基於ZigBee的礦井無線定位係統設計
學術研究
作者：曾妍 胡鋼 曾寶國 程遠東 楊波 占海濤
摘 要：針對礦井人員和機車精確定位需求，提出了基於ZigBee的定位係統設計方案，分析了利用RSSI/TOF算法測距和雙基站協同定位的實現原理。經工程應用測試，該係統能在較遠距離範圍內實現高精度實時定位。
關鍵詞：礦井定位係統；RSSI/TOF測距；協同定位；高精度實時定位
中圖分類號：TN393.17 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）09-00-03
0 引 言
建設可靠的礦井定位係統，提高對人員和機車的動態跟蹤管理，增強事故應急快速反應能力，對保障煤礦安全生產具有重要意義，相關要求已被列入國家《煤礦井下安全避險“六大係統”建設完善基本規範》。為構建適用於煤礦井下的無線定位係統，文獻[1]提出了一種基於鄰近信號強度（NSSS）指紋匹配和動態三邊測量（DTN）算法的精確測距定位方法，並通過仿真表明其在10 m以內的範圍具有高精度實時定位能力；文獻[2]提出了一種基於ToF的測距定位算法，並通過實驗測試表明其在10～100 m的範圍內具有精度高達±2 m的定位能力。四川信息職業技術學院會同四川維誠信息技術有限公司、深圳哲揚科技有限公司，在充分吸收上述研究成果的基礎上，提出了基於ZigBee和工業以太網的定位係統設計方案，通過RSSI/TOF（Received Signal Strength Indicator/Time of Flight）融合測距和雙基站協同定位算法實現了在較遠距離範圍內的高精度實時定位。
1 係統組成
綜合考慮煤礦井下作業環境和要求，本係統所要實現的主要功能包括：（1）實時監測功能，即能分區域實時監測井下人員和機車的精確分布情況，並在井下巷道圖上實時動態地顯示行蹤；（2）查找人員及機車當前位置功能，即輸入任意人員或機車的編號，可立即以圖形方式顯示其當前精確位置。按此功能，將本係統分為井上和井下兩部分。
係統部署時，定位分站以每300～500 m一台的密度安裝在井下巷道裏，以環形或鏈型方式構成骨幹傳輸網；地標定位儀隨骨幹傳輸網線路布設，彼此間隔10～25 m，並在上位機軟件中預置每台定位分站、每個地標定位儀的分布位置；人員標識卡和機車定位儀配置在人員和機車上。定位分站與地標定位儀之間采用RS 485串行通訊，綜合通信分站、地標定位儀與人員標識卡，機車定位儀之間采用ZigBee通訊。在ZigBee傳輸網絡中，定位分站是全功能的協調器，人員標識卡和機車定位儀是簡易功能的終端，地標定位儀既可以做協調器，也可以做終端。
定位分站、地標定位儀、人員標識卡、其中，人員標識卡和機車定位儀分工作和睡眠兩個工作周期並交替轉換，睡眠狀態下既不接收也不發送信息，工作期間不間斷或周期性廣播自身信息並偵聽和接收定位分站信息。定位分站一般處於接收狀態，收到人員標識卡和機車定位儀的信息後應答，並通過光纖將信息發送到上位機；如果人員標識卡和機車定位儀上傳有報警信息，分站會將報警信息加入到應答信息中。地標定位儀和定位分站一般處於接收狀態，在收到人員標識卡和機車定位儀信息後應答；與定位分站不同的是，在接收到信息後，通過無線方式轉發給定位分站。
2 部件設計
2.1 定位分站設計
定位分站是係統的核心設備之一，用於組建井下工業以太網傳輸平台及定位，采用純本質安全型設計，兼具井下通信、讀卡、傳輸等功能。
2.2 地標定位儀設計