基于ZigBee的矿井无线定位系统

发布时间：2021-06-07

zigbee

2 1年第 6 00期

中州煤炭

总第 14 7期

基于 Zg e iB e的矿井无线定位系统张勇志’袁桂玲陈磊雷小平，, ,( .宁工程技术大学电气与控制工程学院，宁葫芦岛 15 0; .南质量工程职业学院， 1辽辽 2 15 2河河南平预山 4 70; . 6 0 0 3绩优科技 (深圳 )限公司，东深圳 5 8 0 )有广 1 0 1

摘要：矿井下环境十分复杂，有的通信方式不能及时提供井下作业人员的作业情况及动态分布等信息，煤现一

旦发生事故，将造成重大人员伤亡，难展开有效救援。因此，制新型的无线定位系统，有十分重要就很研具

的意义。设计了基于 Zg e iB e技术的矿井无线定位系统，决了井下的通信及定位问题。解关键词：井下； iB e无线传感器网络；N 3 Zg e; J 5l9中图分类号： 2 2. TP 1 9文献标识码： A文章编号：0 3—0 0 2 l 0 10 5 6( 0 0) 6—0 3 0 0—0 3

M i e W i ee sLo a ia i n S se s d o g e Te h o o y n r ls c l to y t m Ba e n Zi Be c n l g zZ n n z i Yu n Gu ln, e e, e a p n ha g Yo g h, a i g Ch n L i L iXi o i g i

( . e at e t fE gn e n n o t lLa nn eh i l n e i, uu a 1 5, h a 2 H n n Q ai 1 D p r n o n i r g a d C nr, i ig T cnc i r t H ld o 5 C i; . e a u l m ei o o a U v sy 21 0 n t y P lt h i, i dn sa 4 7 0, hn; . U— O T S e ze ) o, t, hn hn 5 8 0, hn ) o e n P n i h n 6 0 0 C ia 3 G I F ( h nh n C . Ld S ez e 1 0 1 C ia yc c g g S .Ab t a t: een io me to d rr u d c a n sv r o lc td, n h xsig me n fc mmu iai nc n n tb i l fe s r c Th v rn n fun eg o n o lmi ei e y c mp iae a d t ee itn a so

o n c to a o e t mey o r

d n mi iti ui n o no main a d wo k c n iin ft ewo k r . c hea cd n c ure i wo l a ec u e e v a u lis y a c d srb to fif r to n r o dto so h r e s On e t c ie to c r d,t u d h v a s d h a y c s at ea d b ifc l o iiit f cie rle . n e dfiu tt n t e ef tv eifThee )e,h e e o a e r fr te d v lpme fan w y e o r ls o ain s se sv r infc n . iee s i nto e tp fwiee slc t y t msi ey sg iia t W r ls o lc t n s se o n sd sg e n t i a e b s d o g etc oo y,o s le te mi eS c mmunc t n a d p sto ig. o ai y tm fmie i e in d i hs p p r, a e n ZiBe e hn lg t ov h n o o iai n o iinn o Ke ywo ds u deg o n ZiBe wiee s s n o t r J 3 r: n r r u d; g e; r ls e s rnewo k; N51 9

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

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。

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，旦出一现灾情，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，者提出了基于 Zg e 笔 i e B

2矿井 Zg e iB e网络的构建及硬件实现2 1 ZiB e网络的构建 . g e

工作人员作为 Zg e i e的终端节点，身携带 B随 R D设备 (用电池供电 )与上层的路由设备 F使， ( F保持无线联络。由于井下工作人员数量较 F

D)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，以采用网状可网络 ( eh组网，样可保证数据不丢失。在网状 m s)这

技术的矿井人员定位系统。

1系统功能 Zg e iB e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

网络的拓扑结构中，当其中某一个路由器 ( o t ) R ue r出现故障时，数据流选择其他的路由器或协调器则 ( o ria r进行数据流的传输。考虑到巷道较 C odnt ) o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P C机，监控终端可以实时获取井下工作人员的集在

在发生事故时可发挥重要作用，可对工作人员进也行 1常管理； 3既可对井下进行环境监测，可完成人也员定位任务。系统工作时，监控中心与终端可实现收稿日期： 0 0— 3—1 21 0 5

基金项目：宁工程技术大学优秀青年基金资助项目( 7 1 0 辽 0A3 )作者简介：张勇志 ( 9 0 )男，宁葫芦岛人，士，教，0 6年 18一，辽硕助 20

体信息。F D设备作为协调器，用有线电缆供电 F采方式，同时要设有备用电源，防止灾害发生时由于电

毕业于辽宁工程技术大学，现从事：自动化教学工作。矿

3 0

zigbee

21 0 0年第 6期缆中断而无法正常工作2 2网络的硬件实现 .

