煤矿井下人员位置监测系统的设计

中文题目：煤矿井下人员位置监测系统的设计外文题目：DESIGN OF PERSONNEL POSITION MONITORING SYSTEM IN COAL MINE 共 53 页（其中：外文文献及译文共 13 页） 图纸共 2 张 完成日期 201 年 月 答辩日期 201 年 月董凤君：煤矿井下人员位置监测系统的设计 学生诚信承诺保证书本人郑重承诺： 毕业设计（论文）的内容切实、可靠，系本人在 指导老师的指点下，独立完成。如果存在弄虚作假、抄袭的情况，本人承担全部责任。学生签名：年 月 日 指导教师诚信承诺保证书 本人郑重承诺：我已按学校相关规定对 同学的毕业设计（论文）的选题与内容进行了指点和审核，确认由该生独立完成。假如存在弄虚作假、抄袭的情况，本人承担指导教师相关责任。 指导教师签名： 年 月 日摘 要 现如今，各级政府和相关部门都十分看重煤矿安全生产，矿井生产安全也成为了人们十分关心的问题。因此在地面监控中心监测井下人员的位置和信息，以及完成对下井人员的考勤和定位，对于煤矿企业的安全生产和效率的提高都显得尤为重要。 本文的设计是基于Zigbee技术的煤矿井下人员定位系统，首先对Zigbee技术进行了简单的介绍，采取在整个传感器网络系统使用CC2430芯片作为节点设计的核心处理器。之后给出了系统的硬件和软件设计方法和工作流程，最后，对本设计整体工作进行总结和期望。关键词：Zigbee技术；人员定位；无线传感器；CC24303董凤君：煤矿井下人员位置监测系统的设计Abstract Nowadays, all levels of government and relevant departments attach great importance to coal mine safety production, mine production safety is also a problem that people are very concerned. So the ground monitoring center in real time observation of underground personnel location and information to achieve attendance and positioning of underground workers, for improving the safety and efficiency of coal mine enterprise production is very important. Based on ZigBee technology underground coal mine personnel positioning system, first of all for the ZigBee technology was introduced, and in the whole sensor network system uses CC2430 chip as the core processor of the node design is discussed in this paper. After that, the hardware and software design methods and procedures of the system were given, and the work of the project was summarized.Keywords: ZigBee technology; personnel positioning; wireless sensor; CC24301目录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 课题背景11.2 设计主要内容11.3 命题发展状况21.4 课题设计的实际价值和理论意义22 ZiegBe技术32.1 ZigBee无线网络的构成与拓扑结构32.2 ZigBee技术的特点和协议架构62.3 ZigBee与其他无线通信方式的比较62.4 ZigBee与RFID技术的比较72.5 ZigBee技术的应用场合82.6 本章小结93 系统主要组成103.1 系统总体构成103.2 工作原理及各部分功能简介103.2.1 工作原理103.2.2 各部分功能介绍113.3 定位算法研究123.3.1 接收信号强度RSSI测距123.3.2 三边测量法123.4 本章小结134 系统硬件电路设计144.1 ZigBee方案的选择144.2 CC2430介绍144.2.1 芯片主要性能特点144.2.2 CC2430典型应用电路164.3 各节点的硬件设计164.3.1 网关节点硬件设计174.3.2 参考节点硬件设计194.3.3 定位节点硬件设计194.4 天线模块的设计214.5 本安电源选择234.5.1 本安防爆及其电气设备简介234.5.2 本安型电源方案的选择255 系统软件设计275.1 软件构架275.2 终端服务软件275.2.1 定位管理系统功能模块285.2.2 定位跟踪程序简介285.2.3 基本选项及设置295.2.4 人员考勤报表325.3 节点及其他程序设计335.3.1 各节点设计335.3.2 识别卡(CC2430)软件设计355.4 本章小结366 结论37致 谢38参考文献39附录A 英文文献41附录B 译文48 1 绪论1.1 课题背景 煤炭是世界上储量最多、分布最广的常规能源，也是最廉价的能源。