（通信与信息系统专业论文）基于zigbee的井下人员跟踪定位系统设计与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 煤矿井下环境复杂，存在多种安全隐患。近年来我国煤矿事故频繁发生，造成重大 人员伤亡和经济损失，现有的煤矿安全监控系统已经无法满足安全生产需要。无线传感 器网络是集无线通讯、数据采集和信息处理功能于一体的新型分布式自组织数据采集网 络，z i g b e e 技术是一种新兴的最具代表性的无线传感网络，具有统一技术标准和低成本、 低功耗等特点。将z i g b e e 技术应用于煤矿安全监测，将有效地提高煤矿安全生产监控 和管理水平。 本文深入研究了z i g b e e 网络技术和i e e e8 0 2 1 5 4 协议，分析了z i g b e e 技术的特 点并与其它无线通讯技术进行了全面比较，得出了z i g b e e 应用于井下人员定位系统的 可行性与优势。在此基础上，结合国内外跟踪定位系统的发展状况及定位技术的最新研 究成果，设计了以r s s i 定位技术为基础的井下人员跟踪定位系统总体方案。系统采用 z i g b e e 无线网络与光纤以太网相结合的方式构建数据通讯平台，将井下多个工作面的人 员定位数据等信息传输到井上控制室的数据处理服务器。本文介绍了系统的功能设备划 分，并详细介绍了硬件设备的电路设计，包括基于c c 2 4 3 0 的z i g b e e 模块、定位分站、 基准定位器、移动定位终端及光纤传输接口的电路设计。z i g b e e 网络应用开发基于t i 的z i g b e e 协议栈z s t a c k ，本文介绍了基于z s t a c k 的功能设备软件设计。针对井下设 备的防爆要求，本文系统介绍了本质安全型防爆技术，提出了系统设备本质安全设计方 法。最后，本文介绍了z i g b e e 模块及网络测试方法。 基于z i g b e e 的井下人员跟踪定位系统必将在矿井安全生产管理中起到重要的作用， 具有重要的实际应用价值。 关键词：z i g b e e ；人员定位；矿井；本质安全；c c 2 4 3 0 基于z i g b o e 的井下人员跟踪定位系统的设计 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f t h eu n d e r g r o u n dm i n ep e r s o n n e ll o c a t i n g a n dt r a c k i n gs y s t e mb a s e do nz i g b e e a b s t r a c t t h en a t u r ec o n d i t i o no fu n d e r g r o u n dc o a lm i n ei sc o m p l i c a t e dt h a tp o t e n t i a ls e c u r i t yr i s k e x i s t r e c e n t l yi no u rc o u n t r y ，c o a lm i n ea c c i d e n t so c c u r r e df r e q u e n t l y ，r e s u l t i n gi nh e a v y c a s u a l t i e sa n de c o n o m i cl o s s e s ，t h ee x i s t i n gc o a lm i n es a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e e n u n a b l et om e e tt h en e e d so fc o a lm i l l es a f e t yp r o d u c t i o n w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n ) i s t h es e to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s d a t ac o l l e c t i o na n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n gf u n c t i o n so f t h en e wt y p eo fs e l f - o r g a n i z a t i o no fd i s t r i b u t e dd a t aa c q u i s i t i o nn e t w o r k s ，z i g b e et e c h n o l o g y i sam o s tr e p r e s e n t a t i v eo ft h ee m e r g i n gw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w i t hau n i f i e dt e c h n i c a l s t a n d a r d sa n dl o w - c o s t ，l o w p o w e rc h a r a c t e r i s t