张勇志等：于 Zg e基 iB e的矿井无线定位系统。

总第 14期 7

分布在巷道的任意位置，与路由节点进行无线连并接用于数据传输。

井下无线通信网络硬件实现方式如图 1示，所其中 J 5 3 E d dvc N 19 n ei e节点由井下人员随身携带，为终端节点，布在各个巷道内，量可以很作分数多，时与上层路由 J 5 3 o t节点之间进行信实 N 19R ue r

( )锚节点” 2“由分布在各个巷道内位置固定的路由器节点组成，中锚节点与待定位节点之间采其

用无线通信方式进行链接和数据传输，各路由器而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。 ( )协调器”接收到的数据进行处理，后 3“对然

息的传递和接收，端 ( n ei )点彼此之间终 E d dvc节 e不能进行通信，能与上层的路由 ( otr节点进只 R ue )行通信。J 5 3 otr点可作为管理节点，布 N 1 9R ue节分在各个巷道内，要用于接收来自终端 ( n e主 E dd.

经 R .3 S2 2总线将数据输送到地面的监控终端，时实显示待定位节点(即工作人员 )的动态信息。3 2系统的软件实现 .

v e节点的信息并进行信息汇总， i ) c然后将收集并处理过的数据发送到协调器 ( oria r节点。在网 C odnt ) o

要想完成基于 Zg e iB e的无线定位系统的设计，首先要对 Zg e协议栈进行开发，体的开发流 iB e的具

络中可以根据需求来选择路由节点个数，其有效使地管理各个巷道。协调器节点的主要任务是对来自各 J 5 3 otr点的数据进行处理， R - 2 N 19 R ue节经 S2 3

程如图 3所示。该流程图适用于平面或空间定位方案，由节点和终端节点的个数由所选用的定位算路法来确定。图 1中的路由节点作为锚节点，置在设巷道内相应的位置，终端节点由井下工作人员随而身携带，而实现对节点的定位。从

总线传递到 P C机 (网络中该节点只能设置 1 )个。

图 1网络的硬件实现

3无线定位系统的实现图 3 ZiBe g e网络开发的流程示意

3 1无线定位系统的硬件实现 .

通过对 Zg e i e无线通信网络的构建及无线定 B位算法 L I研究，可设计出如图 2所示的无线 Q的便定位系统。计算机

要完成以上基于 Zg e i e网络开发的流程图的 B功能，要对协调器 ( oria r节点、由 ( ot需 C odnt ) o路 R u

e) r节点、端 ( n ei )点分别编写程序。以终 E d dvc节 e下是部分程序的说明：

旦]一

Zg e点初始化函数： iB e节P UBLC v i p od tr( od… I odAp C lSatv i

){HAL GDB—

。. .

●

:。●

:: ●一●

一微—,笱襦

—

I T( NI );

HAL—

B E K O N (;/网络参数信息进行设置 R A P I T )/对

J—SCo fg u 2 ZS n . 3 Ch n l W S i a ne= N—CHANNEL;D J—SConi . n d: W S PAN I; ZS fg ul Pa l 6 N—

—

通信的实现： ( )待定位节点” 1“即为井下工作人员随身携带的终端节点，于人员是不断流动的，此终端节点由因

un (/初始化出口调试 it );/}

协调器 ( oria r节点的 A I C o nt ) d o P函数说明：

zigbee

2 1年第 6 00期P B I o p C l t t )/初始化节点 U L C v i A p o Sa (;/ d d r J A v t t e ok )/启动网络 Z— Sa t r (;/ rN wv UART—

中州煤炭

总第 14 7期

JA v p epne )/完成 E dd v e点与相应 R ue Z—z R sos(;/ d n ei节 c ot r节点的绑定

pi l t )/启动 B S初始化协调器节点串口 r t i;/ nn ( O,

P VAT odv o ge e ()/对系统时钟进行初始化 RI E v i T glL d;/

4结语目前，内外已有的井下监控与人员定位系统国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，旦出现事故，难进行营救工作。因此，一很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 Zg e i e的 B矿井无线定位系统，技术先进，能完备，功具有很高的实际应用价值。参考文献：[]马力 .于 Zg e术的矿井安全生产监测网络的研究[ . 1基 iBe技 D]北京：京交通大学，0 8北 20 ..