目前中国探明可直接利用的煤炭储量1886亿吨，人均探明煤炭储量145吨，亿吨资源量共计1万亿多吨我国是一个多煤少油的国家，已探明的煤炭储量占世里煤炭储量的33.8%，可采量位居第二，出口量位居世界第二位，我国煤炭探明储量仅可以供开采100年。我国煤炭1000米以浅保有储量约1万亿吨，其中探明可采储量1145亿吨。 在中国煤炭生产主要来自于井下开采。但是煤矿井下开采作业相对其他职业来说是危险系数非常高的一项职业，在我国更是如此。目前煤矿安全生产的形势更是不容乐观。矿井安全问题则一直是大家普遍关注的问题。2007年我国的煤矿百万吨死亡率为2.035，这个数字是发达国家百万吨死亡率的60倍。这不仅仅给人民群众造成了巨大的痛苦，使国家财产遭受损失，同时也会增加社会不稳定因素。煤矿事故产生的原因主要是由于矿井下的易爆、潮湿等等一些因素。煤矿的安全生产关系到人民群众的生命和财产的安全，但是目前许多煤矿仅仅通过统计矿灯的使用情况，来推知井下人员人数的大概情况。也无法知道井下人员的详细位置。如果需要寻找某个人，可能有很大的困难。另外对一些限制进入人数的危险地段无法进行即时的人数检测，这些都会煤矿平时的管理工作增加了困难。另一方面，因为煤炭开采都是以井下为主，而且随着采矿作业工作面范围不停扩大，采矿作业井巷不断加深，巷道能够长达数十千米，掘进工作面或采煤工作面分布区域广，矿井生产工序多，作业地点比较分散，人员流动性大且工作环境恶劣。在矿井事故发生后，必须立刻根据当时的情势，对井下的工作人员进行紧急营救。但是通常因为事故发生后井下的电力系统均被切断。矿井中现有的许多依靠有线系统传输信号的定位设施均不能发挥作用。而且由于井下的地 型复杂，条件恶劣等多种原因导致营救人员往往无法确定井下受困人员的具体人数及其分布的具体位置。这就给营救工作带来了的困巨大难。所以煤矿的井下安全问题不容小觑，生产是煤炭企业效益的保障，更是煤炭企业持续健康发展的重要条件处理这个问题已经迫在眉睫，刻不容缓。1.2 设计主要内容 该文主要设计煤矿井下人员定位系统。整个系统由三级设备组成:他们分别是是身份码发送器、身份码监测站以及地面主机。即所有井下人员都配备有一个随身携带的身份码发送器，根据井下身份码监测站的需要，随时发送自身的身份编码信息。根据实际情况在井下巷道设置若干身份码监测站，通过它来收集整个井下人员的信息。每个身份码监测站把收集到的人员信息通过现场总线传送至地面调度室的主机。通过系统软件的分析处理，在计算机屏幕上实时的显示井下人员的分布情况。1.3 命题发展状况最近几年来，煤矿井下人员定位系统己经成为众多公司所研究的重点和热点之一。目前，国内有不少安全设备生产企业都在从事煤矿井下人员定位系统通信识别技术的煤矿井下人员定位系统，并且己经有多家企业的设备取得了“安标”许可证准许下井。但是，目前在国内煤炭企业己经实际应用的煤矿井下人员定位系统基本上全都采用了RFID技术但是使用效果不佳。 目前在我国各煤炭企业中对于矿井人员监测系统的使用情况是:国外研制出的产品由主要针对露天煤矿，而且其销售和维护的成本太高，不适宜在国内推广使用。而且国内研制的定位系统多数都采用了有源RFID技术，这种技术存在一定缺陷，己经不能满足煤矿井下生产科学化、管理智能化的客观要求。同时随着无线通信技术的不停快速展开，RFID技术的缺点和不足不断地展示出来。人们需要一种新的技术来适应煤矿井下无线通信这种特殊的环境。 ZigBee无线通信技术具有能量消耗低、通信范围较小的优点。它主要适合应用在功耗要求低、数据传输率不是很高而且传输距离不是十分远的场合。而且Zigbee技术最大的优点那就是节能，省电。通过实际测试证明，如果采用Zigbee技术，系统在井下可以通信而且状况良好，通信距离能达到300多米。因此，目前国内也有许多公司正在研制开发基于ZigBee技术的无线通信系统。1.4 课题设计的实际价值和理论意义 以ZigBee技术为基础，设计煤矿井下人员定位监测系统，可以满足现代化矿井的安全监控要求，在日常生产中可以让地面的生产管理人员随时知道井下情况，解决地面管理人员对井下作业人员视野盲区的弊病。解决了对井下人员和设备的有效调度和分配的问题，从而在整体上提高工作效率。