i c s ，a n ds oo n a p p l y i n gz i g b e et e c h n o l o g y t oc o a li n i n es a f e t ym o n i t o r i n g ，w i l le f f e c t i v e l yi n c r e a s et h ep r o d u c t i o no fc o a lm i n es a f e t y s u p e r v i s i o na n dm a n a g e m e n t i nt h i sp a p e r , i n d e p t hs t u d y i n go ft h ez i g b e en e t w o r kt e c h n o l o g ya n di e e e8 0 2 15 4 p r o t o c o l ，a n di nt h ea n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fz i g b e et e c h n o l o g ya n dc o m p r e h e n s i v e c o m p a r i n gw i t ho t h e rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y ，c a n l et ot h ec o n c l u s i o na p p l y i n g t h ez i g b e et ou n d e r g r o u n dm i n ep e r s o n n e ll o c a t i n ga n dt r a c k i n gs y s t e mi sf e a s i b l e o nt h i s b a s i s ，r e s e a r c ht h ed e v e l o p m e n to fl o c a t i n ga n dt r a c k i n gs y s t e ma th o m ea n da b r o a da n dt h e l a t e s tr e s e a r c hr e s u l t so fp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g y ，o r i e n t a t i o nd e s i g n e dt h eo v e r a l lp r o g r a mt o r s s i b a s e dm i n ep e r s o n n e ll o c a t i n ga n dt r a c k i n gs y s t e m d a t ac o m m u n i c a t i o np l a t f o r m t r a n s m i tl o c a t i n gd a t af r o mm u l t i w o r k s p a c e so nt h eu n d e r g r o u n dt od a t a - p r o c e s s i n gs e r v e ra t t h ec o n t r o lr o o mo nt h eg r o u n d ，i sb u i l tb yc o m b i n a t i o no fz i g b e ew i r e l e s sn e t w o r ks y s t e m s a n df i b e r o p t i ce t h e m e t t l l i sa r t i c l ed e s c r i b e sas y s t e me q u i p m e n td i v i s i o n ，a n dd e t a i l so ft h e h a r d w a r ed e s i g n ，i n c l u d i n g t h ec c 2 4 3 0b a s e do nt h ez i g b e em o d u l e ，p o s i t i o n i n gs t a t i o n , r e f e r e n c el o c a t i n gs t a t i o n m o b i l el o c a t i n gt e r m i n a l sa n do p t i c a lt r a n s m i s s i o ni n t e r f a c ec i r c u i t d e s i g n z i g b e en e t w o r ka p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n tb a s e do nt i sz i g b e ep r o t o c o ls t a c kz s t a c k ， f u n c t i o n a le q u i p m e n ts o f t w a r ed e s i g nw a sd e s c r i b e db yt h i sp a p e r u n d e r g r o u n de q u i p m