1、湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃項 目 結 題 報 告項目名稱： 基于Zigbee無線傳感網絡的礦井 人員定位系統設計 項目編號： 學生姓名： 鄧啟平 蔣良兵 所在學校和院系： 通信與控制工程系 項目實施時間： 2010年10月-2012年4月 指導教師: 方智文 譚周文 聯系電話: 填表日期： 2012-3-14 湖 南 省 教 育 廳2012年制 一、基本情況項目名稱基于zigbee無線傳感網絡的礦井人員定位系統設計立項時間2010年10月完成時間2012年4月 項目主要研究人員序號姓 名學號專業班級所在院（系）項目中的分 工1鄧啟平0840912308級電信一班通信與控制工程系上位

2、機軟件2蔣良兵0842123108級自動化二班通信與控制工程系下位機編寫345二、研究成果簡介項目研究的目的、意義:近年來，隨著對煤炭需求的高速增長，煤炭工業也得到了很大發展，但是煤礦重大、特大事故時有發生，仍未實現對災害事故的有效控制。事故發生后，準確判定井下生產作業人員的受困位置、遇險人員撤退路線、井下的環境監測情況以及及時準確地制定救援方案，這對事故的救援是十分重要。在分析近期幾個煤礦發生的特大事故時發現主要原因有：（1） 地面與井下人員的信息溝通不及時；（2） 地面人員難以及時動態掌握井下人員的分布及作業情況，進行精確人員定位；（3） 一旦煤礦事故發生，搶

3、險救災、安全救護的效率低，搜救效果差。 從實際出發，本設計采用最新Zigbee無線網絡技術，能夠及時、準確的將井下各個區域人員的動態情況反映到地面計算機系統，使管理人員能夠隨時掌握井下人員的分布狀況，以便于進行更加合理的管理。當事故發生時，救援人員也可根據井下人員定位系統所提供的數據、圖形，迅速了解有關人員的位置情況，及時采取相應的救援措施，提高應急救援工作的效率，可以較好地解決潛在的一些問題，具有一定的先進性和實用性。研究成果的主要內容:1、構建基于zigbee無線傳感網絡1.1、建立定位網絡zigBee網絡將這兩種物理設備在邏輯上又定義成為三類設備，即ZigBee協調器、ZigBee路由器

4、和ZigBee終端設備。根據現場實際需要，沿坑道每隔200米距離（與井下電源接口位置一致），在坑道適當位置（例如頂部）設置一個Zigbee網絡模塊（FFD,坑道中為路由器，井口為協調器），同時在其它需要定位人員身上配備一個Zigbee網絡模塊（RFD），該終端可由礦燈進行供電。Zigbee無線網絡布局如圖1所示：圖1 Zigbee無線網絡布局圖1.2、網絡終端的定位方法對自身網絡終端的定位方法：信號強度測距法RSSI (Received SignalStrength Indicator) 已知發射功率，在接收節點測量接收功率，計算傳播損耗，使用理論或經驗的信號傳播模型將傳播損耗轉化為距離。通過

5、測量接收信號的強度，就能計算出收發節點間的大概距離。得到錨節點與未知節點之間的距離信息后，采用三邊測量法可計算出未知節點的位置。三邊計算的理論依據是，在三維空間中，知道了一個未知節點到三個以上錨節點的距離，就可以確定該點的坐標。CC2431芯片自身具有測定RSSI的功能. CC2431芯片具有內置的RSSI (接收信號強度)指示器CC2431芯片的RSSI是一個8位的寄存器值, RSSI_VAL為轉換前RSSI功率值,單位為dB·m。其中RSSI_VAL可以轉化為與RF管腳相關的功率P. RSSI_OFFSET為與射頻模塊天線等因素有關的一個能量修正值,對于在不同的環境參數或具體的射