也提高了井下作业人员的反应能力，抢救人员也可以及时的获得受困工人准确的位置信息，从而提高抢救工作的成功率，抢救工作才能保证及时而又防止误伤矿工。这样就提高整体管理监测水平。能为煤矿的生产和安全管理发挥极其重要的作用，因此也具有重要的社会意义。2 ZiegBe技术 ZigBee技术的名字来源于蜜蜂的通信方式，蜜蜂之间是通过跳zigzag形状的舞蹈来相互传递信息，以此来共享食物源的方向、位置、数量等等信息。这种舞蹈是一种小动物通过简洁的方式来实现沟通。 ZigBee是一种短距离、低速率、低功耗、低成本和低复杂度的无线传输技术，它工作时无需注册2.4GHz ISM频段，传输速率为l0mb-250kb/s，传输距离为15-75米。ZigBee技术的出现弥补了无线通信市场上低成本低功耗设备领域的空缺，ZigBee技术深入到人类生活的各个领域将成为未来发展的必然趋势。2.1 ZigBee无线网络的构成与拓扑结构在ZigBee无线网络中，无线传感器节点执行数据采集、处理和通信等工作。根据每个设备所具有的通信能力，可以将其分为全功能设备(full-functiondevice,FFD)和精简功能设备(reduced-function device ,RFD )FFD之间以及FFD和RFD之间都可以相互通信。 ZigBee网络将FFD和RFD这两种物理设备在逻辑上定义成三种设备，分别是ZigBee协调器(ZigBee Coordinator), ZigBee路由器(ZigBee Router)和ZigBee终端设备(ZigBee End Device ) 。 ZigBee协调器，在3种设备类型中最复杂的一种。它的存储容量最大、计算能力最强，因此必须是全功能设备，并且一个ZigBee网络只能拥有一个协调器。 ZigBee协调器负责发送网络信标，确定个人域网标识符(PAN Identifier)和网络工作的信道以及16位地址的分配等。 ZigBee路由器是一个全功能设备，IEEE802.15.4标准所定义的协调器。它在接入网络后就获得一个16位地址，可以在其通信范围内的其他节点加入或者撤离网络，具有路由和转发数据的特点。 ZigBee终端设备可以由简化功能设备或者全功能设备构成。它只可以与其父节点通信，并且可以其父节点处获得网络标识符、短地址等相关的信息。ZigBee网络的拓扑，支持星型(star)结构、网状(mesh)结构以及簇型(cluster tree)结构。星型网络是由一个协调器节点(coordinator)和一个或多个终端设备节点(FFD或RFD)组成。ZigBee协调器负责控制整个网络控制，没有其它ZigBee路由节点，ZigBee终端设备直接与ZigBee协调器通信，ZigBee终端设备间的通信则需通过ZigBee协调器来转发。在星形网络中，所有的ZigBee终端设备都只与ZigBee协调器通信。当某个ZigBee终端设备传输数据到另一个设备时，它就会把数据发送给ZigBee协调器，之后通过协调器将数据转发到目标接收器终端设备。星型网络是最简单的拓扑结构，但是因为通信范围有限，主要用于家庭简单网络，如图2-1所示：图2-1 ZigBee 星形拓扑图Figure 2-1 ZigBee star topology 和星型网络相比，簇形网络中增加了一个角色路由器，路由器由通常全功能设备担当，它的主要功能是扩大网络的物理覆盖范围。路由器采用分级路由策略，当骨干网络中有路由节点瘫痪，则相应区域就进入通信瘫痪状态。簇型网络的通信支持信标模式，使网内节点能做到很好的同步，便于终端节点定期进入体眠状态，降低功耗，延长网络寿命。在簇形网络中，如果没有网络连接关系的节点是不能直接通信的，全功能的端节点也不行，如图2-2所示：图2-2 ZigBee 簇形拓扑图Fig.2-2 ZigBee cluster topology 如果规定在簇形网络中，只要在通信范围之内，所有的全功能节点相互间都能通信，那么就构成了网状网络。在网状网络中，由于网状网络是完全对等的点对点通信，路由器不发送信标，但是有多种路由可供选择。这提高了网络的容错性，也使得网络中节点很难做到同步。在网状网络中，信息传递有更多的路由选择，算法也更加复杂。网状网络可以采用多跳的传输方式增大网络的覆盖范围，所以更加适用在大规模的工业监控网络。网状拓扑图如图2-3所示：图2-3 ZigBee 网状拓扑图Figure 2-3 ZigBee mesh topology 不难看出，所支持的三种网络，实际上就是在前者的基础上逐级扩展功能和增大网络规模。目前ZigBee协议中，星形结构及簇形结构己经有了完整的支持，而网状网络的组网路由协议，在ZigBee网络层中并没有给出，这样也可以为用户留下更大的空间，以便根据自己需求灵活采取自己的组网方式。 然而对于本系统，节点的类型不是在网络建立后动态确定的，是在网络建立之初就己经决定好了。