e n t r e q u i r e sp r o t e c t i o n ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e di n t r i n s i c a l l ys a f ep r o t e c t i o nt e c h n o l o g y ，a n d p r o p o s e dt h em e t h o do fi n t r i n s i c a l l ys a f ed e s i g nf o re q u i p m e n t s f i n a l l y ，t e s t i n gm e t h o d so f z i g b e em o d u l e sa n dn e t w o r kw a sd e s c r i b e db yt l l i sp a p e r 一i i 大连理工大学硕士学位论文 t h ez i g b e e b a s e du n d e r g r o u n dm i n ep e r s o n n e ll o c a t i n ga n dt r a c k i n gs y s t e m 、析也t h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o no fv a l u e ，w i l lp l a y a l l i m p o r t a n tr o l e i ns a f e t yp r o d u c t i o na n d m a n a g e m e n t k e yw o r d s ：z i g b e e ；p e r s o n n e ll o c a t i n g , m i n e , i n t r i n s i c a l l ys a f e ；c c 2 4 3 0 一i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：堑呈艘鉴丝圣兰堕型至鳖丝擞。弛 作者签名： 虽童司 日期：型年二月二二日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题 作者签名： 导师签名： 汤朗一v日期：9 c g o g 年三月竺日 - 1 - - 荔t _ 一 日期：2 卵r 年上l 月签日 厂气 。、 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 煤矿安全生产工作近年来得到国家高度重视，国内井下安全事故频发，井上人员往 往难以掌握井下人员的动态分布情况，一旦发生矿难或事故，对井下人员的救援缺乏可 靠的信息，抢险救灾的效率低，成功率小。国家对井下生产条件进行了明确的规定和要 求。井下生产环境的安全监测和准确获知井下人员的数量和位置是其中十分重要的要 求。矿井环境监测为预防事故发生、提高矿井生产的安全性提供了有效保障。同时，矿 井人员的考勤定位为及时掌握井下人员的数量和位置信息提供了行之有效的手段。它们 为井下安全生产和遇险后展开营救提供了可靠的信息。为此，本文提出基于z i g b e e 技 术的矿井人员定位系统，实现对井下人员的跟踪定位，并入传感器监控模块，还可实现 井下生产环境的监测。煤矿安全生产是国家安全生产工作的重点，矿井生产的人员考勤 定位和安全监控是实现煤矿安全生产的技术支持。本课题即是应煤矿安全生产的需要而 提出的。 1 1课题背景 能源工业是国家经济发展的命脉所在，近年来，随着石油资源的紧张、石油价格的 飙升，煤炭行业的重要性和不可替代性也日益凸现。我国幅员辽阔，矿藏丰富，煤炭储 量高居世界首位。根据最新统计数据，我国可用煤炭总储量接近1 9 0 0 亿吨。我国煤炭 资源丰富，煤炭是我国能源结构中的支柱。煤炭安全生产在我国国民经济安全生产中占 有重要的地位。然而，我国煤矿与世界各主要产煤国家比较，矿井下地质构造比较复杂， 开采安全问题较多，而且自然灾害也频频发生。近年来，我国煤矿事故仍然较多，个别 地区重、特大事故频有发生。据不完全统计，近几年来中国煤炭产量占世界产量的3 5 ， 可事故伤亡人数却占世界伤亡人数占8 0 。轻则造成经济损失，重则造成人员伤亡，安 全问题己经成为煤矿生产中的关键问题。不断加强灾害预防、事故救助等措施已成为当 务之急。随着国家对煤矿安全生产工作的日益重视，煤矿现代化管理的需求，矿井人员 定位及煤矿安全监测系统越来越体现出其重要性，实现井下人员定位和各种安全生产要 素以及井下环境参数( 如瓦斯、温度、风速等环境指标) 的自动采集尤为重要。它们在煤 矿安全生产方面具有举足轻重的作用。国内各采矿企业也纷纷开始研究部署井下人员安 全管理系统。 国外，2 0 0 6 年1 月，位于美国西弗吉尼亚查尔斯顿城西北1 5 0 公里的塞格煤矿( s a g o m i n e ) 发生爆炸，1 4 名矿工死亡，引起美国社会各界关注。为提高煤矿生产安全，改进 基于z i g b e e 的井下人员跟踪定位系统的殴计 在矿难发生后的抢救措施，美国国会通过新法规，要求美国所有煤矿在2 0 0 9 年之前必 须安装无线跟踪定位系统。 目前，井下人员跟踪定位系统已成为国内外研究的热点问题。 