b oC et i e(;/取闪动频率 B s ra T m r )/获 e P B I odJ A v p D矗 e a k (;/册任务加入网络 U LC vi Z— A p e n T s s )/注P LC vi Z v Kv Rep ne;/取 KVP数据帧 UB I odJ A— Af p so s ()/获PUBL C o I bo

l—

t Z— A K p bet )/ x其他节点发来的 A b f v O jc(;/￣ J

K P数据帧进行初始化处理 VP I T it Do Evn (;/理 L值 R VA E un8 My e t )/处 QIPUBLI o d s t s nd C v i e e——

c u t )/对传输次数计数进行设置 o n(;/c u t )/对返回传输次数进行计数 o n (;/

P UBL C od g t s n I v i e e d——

路由 ( otr节点的 A I数说明： R ue) P函P L C v i p C lSat );/点的初始化 UB I od A p od tr(/节 J S Sattc/加人 C odn tr网络 Z— tr ak:/ S o riao

J S it 2S s m:/议栈的初始化 Z—un 3 yt/协 _ e P B I o Z~ t k v n(;/下层节点加入网络 U LC vi J A Sa E e t )/将 d eP I T od S n D tT C odn tr;/向 C odn tr发 R VA E vi e d aa 0 o riao ()/ o riao

[] Z E G J L E M J Wi E 8 2 1 . m k bq i u l w r 2 H N , E . l I E 0 . 5 4 a e u iut s/ t n- lE o ek n e l y: ic s i n o oe t ll w p we,o i r t i g a r ai A d s u so n a p tn i o o r l w b t a e t a

送数据P UBLI od s t s n C v i e e d——

s n ad J .E EC mm nct nMaaie20 ( ) 1016 t dr[] IE o u i i gz,04 6:1-1 . a ao n

c u t )/对传输次数计数进行设置 o n(;/—

[]俞海 .于 Zg e技术的矿井人员定位系统研究与设计[ . 3基 iB e D]合肥： II.大学， 0 7合￣业 E 20 .

PUBLI od g t s n C v i e e d—

cu t )/对返回传输次数进行计数 o n (;/

[]谢晓佳，丽君，勇 .于 Zge 4程王基 iB e网络平台的井下人员跟踪定位系统[]煤炭学报，0 7 3 ( ) 8 -8 . J. 2 0,2 8:8 4 8 8 [] J 5 3 aase t O] ht:/ w .e nc

c r. 5 N 1 X D t h e[ L . t/ w w jn i.o p n[] S g n K w zeT, haY e a. n o r o a zt n ss m U 6 u a oM, a ao O t t 1 Id o cl ai yt — l i o esn S I me s r m e to r ls e s rn t w r a e n Z g i g R S a u e n fwi e s s n o e . o k b s d o i e

P UBLI b o C ol—

tJ A—AM S Z/ GObe t;/ jc ()/对 E d d vc和 n eie

Rur o t节点之间发送的数据帧初始化、理并重置全局变 e处量，同时可读取 L值 QI

终端 ( n ei )点的 A I函数说明 (复 E dd v e节 c P重的略 ):PI R VAT od S n D ttR0 tr();/ n d vc E vi v e d aa0 ue/ E d e ie节点向

Be t n a d I T e sa d r . AS ED n e n t n lC ne e c . n . 0 6. I t r ai a o f f n e Ba f 2 0 o

[] Jn i C roai t.N R 2 1一iB e p D v P f L .t 7 enc oprtnLd J— M-04Zg eA p eA IO J h o

R ue节点发送数据 o trI● l◆¨ {● h◆●◆◆●◆ i4 - lt●●● i● I●’◆◆ I● i i◆●◆●●

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(责任编辑：刘欢欢 )

(上接第 2 9页)起核心控制作用， J 1 1型本安 K SO输人输出模块为扩展模块，转接信号的作用，起K G 17 34远程控制箱起放大信号作用，动电 D一2/ -驱

4结语输送带气动纠偏装置可实时动态纠正输送带运

磁阀动作。