即通过程序烧写器将节点的类型程序写入芯片的CPU，从而固定了该无线节点的设备类型。采用固定节点类型的做法，可以降低拓扑算法的复杂度，减少数据传输时延，利于对网络进行管理和维护。并且，由于网络节点的类型可以事先确定，因此可以根据不同的煤矿环境特点，灵活选择不同数量种节点的组合，达到较好的监测效果。 在煤矿实际生产中，考虑到矿井巷道地形狭长的特点，可将预先决定好的定位分站依地形沿矿灯照明电路线路布置。为形成数据传输冗余，也可以增加节点数目布置在同一列中的定位分站受巷道地形的限制距离较近，可形成数据传输的冗余路径。同时也只有相邻的定位分站之间可以通信，从而可在最大程度上延伸网络的监测范围。定位分站的距离设置得当，在延伸网络范围的同时，要尽量保证每个分站周围都有较多的可通信的邻居分站，以增加网络的冗余路径。骨干网主要任务是将传感器节点采集到数据传输到协调器，因此构成骨干网的路由器节点的数量不是需要很多，只要保证网络覆盖范围和连通性就可以了。2.2 ZigBee技术的特点和协议架构 ZigBee技术特点包括以下几方面。 （1）可靠：采用碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专业时隙，避免了发送数据时的冲突；节点模块之间具有自动动态组网的特点，信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行信息传输，从而保证了信息可靠性。 （2）时延短：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都很短。通常时延都在 1030ms 之间。 （3）网络容量大：可支持高达 60000个节点。 （4）安全：ZigBee 提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用通用的AES-128。 （5）数据传输速率低：只有 10250KB/s，专注于低传输应用。 （6）功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是 ZigBee 的支持者一直引以为自豪的独特优势。 2.3 ZigBee与其他无线通信方式的比较 目前在地面上常用的有很多无线通信技术，例如基于基站的GSM技术、CDMA技术和ZigBee技术等。但是实践证明，GSM技术、CDMA技术在矿井下都无法进行正常通信。在技术纷呈的短距离无线通信领域中，ZigBee技术的主要竞争对手就是来自W LAN标准的基于IEEE802.11.b协议的Wi-Fi ( Wireless Fidelity，无线高保真)协议的和同样处于W PAN标准的基于工EEE802.15.1协议的蓝牙(Bluetooth)技术。除此之外还有一些专用标准(如Ad hoc网)的产品。一些公司为开拓市场和应用领域，也在积极的研究和制定一些新的无线组网通信技术标准，如无线USB、超宽带通信UWB和W工Max等技术标准。下面介绍几种常见技术并针对无线传感器网络的应用进行相关比较。 Wi-Fi是一种无线通信协议，Wi-Fi技术是目前非常流行的无线局域网技术，它有较高的传输速率，普及的范围比较广。但是，Wi-Fi技术相比ZigBee技术，其在功耗、价格等诸多方面都存在着明显不足。由于Wi-Fi技术优异的带宽是以大功耗为代价的，因此大多数的便携Wi-Fi装置都需要进行常规充电，也限制了它的应用。 蓝牙技术由爱立信、诺基亚以及工BM等公司在1998年率先推出。蓝牙的出现曾经一度被业界看好，然而其价格一直居高不下，并且其技术规范较为繁琐，传输距离也受到了一定的限制。目前主要应用于无线耳机等不需要高传输带宽的领域。ZigBee技术的出现，使蓝牙技术在功耗、价格和网络容量方面更是显得力不从心。与蓝牙技术相比，ZigBee技术的传输速率要低一些，但ZigBee技术的待机功耗要比蓝牙的功耗低下面将目前工业中最广泛应用的ZigBee技术，蓝牙技术，Wi-Fi技术等无线网络标准进行了性能上的比较，具体的比较结果如表2-1所示：表2-1 无线网络标准性能的比较表Tab. 2-1 comparison of standard performance of wireless network技术名称Wi-Fi/802.11bBluetooth/802.15.1ZigBee/802.15.4主要技术领域电脑联网、上网、视频图像电缆替代品监测和控制系统资源1MB250KB4KB-32KB网络大小327255/6500速率/kps11,00072020-250传输距离/m1-1001-1010-75通讯频道/Hz2.4G2.4G868M/915m/2.4G电池寿命/天0.5-51-7100-1,000网络类型星型星型星型、簇状 我们从表2-1中可以看低成本就是ZigBee技术的优势，而这正适用于煤矿井下巷道多曲折、多风门等特点，电源供电限制要求严格、煤炭行业资金短缺等各类问题。