1 2 课题的意义 随着对煤矿安全生产要求的不断提高，开发出可靠有效的人员跟踪定位，对于改善 煤矿安全生产具有很大的现实意义和应用价值。现代化的煤矿安全监控系统除了实现对 环境的监控之外，还应包括对设备和人员的监控，通过监控系统实现井下人员和设备的 管理和调度，提高生产效率和安全性。因此，使用无线通信技术，建立以无线传感器网 络为基础的煤矿监控系统己经成为煤矿安全生产和现代化管理的需求。 环境监测系统通过调度室内的主机实时监测井下环境信息，可预先监测到环境的变 化，预测可能发生的事故和险情，防止事故的发生或扩大，并能及时地报警和提示工作 人员进行撤离和排险工作。在事故发生后也能及时地为救灾和避难提供指示。这对于实 现安全生产自动化具有很大的实用价值。采用无线网络进行环境监测，可以使监测系统 摆脱传统有线信号传输方式的局限，使得监测系统的移动性和安装的方便性大大增加， 使得有线监控系统所难以达到的采空区、综采工作面等瓦斯气体大量聚集的区域进行实 时监控。实现对井下环境全方位、动态的实时监测。 采用z i g b e e 无线通信技术的人员跟踪定位系统，可以在此基础上实现井下人员的 精确跟踪定位，同时可以进行考勤和监督管理。不仅在井下发生事故时发挥重要作用， 而且可以用于日常的管理，整合环境监测系统使得功能更加完善，通过网络可以实现监 控终端和井下工作人员的双向通信。监控中心可以广播报警信号或通知到移动终端，终 端设备可以发送异常求救信号到监控中心。更加便于情况异常时人员的及时撤离和开展 营救。 在生产管理调度室里，主机实时显示井下管理人员、技术人员、工作人员的位置和 流向，为指挥调度生产作出优化决策，使生产指挥快捷、准确，提高生产效率。在情况 异常或事故发生后，可以通过主机查询事故发生前各区域，特别是事故发生区域的人员 分布和身份信息。在主干通信线路没遭到破坏的情况下，无线网络仍可以监测井下各工 作面的环境和遇险后工作人员的动态情况。无线网络传送信息到监控中心，便于开展快 速而有效的营救方案，争取宝贵的救援时间，最大限度地降低事故所带来的损失。 开发矿井人员跟踪定位系统是煤矿安全生产的需求，将在煤矿安全生产和管理中发 挥重要的作用，具有先进性、实用性和社会价值。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 课题的研究内容 本课题提出了基于z i g b e e 技术的井下人员跟踪定位系统，实现对井下人员的实时 动态跟踪定位和井下环境的监测，以满足煤矿安全生产的需要。课题的主要内容如下： ( 1 ) 无线通讯技术：现有的无线通讯技术很多，无线局域网、蓝牙、u w b 、z i g b e e 等。通过对它们的比较，选择了z i g b e e 作为矿井人员跟踪定位系统的无线网络平台。 重点介绍了z i g b e e 网络的组成形式、网络拓扑结构、应用场所等。 ( 2 ) 嵌入式硬件技术：嵌入式系统是目前研究的一个热点。相关的嵌入式系统很多， 例如a r m 、p o w e r p c 、d s p 、单片机等等。本文研究内容为a r m 及单片机硬件系统的 设计。 ( 3 ) 本质安全防爆技术：矿井下可能有爆炸性气体存在，故矿用设备必须采用防爆 设计。本质安全型防爆相比于其它防爆技术具有诸多优点。本文研究了本质安全型电源 设计及现场设备的本质安全化。 ( 4 ) 嵌入式软件技术：系统的功能都是由软件实现。本文主要研究了基于，n 公司 z i g b e e 协议栈z s t a c k 的应用编程和a r m 平台嵌入式l i n u x 系统的移植。 1 4 论文的结构安排 论文共分为七章。第一章为绪论；第二章重点对z i g b e e 技术和i e e e8 0 2 1 5 4 协议 的应用进行了分析，并将z i g b e e 技术与其它几种无线通讯技术做了比较；第三章从国 内外的角度阐述了井下人员跟踪定位系统相关技术发展的概况；第四章着重论述了基于 z i g b e e 技术的矿井人员定位系统的硬件电路设计；第五章系统论述了本质安全防爆技 术，介绍了本质安全设计的一些最新研究成果，研究了系统设备本质安全化设计的方法， 并设计了系统配套的隔爆兼本质安全型不间断电源：第六章讨论了基于z i g b e e 技术的 矿井人员定位系统的软件设计；第七章对基于z i g b e e 技术的井下人员跟踪定位系统进 行了实际测试，并对实验结果做了分析。 基于z i g b e e 的井下人员跟踪定位系统的设计 2zig b e e 技术 z i g b e e 是建立在i e e e8 0 2 1 5 4 标准之上，它确定了可以在不同制造商之间共享的 应用纲要。i e e e8 0 2 1 5 4 是i e e e 确定的低速率无线个人域网标准，这个标准定义了p h y 层和m a c 层。p h y 层规范确定了在2 4 g h z 以2 5 0 k b p s 的基准传输工作的低功耗扩频 无线电以及以更低数据传输数率工作的9 1 5 m h z 和8 6 8 m h z 的实体层规范。介质访问层 ( m a c ) 规范定义了在同一区域工作的多个8 0 2 1 5 4 无线电信号如何共享空中通道。介质 存取层支持几种架构，包括星状拓扑结构、树状拓扑结构和网状拓扑结构。但是仅仅定 义了p h y 层和m a c 层还是远远不够的，还需要z i g b e e 联盟制定网络层和应用层，来 实现不同z i g b e e 设备制造商之间的兼容，并且对网络层协议和a p i 进行了标准化。