此，了解井下工作人员的动态信息对于解决灾后的救援显得非常重要。针对该问题设计的基于ZigBee的矿井无线定位系统，技术先进，功能完备，具有很高的实际应用价值。