2.4 ZigBee与RFID技术的比较 目前己经在国内实际中应用的煤矿井下人员定位系统基本上全都采用RFID技术，即射频识别技术，RFID技术通过在矿井进口处和矿井内的关键通道口处使用射频卡读取的方法对下井人员进行登记记录和人员查找。但是，RFID技术也存在一下一些问题:（1）射频卡读写系统读写距离有限，通常用于上下矿井人员的考勤纪录，不能动态显示井下人员即时的具体位置；（2）射频卡读写系统使用的频率较低，而且抗干扰能力不足，时有读卡器或射频卡死机的情况出现；（3）如果使用远距离射频卡系统，读写器价格较高；（4）射频卡的功耗大，对电池供电要求高；（5）RFID技术的无线频段的波长相对较长，更容易被煤层吸收，所以通讯距离较短。而且无线通信易受到工业信号(甚至人体谐波)的干扰；（6）传统管理系统由于采用的RFID技术的保密性很低，所以基本不具备抗击外界恶意攻击的性能，很容易造成系统瘫痪。 如果使用ZigBee技术就可以改善和提高这种情况，其中对ZigBee技术和RFID的技术参数进行了用有源RFID技术。所以表格中列出的RFID 技术的上述不足。如表2-2所示：表2-2 ZigBee技术与有源RFID技术的比较Tab.2-2Comparison between ZigBee and active RFID TechnologyZigBee有源RFID读写器成本低，几百元左右高，一万元左右有效距离/m10-751-15传输速率/pbs250k64K采用协议802.15.4通讯频道/Hz2.4G13.6M信息量存储空间小，16B-2KB存储空间大，64KB实用性体积小，使用安装简单体积较大，不易安装双向通信能力不都具备具备 通过上表的比较我们可以看出，传统人员管理系统所采用的有源RFID技术，不适合现有煤矿的生产情况，不能实现智能化管理。而ZigBee技术相比之下具有低成本、安全可靠、等多种功能，所以在煤矿井下人员定位系统中采用ZigBee无线网络系统作为通信平台。2.5 ZigBee技术的应用场合 ZigBee在未来的几年中将在工业无线定位、家庭网络、汽车自动化、楼宇自动化、医用设备控制等多个领域具有广泛的应用前景。 在工业领域：利用传感器 ZigBee 网络，使得数据的自动采集、分析和处理变得更加方便快捷，并期望可以作为决策辅助系统的重要部分。 在汽车领域：主要应用与传递信息的通用传感器。很多传感器只能内置在飞转的车轮中，例如轮胎压力监测系统，这就要求内置的无线通信设备使用的电池有较长的寿命，同时应该能克服嘈杂的环境。 在精确农业领域：传统农业主要使用孤立的、没有通信能力的机械设备，主要依靠人力监测作物的生长情况和环境，但是当采用了 ZigBee 网络后，农业逐渐地转向以信息和软件为主要生产模式，更加高效率。2.6 本章小结 本章通过对ZigBee进行的相关介绍，介绍ZigBee无线网络、构成、及其拓扑结构。并且通过ZigBee技术与蓝牙、Wi-Fi等其他常用无线通信技术进行了比较，还将ZigBee技术与RFID技术进行了对比，分析各自的优缺点，从而总结ZigBee技术的优势及实际应用的竞争力。说明系统使用ZigBee技术的可行性。最后总结了ZigBee的应用多领域及发展前景。3 系统主要组成 3.1 系统总体构成 井上地面部分主要包括定位系统终端计算机和具有数据传输和转换功能的转换器，转换器在信息处理等方面具有重要作用。井下的设备主要由网关节点基站、参考节点、定位节点组成，采用簇树状拓扑结构布线，其中中继器具有增大无线网络传输距离和调整传输信号的作用。本系统的传输方式结合使用光纤有线网络和zigbee无线网络，井下的无线zigbee子网负责定位信息的采集，zigbee子网的网关节点汇总信息后，通过矿用光纤将信息传送到地面终端计算机系统，此传送方式转变为有线的。该系统的构成如下图3-1所示：图3-1 系统结构图Fig.3-1 system structure diagram3.2 工作原理及各部分功能简介3.2.1 工作原理 无线基站在矿井中安装完成之后，通过将参考节点的位置坐标存储在地面终端计算机中。系统上电之后系统各组成部分和各节点会自动组成无线传输网络，井下人员随身携带的移动终端部分发送无线定位信息，参考节点收到后加上本身的ID和RSSI信息后，之后通过Zigbee网络转发给网关部分，网关部分再通过矿用光纤发送给地面的计算机监控系统，根据RSSl信息及己知的参考节点的坐标信息和定位算法，终端计算机接收到数据之后进行处理和分析完成各种任务，各部分功能具体如下。3.2.2 各部分功能介绍 地面监控计算机作为整个系统的管理和控制者，在整个人员定位系统的运行中发挥着重要的作用，通过与相关的定位软件配合可以对井下上传的各种数据和信息进行汇总处理，实时显示井下人员的定位状况，另外井下作业信息可以通过因特网传给相关部门，供存储和查询使用。