完 全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4 k b 或者作为h u b 或路由器的协 调器的3 2 k b 。每个协调器可连接多大2 5 5 个节点，而几个协调器则可形成一个网络， 对路由传输的数目则没有限制。z i g b e e 联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会 意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其他的节点获得【i 圳。 2 1 zig b e e 技术 近十年来，随着半导体技术和无线通信技术的不断发展，陆续出现了许多新的短距 离无线通信技术，仅仅从i e e e 8 0 2 1 l 就产生出许多新的协议标准，如8 0 2 1l b 、8 0 2 1 1 a 、 8 0 2 1 1 9 、8 0 2 1 l h 以及高性能无线局域网技术等，其传输速率和传输距离等都得到了很 大的提高。此外，其他已经得到应用的短距离无线通信技术还有很多，如红$ t - ( h - d a ) 技 术、数字增强无绳电话( d e c t ) 技术、家庭无线射频( h o m e r f ) 技术、蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术 以及超宽带( u w b ) 无线通信技术等，这些短距离无线通信技术的性能参数和应用对象相 差很大。 对于多数的无线网络来说，无线通信技术应用的目标在于提高传输数据的速度和传 输距离，而在诸如工业控制、环境检测、商业监控、汽车电子、家庭数字控制网络等应 用中，系统所传输的数量小，传输速率低，系统所使用的终端设备通常为采用电池供电 的嵌入式设备，如无线传感器网络，因此，这些系统必须要求传输设备具有低成本、低 功耗的特点，针对这些特点和需求，由英国的i n v e n s y s 公司、日本的三菱电气公司、美 国摩托罗拉公司以及荷兰的飞利浦等公司在2 0 0 2 年共同宣布组成z i g b e e 技术联盟，共 同研究开发z i g b e e 技术。目前，该技术联盟已发展和壮大为由1 0 0 多家芯片制造商、 大连理工大学硕士学位论文 软件开发商、系统集成商等公司和标准化组织组成的技术组织，而且，这个技术联盟还 在不断的发展壮大。 z i g b e e 技术在z i g b e e 联盟和i e e e 8 2 0 1 5 4 的推动下，结合其他无线技术可以实现 无所不在的网络。它不仅在工业、农业、事业、环境、医疗等传统领域具有极高的应用 价值，在未来其应用更将扩展到涉及人类日常生活和社会生产活动的所有领域。由于各 方面的制约，z i g b e e 技术的大规模商业化应用还有待时日，但其已经显示出了非凡的应 用价值。相信随着相关技术的发展和推进，它一定会得到更广泛的应用。 2 1 1zig b e e 技术起源 在现实生活中存在着这样的应用情况：系统所传输的数据通常为小量的突发信号， 即数据特征为数据量小，要求进行实时传输，如采用传统的无线技术，虽然能满足上述 要求，但存在着设备的成本高、体积大和能源消耗大等问题，针对这样的应用场合，人 们希望利用具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低的短距离无线通信技术。在 这种需求下，z i g b e e 技术孕育而生，之所以称之为z i g b e e 技术是由于人们发现蜜蜂在 采蜜过程中，跳着优美的“z ”字形舞蹈来传达信息，再加上蜜蜂自身体积小，所耗能 量小的特点，人们就将这种具有低成本、体积小、能量消耗小和传输率低的无线通信技 。术称为z i g b e e 技术。 2 1 2z ig b e e 联盟 z i g b e e 联盟成立于2 0 0 1 年8 月，2 0 0 2 年下半年，英国i n v e n s y s 公司、日本三菱电 气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司等四大公司加盟z i g b e e 联盟， 这一事件成为z i g b e e 技术的里程碑，到目前为止，加盟z i g b e e 联盟的不仅仅只有当初 的四家公司，而是涵盖了i t 领域以及其他行业的1 5 0 多家企业，有了这么多公司的支 持，可以毫不夸张地说，在未来的数年内，z i g b e e 将走入我们生活的方方面面。 2 1 3zig b e e 技术特点 z i g b e e 技术之所以受到如此广泛的关注，完全取决于其优异的性能。 ( 1 ) 传输频段及速率 z i g b e e 技术的底层采用的是i e e e8 0 2 15 4 协议标准，根据该协议z i g b e e 的工作频 段分为3 个频段，这3 个频段相距较大，而且在各个频段上的信道数目不同，各频段上 的调制方式和传输速率不同。它们分别为8 6 8 m h z 、9 15 m h z 和2 4 g h z ，其中2 4 g h z 频段上，分为1 6 个信道，该频段为全球通用频段，且为免付费、免申请的无线电频段， 基于z i g l 3 e e 的井下人员跟踪定位系统的设计 在该频段上，数据的传输速率为2 5 0 k b p s ；另外两个频段为9 1 5 m h z 和8 6 8 m h z ，其相 应的信道个数分别为1 0 个信道和1 个信道，传输速率分别为4 0 k b p s 和2 0 k b p s 。 ( 2 ) 传输频段及速率设备功耗低 z i g b e e 设备为低功耗设备，其发射输出为0 - 3 6 d b m ，通信距离为3 0 - - 7 0 米，具 有能量检测( r s s i ) 和链路质量指示( l q i ) 的能力，根据这些检测结果，设备可自动调整其 自身的发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最小的消耗设备能量。在低功耗待机 模式下，两节普通5 号干电池可使用6 个月以上。 ( 3 ) 网络容量大 在组网性能上，z i g b e e 设备可构成为星状网络或者对等网络，在每一个z i g b e e 组 成的无线网络内，连接地址码分为1 6 b i t 短地址和6 4 b i t 长地址，可容纳的最大设备数分 别为2 1 6 个和2 “个，具有较大的网络容量。 ( 4 ) 安全性好 为保证z i g b e e 设备间通信数据的安全保密性，z i g b e e 技术采用了密钥长度为1 2 8 位的加密算法，对所传输的数据信息进行加密处理。同时z i g b e e 提供了数据完整性检 查和鉴权功能，硬件支持c r c 校验。 ( 5 ) 可靠性高 z i g b e e 在无线通信技术上，采用冲突避免多载波信道接入( c s m a c a ) 方式，有效 地避免了无线电载波之间的冲突，此外，为保证传输数据的可靠性，建立了完整的应答 通信协议。 ( 6 ) 低成本 低成本是z i g b e e 技术的一个亮点之一，目前，z i g b e e 芯片的成本在3 美元左右， z i g b e e 设备成本的最终目标是在l 美元以下；z i g b e e 芯片的体积较小，随着半导体集 成技术的发展，z i g b e e 芯片的尺寸将会越来越小，成本会更低。 ( 7 ) 支持两种不同的网络设备 在z i g b e e 网络中，可同时存在两种不同类型的设备，一种是具有完整功能的设备 f f d ( f u l lf u n c t i o nd e v i c e ) ，另一种是简化功能的设备r f d ( r e d u c ef u n c t i o nd e v i c e ) 。在 网络中，f f d 通常有3 种工作状态：作为个人域网的主协调器；作为一个普通协调 器；作为一个终端设备。一个f f d 可以同时跟多个r f d 或多个其他的f f d 通信，而 对于一个r f d 来说，它只能和一个f f d 通信。r f d 应用非常简单、容易实现，就好像 一个电灯的开关或一个红外传感器，由于r f d 不需要发送大量的数据，并且一次只能 大连理工大学硕士学位论文 和一个f f d 通信，所以r f d 仅需要很小的资源和存储空间，这样，就可以非常容易地 组建一个低成本和低功耗的无线通信网络。 ( 8 ) 开放的完整的协议栈 业界领先的美国t i 公司开放了完整的z i g b e e 协议栈z s t a c k 的源码和使用授权， 使开发复杂z i g b e e 应用的难度大大降低。 z i g b e e 技术的以上这些优异的性能，非常适合煤矿井下的特殊环境的要求，也正是 本系统采用z i g b e e 技术的理论基础所在。 2 1 4zig b e e 技术的应用 z i g b e e 的出发点是希望能发展出一种易布建的低成本无线网络，同时其低耗电性使 产品的电池能维持6 个月到数年的时间。在产品发展的初期，将以工业或企业市场的感 应式网络为主，提供感应辨识、灯光与安全控制等功能，再逐渐将目前的市场拓展至家 庭中的应用。 z i g b e e 技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，其成功的关键在 于丰富而便捷的应用，而不是技术本身。随着正式版本的协议的公布，更多的注意力和 研发力量将转到应用的设计和实现、互联互通测试和市场推广等方面。我们有理由相信 在不远的将来，将有越来越多的内置z i g b e e 功能的设备进入生活，并将极大地改善我 们的生活方式和体验。 通常符合以下条件之一的应用，就可以考虑使用z i g b e e 技术： ( 1 ) 需要数据采集或监控的网点多。 ( 2 ) 要求传输的数据量不大，而要求设备成本低。 ( 3 ) 要求数据传输可靠性高，安全性高。 ( 4 ) 设备体积小，不便放置较大的充电电池或者电源模块。 ( 5 ) 电池供电。 ( 6 ) 地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖。 ( 7 ) 现有移动网络的覆盖盲区。 ( 8 ) 使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测、遥控系统。 ( 9 ) 使用g p s 效果差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。 z i g b e e 技术的应用前景被非常看好。