井下部分由Zigbee子网、光纤以太网和电源等部分组成，各组成部分主要性能如下： Zigbee子网部分：如上图所示，本系统利用装载在工作人员和设备上的Zigbee终端移动模块进行实时定位，在井下每隔一段距离就要覆盖一个Zigbee子网，按逻辑功能划分其主要组成部件为：网关(协调)节点：网关节点是一个Zigbee组织者，是协调器的作用，接收来自参考节点的数据，把定位节点坐标及其他参数通过有线或无线的方式发送给地面PC机。其数据采集和传输使用以光纤以太网技术组网的有线网络和以zigbee技术构建的无线网络相结合的组网方式。参考(路由)节点：从功能划分为全功能设备，它的位置由用户提前自行设定，在系统中负责与终端定位节点和网关之间的通讯，一方面将自身信息传达给终端定位节点，另一方面将定位节点发送的信息送往网关。定位(移动)节点：移动定位节点为Zigbee网络的精简设备，井下人员身上携带的定位节点将根据已设定的参考节点位置值算出到自身到各临近参考节点的距离值，并把该信息发送给上一级的参考节点供使用。 光纤以太网部分随着科学技术的发展，光纤的成本在不断下降，光纤通信就是使用光信号为介进行传输。这种信号传输方法不仅损耗低，而且工作性能安全可靠，非常适用于煤矿井下易燃易爆的环境。 本系统选用外层具有保护钢索和套管的单模矿用光纤。光纤以太网技术是将光网络和以太网融合与一体的技术，亦融合了二者具有的传输可靠、易于与因特网连接等的优势。在井下数据通信中应用光纤以太网络，提高了系统的通信速率。 电源部分 由于井下可燃性的气体和粉尘含量相对较高，因此本系统使用防爆稳压电源。该电源一方面可以将井下非本安交流电转换成本安低压直流电，另一方面在煤矿电力供应不足时能够自动启用蓄电池装置对系统进行供电，使用安全可靠。3.3 定位算法研究 本系统采用RSSI定位技术，当目标节点主动发送数据到Zigbee无线定位网络之后，会通过对各已知节点之间距离间接计算所需求得的未知节点的位置。3.3.1 接收信号强度RSSI测距 该算法是将信号的传输损耗转化为距离，再选择其中三个有效距离，并以这三个距离为半径分别做圆，则这三个圆的交点就是所求的位置。基于井下的网络环境以及成本和功耗等的方面的考虑，该系统采用基于接收信号强度(RSSI)指示的定位方法。 接收信号强度(RSSI)法是通过计算信号在传播中的衰减来计算节点之间的距离的测距的一种方法。根据接收到的信号强度值就可以估计计算出发射端与接收端之间的距离d该距离一般服从如式 (3.1）所示的数学模型： (3.1)式(3.1)中，为参考距离，其上限值4，下限值1；d为发射和接收两点之间的距离;n是衰减因子;为均值为0的随机变量，且服从高斯分布，其大小由周围所处环境决定。是以为参考距离的信号发射强度，其值已经知道。是在d处的接收功率，所以通过这种测量方式就可以计算出未知节点与己知参考节点之间的距离d，再根据三边测量法进而确定未知节点的具体位置。3.3.2 三边测量法 三边测量法是依据三角形的几何性质和代数性质，通过计算来确定对象的位置。算法的原理是每个节点通过一个互相交叠的环形区域来确定它所在的可能区域。如图3-2所示，己知A, B, C三个节点的坐标分别为，以及它们到未知节点D的距离分别为，设定节点D的坐标为。图3-2三边测量法图Fig. 3-2 three edge method那么存在下列公式: （3.2）由式3-2可以计算出节点D的坐标为： 3.4 本章小结 本章主要通过对井下人员定位系统的主要结构部分进行了概述，采用有线通信与无线通信相结合的方式，选择使用集成无线模块和矿用光纤通信相结合的方法，由矿工所携带的移动定位终端定时发送信息，经上位机定位计算之后确定出矿工的具体位置。之后提出了一种基于RSSI的对距离测量的算法，该算法提高了系统的定位精度。4 系统硬件电路设计4.1 ZigBee方案的选择目前提供Zigbee芯片的厂商特别多,方案主要有以下几种：（1）Zigee芯片内置协议栈加通用微处理器。如EM260、CC2480。（2）Zigbee芯片加上指定微处理器如CC2420CC2520+MSP430。（3）ZigbeeSOC单芯片。如Zigbee专用芯片CC2430CC2431、MCll3224、MCl3213等。在上述三种方案中，和前两种芯片相比单芯片全集成(SOC)具有以下优势：（1）SOC芯片为单集成芯片占用的PCB面积小，设计复杂度低，电路可靠性高，抗干扰能力强，所需成本低。（2）SOC集成芯片可以更好的满足系统对低功耗的需求。（3）开发环境性能稳定。CC2430芯片内核为增强型805l微控制器，在一般嵌入式开发中被广泛的使用，故对CC2430芯片平台更加易于掌握和进行快速开发。（4）SOCCC2430芯片支持免费的ZStack协议栈。综上考虑，本文选择用CC2430SOC芯片进行ZigBee无线模块的开发。