z i g b e e 在未来的几年里将在工业控制、工业 无线定位、家庭网络、汽车自动化、楼宇自动化、消费电子、医用设备控制等多个领域 具有广泛的应用前景，特别是家庭自动化和工业控制，将成为今后z i g b e e 芯片的主要 应用领域。 基于z i g b e e 的井下人员跟踪定位系统的设计 在工业领域，利用传感器和z i g b e e 网络，使得数据的自动采集、分析和处理变得 更加容易，可以作为决策辅助系统的重要主城部分。在汽车领域，主要是传递信息的通 用传感器。由于很多传感器只能内置在飞转的车轮或者发动机中，比如轮胎压力监测系 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( 长于或等于轮胎本身的寿 命) ，同时应该克服内置的环境和金属结构对电磁波的屏蔽效应。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为生长状况； 采用了传感器和z i g b e e 网络后，农业将可以逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模 式，使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制的设备来耕种。在家庭和楼宇自动 化领域，家庭自动化系统作为电子技术的集成得以迅速扩展，易于进入、简单明了和廉 价的安装成本等成了驱动自动化居家、建筑开发和应用无线技术的主要动因。在医学领 域，将借助于各种传感器和z i g b e e 网络准确而且实时地监测病人的血压、体温和心跳 速度等信息，从而减轻一声查房的工作负担，有助于医生做出快速的反应，特别是对重 病和病危患者的监护和治疗。在消费和家用自动化市场，可以联网的家用设备有电视、 录像机、无线耳机、p c 外设( 键盘和鼠标等) 、运动与休闲器械、儿童玩具、游戏机、窗 户和窗帘、照明设备、空调系统和其他家用电器等。 在消费电子方面，z i g b e e 技术可以代替现在的红外遥控，而它与红外遥控相比有两 个优势：一是消费者可以不用站在家电前边就能进行遥控操作；二是消费者没操作都会 有反馈信息，告诉他们是否实现了相关的操作。再如，z i g b e e 可以用于家庭保安，消费 者在家中的门窗上都安装了z i g b e e 网络，当有人闯入时，z i g b e e 可以控制开启室内摄 像装置，这些数据在通过i n t e m e t 或w l a n 网络反馈给主人，从而实现报警。在此，目 前一些家电生产大企业正在为不同家电产品如空调、热水器等安装z i g b e e 模块，用户 可以通过z i g b e e 无线网络来控制这些产品的开启。由于手机与p d a 可以作为未来的便 携遥控装置，当家电、灯光和门禁都已陆续具备z i g b e e 功能后，手机与p d a 上也会安 装z i g b e e 模块，对这些装置进行遥控。目前大的手机企业已经推出了带z i g b e e 技术的 样机，一旦市场上各种电子设备安装上z i g b e e 模块，手机企业就可以推广带z i g b e e 的 手机了。 ， 在建筑智能化领域，各种灯光的控制、气体的感应与监测，如煤气泄漏的感应和报 警都可以应用z i g b e e 技术。再如，三表( 电表、气表和水表) 上采用z i g b e e 技术，相关 管理部门不但可以试下自动抄表功能，还可以监控仪表如电表的状态，防止偷电事件的 发生。 大连理工大学硕士学位论文 在z i g b e e 的领域里，能用上单片机的场所就会有用到z i g b e e 的机会。由于z i g b e e 技术新，客户都还在熟悉的阶段，所以要求一些消费性电子产品使用z i g b e e 的技术并 未成熟，但是在一些有关保安、安全、人身或物资监控追踪上，我们已经看到了i e e e 8 0 2 1 5 4 作为p h y m a c 平台，加上z i g b e en e t w o r k i n g 的联网技术正广泛地推广开来。 在数字家庭领域应用中，普遍认为z i g b e e 最适合作为家用的无线传感器网络骨干，配 合速率较高的家庭p l c 或以太网，来达到全屋覆盖、移动点覆盖的目标。第一波的数 字家庭应用比较偏向于老年看护、以防盗防窃以及节能控制等方面的应用，而对于被看 好的自动抄表及相关资源管理应用方面，由于目前z i g b e e 模块的成本相对于住宅用表 的总成本还较高，用户还不能接受，因而工业和商业领域中会率先开始应用z i g b e e 抄 表技术。 t i 公司的c c 2 4 3 0 是一颗真正的s o c 解决方案，它能够提高性能并满足以z i g b e e 为基础的2 4 g h zi s m 波段应用对低成本和低功耗的要求。 2 2zig b e e 技术与其他无线通讯技术的比较 目前，短距离无线通信技术除z i g b e e 技术外还有b l u e t o o t h ( 蓝牙) 、i e e e8 0 2 1 1 b 等。下面将b l u e t o o t h 、i e e e8 0 2 1 1 b 与z i g b e e 技术进行一下比较。 