4.2 CC2430介绍4.2.1 芯片主要性能特点 CC2430系统芯片采用CMOS解决，符合了IEEE802.15.4和Zigbee标准的要求，其内部核心器件为使用频率为2.4GHZ的射频收发器(RF)、内存和8051MCU。在整个芯片上使用3264128KB可编程flash、8KB的RAM、一个8位微控制器(8051)，还集成了AES128安全处理器、模数转换器等等功能模块，因此仅需很少的外围电路。该芯片接收时灵敏度高、传输快，采用低电压供电(2.0V到3.6V)且功耗低，并且休眠之后苏醒所用的时间很短，所以适合本系统井下设备电池要求寿命长的特性，其内部结构组成如图4-1所示：图4-1 CC2430内部组成示意图Fig.4-1 CC2430 internal component diagramCC2430芯片的主要特点如下：（1）其内部的8051微控制器核具有高性能和低功耗的特点。（2）内部的无线电收发机采用直接序列扩频通信，且符合IEEE802.15.4标准要求。（3）休眠模式和待机状态下的电流损耗值分别为0.9A和不大于0.6A,且能够被外部中断唤醒。（4）硬件支持载波侦听兼多路访问冲突避免(CAMA/CA)功能，内部无线电收发机采用直接序列扩频通信方式，且其硬件层、物理层与ZigBee802.15.4全兼容，可以有效的避免数据冲突。（5）内部硬件支持RSSILOI功能。（6）模数转换功能最多可支持14位的数据。（7）采用7mm7mmQLP封装。（8）带有2个强大的USART，1个常规的16位计时器，1个符合IEEE 802.15.4的MAC计时器和带有2个8位计时器。（9）性能稳定和灵活的开发环境。4.2.2 CC2430典型应用电路 图4-2 CC2430芯片图CC2430chip 综上介绍，采用CC2430芯片作为传感器网络节点的核心器件需要另外搭设的外围电路比较少，而且其体积小、成本低，经济实用，能够更好的实现该井下人员定位系统中对数据采集、传输和数据处理功能的要求。4.3 各节点的硬件设计 对于井下人员定位系统主要组成部件从模块上可分为网关基站节点、已知参考节点和终端移动定位节点三部分。4.3.1 网关节点硬件设计 网关节点固定部署在煤矿巷道中，在整个网络中充当协调器的主导核心作用。网关节点通过串口与地面计算机系统进行相连，并采用无线通信的方式与其他逻辑节点进行数据通信。在信息传输时，一方面网关节点在接收到地面控制中心的数据后将数据信息存储到相应的区域，并通过无线方式传输给参考节点和末端的定位节点；另一方面，“网关节点同时也承担路由节点的角色，当定位节点发出存在信号，且网关节点收到该存在信号时，网关节点将存在信息加上自己的地址信息，并将此信息通过矿用光纤传送到上位计算机。 本系统网关的硬件体系结构如图4-3所示，主要包括CC2430模块、无线部分、通信转换部分和电源等。因为网关设备是整个Zigbee网络的核心部件，因为需要长时间运行，所以不能采用独立便携的电池供电，所以采用外接矿用隔爆兼本质安全型不间断电源箱来为设备基站提供电能，可较好的满足系统要求。图4-3 硬件体系结构图Fig. 4-3 hardware architecture diagram（1）接口模块设计：接口模块用于射频芯片与计算机间的通信。因为本设计中使用RS232串口与上位机进行通信，所以，我们需要用MAX232将RS232电平转换成为TTL电平。则其数据通信转换接口电路如图4-4所示：图4-4 接口模块电路图Fig.4-4 interface module circuit diagram在图4-4串口连接电路，MAX232的第10端口与CC2430的P1.2端口相连，第9端口与CC2430的P1.3端口相连。RS232的2端口为数据接收端，接收数据时CC2430先接收数据信号，然后通过MAX232将TTL电平转换为RS232的标准电平，然后送入上位机中；RS232的3端口是数据发送端，发送数据是接收数据的逆反过程。（2）网关键盘部分的电路设计：图4-5网关键盘电路图Fig.4-5 gateway keyboard circuit diagram 网关节点做为Zigbee系统协调器，该键盘部分又提供了S2、S3、S4、S5上、下、左、右4个方向键，S1和S6为功能键，其中S1键有确定输入参数的功能，S6键功能为从当单返回上一级菜单或忽略当前输入的参数。4.3.2 参考节点硬件设计 参考节点分布于各个工作面以及各个岔路口处，它的布置密度与定位精度有很大关系，为了使定位更加精确一般在巷道中每隔40m的距离放置一个参考节点定位器。其大小约为15c ml0cm，而且只能和其邻近节点进行通信。系统管理人员在部署参考节点时为其进行编号和提前给出其坐标地址，并将该编号和坐标地址信息存于上位机的管理系统软件中。而且Zigbee子网的组成来划分，而参考节点作为终端定位节点的父节点，在信息的传递过程中起着路由跳转的功能。该节点主要由主处理器CC2430、无线部分和本部分亦采安电源及管理模块等组成，如4-6所示。