b l u e t o o t h 无线技术诞生于1 9 8 8 年，在经历了前几年的低潮之后，b l u e t o o t h 技术在 手机领域上找到了应用的市场，而目前b l u e t o o t h 技术已在更多新的领域找到了应用点， 如交互式游戏机，汽车电子的无线的接入、控制等。 i e e e8 0 2 1 1 b 是一种11 m b p s 的无线标准，工作在2 4 g h z 频段，当射频情况变差 时，可将数据传输速率降到5 5 m b p s 、2 m b p s 和1 m b p s ，支持范围是在室外3 0 0 米，室 内最长1 0 0 米，可为笔记本电脑或桌面电脑用户提供完全的网络服务。 i e e e8 0 2 1 l b 、b l u e t o o t h 与z i g b e e 都可工作在2 4 g h z 的频带内，i e e e 8 0 2 1 1 b 由 于其传输距离长、速度快，可以满足用户运行大量占用带宽的网络操作，就像在有线局 域网上一样。而b l u e t o o t h 技术面向的却是移动设备间的小范围连接，因而本质上说， 它是一种替代电缆的技术，可以支持语音的传输，适合用在需要中等数据传输率，高服 务质量以及低反应时间的无线网络中，例如用在手机、掌上电脑等简易数据的传递上， 但b l u e t o o t h 的系统复杂性较高；而z i g b e e 则主要是应用在要求低功耗，低成本，低复 杂度、低传输速率的应用中，例如无线个人域网等具有很多活跃节点的低速无线通信网 络中。 基于z i g b e e 的井下人员跟踪定位系统的设计 3 矿井人员跟踪定位系统的发展概况 3 1国内外发展状况 国内有不少企业从事井下人员安全监控系统的研究与开发。这些系统基本上都是采 r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n 射频识别) 技术，工作人员携带r f i d 电子标签，通 过在矿井进口处以及一些关键通道口使用射频卡读取的方法对下井人员进行登记记录。 但这种系统实际上仅仅是一种考勤记录系统，而非真正的人员定位跟踪系统。 澳大利亚的n lt e c h n o l o g i e s 公司研发了采用4 3 3 m h z 有源r f i d 标签跟踪和管理 地下作业的矿工和车辆的跟踪管理系统，目前正在申请本质安全认证，并将在2 0 0 7 年7 月底开始在澳大利亚昆士兰州的英伦矿务( a n g l ec o a la u s 砌i a ) 安装、实验。该r f i d 标 签通信距离能达到3 0 - 5 0 米。 目前国内外已有的采用r f i d 技术的跟踪定位系统终端可分为无源被动式和有源主 动式两种。无源被动式终端无需电源供电，通讯时需基站向其持续发送一段时间的无线 信号，终端蓄能接收到的无线信号的能量，靠此能量向外发射自身i d 等信息。该方式 的无线通信技术，通信调制频率从十几m n z 到几百m h z 都有，通信速度较慢，通信距 离较近( 约l o 米以内) ，但终端成本很低。有源主动式终端自备电池，定时主动向外发射 信号。通信调制频率一般为i s m ( i n d u s t r i a l ，s c i e m i f i ca n dm e d i c a l 工业，科学和医疗) 频 段的2 4 g h z 和5 8 g h z ，通信速率较快( 依采用的调制技术而定) ，通信距离较远( 约3 0 - 5 0 米) ，终端成本较低。采用这两种r f i d 技术的跟踪定位系统的基站之间，目前多采用 有线通讯技术，如r s 2 3 2 、r s 4 2 2 、r s 4 8 5 及c a n 总线等。这类有线通信技术远距离传 输时通信速率较低，需采用电缆连接，故造价较高，安装施工不方便。另外基站成本较 高，如矿井全覆盖，将极大的提高系统成本。采用r f i d 技术相比较z i g b e e 技术，有如 下缺点： ( 1 ) 无源r f i d 电子标签具有基本不耗电的优点，但信号传播距离较近，一般约在 1 0 米以内。通信方式为应答式，读卡速度十分有限，不能处理多人同时快速通过读卡系 统的情况，漏检现象严重。 ( 2 ) 有源r f i d 电子标签需自带电池，主动发射信号，信号传播距离可达3 0 - - - 5 0 米。但发射信号时的功耗与z i g b e e 芯片相比并无优势，且可达到的最远传播距离也远 低于z i g b e e 。 ( 3 ) r f i d 电子标签价格便宜，但读卡器价格较高；而使用z i g b e e 技术，发送、接 收模块相同，价格低廉。 大连理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 由于r f i d 技术存在信号碰撞1 9 】问题，+ 即读卡器无法并发识别大量射频标签，这 极易造成对入井人员的漏检。而z i g b e e 采用c s m a c a ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s 谢t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ) q 带冲突避免的载波侦听多路访问，是i e e e8 0 2 1 5 4 的m a c 层所使用的媒体接入控制机制，可以保证在同一时刻，信道只被一个节点占用，不存在 信号碰撞问题造成