同网关节点相似，本节点电源用本安电源管理模块。图4-6参考节点结构框图Fig.4-6 reference node structure diagram4.3.3 定位节点硬件设计 本系统的定位通信模块置于井下人员的矿帽中，大约2cm2cm大小，用于携带它的工作人员的定位。在人员下井之前将该人员的姓名等个人信息与定位终端芯片的永久地址相对应，其发出的定位信息被参考节点定位基站的Zigbee模块接收以后继续上传到网关部分，网关部分通过矿用光纤上传到地面终端计算机。这样，当地面的煤矿人员定位系统接收到网关节点传来的定位信息时，能够通过所记录的永久地址与井下人员信息的匹配性来了解井下人员的具体情况信息。井下定位模块主要由微处理器CC2430、语音部分、无线部分、终端按键及显示部分和本安电源及管理等部分组成，其组成如图4-7所示。考虑到移动终端需要携带方便的原则，加上井下环境具有易燃易爆的特殊性，该部分由本安锂电电池进行供电，该电池与限流限压装置封装一体。图4-7终端定位节点结构框图Fig. 4-7 terminal positioning node structure diagram（1）电源模块设计: 由于定位终端需符合有体积小、重量轻以及便于携带的特点，而电池的体积和重量等因素直接关系到该终端的性能，而体积小、重量轻、环保性和安全性高以及对环境污染小的锂电池备受青睐。本系统移动终端选用上海申诗电池科技有限公司生产的1000mah的锂电池。由于CC2430芯片最高的输入电压为3.6V，为了提高芯片的安全性能和得到稳定的电源输入，在电源输入之前加上一个线性稳压电路，本文采用TPS7333Q作为主器件输出3.3伏稳定的电源为CC2430供电。 TPS7333Q为TPS73敞系列的一款微功耗低电压稳压器，其输入电压范围广泛，从0.3V-11V都可以，采用TSSOP封装，输出电压3.3伏，允许误差3，在电池供电设备、通讯设各、音频视频设备中有广泛的应用。该稳压器采用PMOS技术有效的降低了压降和静态电流，电源模块原理图如下图4-8所示，为了增强器件的稳定性和较好的抑制噪声，在输出端和地线之间需要分别连接10uF和0.1uF的电容来提高电路的性能。图4-8 电源管理模块接口电路图Fig. 4-8 power management module interface circuit diagram（2）语音模块 该语音模块采用独立的NV020语音芯片。NV020系列智能语音芯片是广州市九芯电子公司开发的智能语音产品，其语音时间长度分别为10秒、20秒和40秒。NV020芯片具有强大的可编程功能，且可选控制方式多种多样，可编程语音合成技术，真正具有高音质和低噪声的特点。（3）显示部分 终端模块显示部分如图4-9所示。其中S1和S2分别为注册和救援按键，分别用于下井时发送确认下井信号和救援信号。发光二极管也有两个，分别用于指示设备正常工作和电池电量不足的情况。图4-9终端显示部分电路图Fig. 4-9 terminal display partial circuit diagram4.4 天线模块的设计 为了适应井下狭小封闭的空间以及满足便于拾的识别卡的要求，提高网络的匹配程度，本系统采用微带天线设计。 根据天线外形可以有三种选择：PCB天线、Chip天线以及鞭状天线。本系统采用的鞭状天线是一种可弯曲的垂直杆状天线，其长度一般为1/4或1/2波长，一般具有全方同的辐射图，在各个方间上具有相同的性能，该鞭状天线的良好性能可以较好的满足本系统的要求。（1）设计理论 本系统采用的微带贴片天线设计方法在无线电领域具有广泛的应用，其中矩形是最常用的微带贴片天线的开关之一，其结构如下图4-10所示：图4-10 矩形微带贴片天线结构图Fig. 4-10 rectangular microstrip patch antenna structure diagram 辐射元为矩形的微带贴片天线由于结构简单、便于计算，是最常用的一种天线之一，其介质基片材料板通常选用覆铜的低损耗介质。 1）辐射元宽度 首先要选择具有适当厚度的介质基片。当厚度为时，天线工作在频率时，其实用宽度如式（4.1）所示： （4.1）式（4.1）中，为光速。 2）辐射元长度知道了以后，则谐振单元长度为 （4.2）其中， （2）单极贴片天线设计在，天线厚度，并且采用FR-4材料制作，电介质常数大约为，则天线宽度可以如下式（4.3）所示： （4.3）式中， 其中为天线特性阻抗，取50欧，求的，所以此天线的宽度.根据以上所求，该微带天线的有效电解质参数 （4.4） 又 （4.5） （4.6）所以波长故本系统中所设计的天线长度为。4.5 本安电源选择4.5.1 本安防爆及其电气设备简介（1）防爆基本原理：因为电路所产生的热量和电火花是引起爆炸的主要原因，因此如何更好地控制电路的能量和热能使其不至于达到爆炸极限，是实现电气防爆的必要条件之一。常