6、頻模塊來說,它的數值一般是不同的,需要對射頻模塊進行測距實驗進行測定.但當距離太遠時,由于RSSI值受到環境、多徑效應和節點自身增益等影響,收到的信號強度值與距離的關系很難穩定得到,使測得的RSSI值將變得無效。因此在定位計算時,設定當接收到的場強低于某一值時,對接收到較小的場強值不予考慮，也即定位時該節點不參與計算.然后利用Matlab的多項式擬合函數進行，擬合的參數要根據實驗或適用的環境進行調整。2、無線傳感網絡與控制室實現485總線通信 網絡定位節點在有通信電纜的地方直接通過RS-485總線，與現有的通信電纜相連接，通過交換機再將信息上傳至終端管理計算機。因RS-485接口具有良好的抗噪

7、聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等上述優點就使其成為首選的串行接口。因為RS485接口組成的半雙工網絡一般只需二根連線，所以RS485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。3、上位機監控軟件系統軟件采用VC6.0實現后臺模擬系統，如圖2所示。礦井人員位置信息、查找人員當前位置并由軟件進行實時分析處理并在計算機屏幕上實時顯示。數據查詢和管理功能主要通過各種原始數據進行檢索，能查詢任一井下人員當前位置所處的位置，主要是利用程序里對定位節點坐標保存的數據進行查詢和處理來實現。考勤管理功能可以實現對礦井人員下井和升井的次數進行統計，此功能的實現主要是對于各個點數據有無進行判斷。圖 2 定位軟件成果的創新特色：1、

8、在硬件選型上，從功耗、成本、通信范圍、處理器方面比較了幾種常見的ZigBee芯片，選用了休眠電流較小，通信距離較遠的CC2430和CC2431芯片。2、定位算法上采用基于CC2431的RSSI(信號強度測距法)測出定位節點與參考節點的距離，再利用三邊測量法計算出未知定位節點的坐標。利用RSSI測距，定位測量時間段定位實時性更好。3、傳輸上是采用485總線，它具有高抗干擾能力、高傳輸速度及長距離的傳輸距離，加強了對井下環境的適應能力并且能快速的把井下作業人員的情況反映到上位機，達到井上井下同步的效果。4、上位機軟件使用C+編寫，更加易懂，又由于其有比較完整的庫封裝，更加方便軟件的維護工作。成果的

9、實踐意義和社會影響：由于煤礦安全防護設備的陳舊老化以及安全設施的不足，在出現礦井事故的時候，往往造成大量的人員及財產損失，煤礦的安全問題亟待解決。目前存在的應用于井下的有線和無線的通信方式，不能及時地提供井下作業人員的動態分布及作業情況等信息，一旦事故發生，很難有效展開救援工作。因此準確及時地獲得井下人員的位置信息，具有重要的實際意義。本項目以CC2430和CC2431為硬件基礎，實現了對井下人員的查詢及當前位置定位和查詢的功能，有效的提高了對井下人員的作業情況及安全情況的掌握，當遇到特殊情況或是安全事故時，可以更加方便了井上人員對井下人員的安全情況的了解以提高了實施救助工作的開展。研究成果：

10、1、 公開發表論文一篇；2、 Zigbee無線傳感器一套；3、 上位機定位軟件一套；三、項目研究總結報告預定計劃執行情況：一、2010年5月-2010年10月對項目進行理論研究和方案論證。通過調研、查閱文獻和技術手冊，熟悉Zigbee的工作原理及關鍵技術，建立理論基礎，確立設計方案。二、2010年10月-2011年12月對項目方案中的硬件電路和軟件程序進行調試。其中硬件電路設計，主要包括Zigbee全功能設備單元、Zigbee簡化功能設備單元、Zigbee無線網絡的設置以及RS485與上位機的接口電路。軟件主要包括：zigbee協議、Zigbee簡化功能設備單元的測距定位、Zigbee網絡的通

11、信、RS485通信、上位機操作平臺。項目研究和實踐情況：1、實現了無線網絡的組網，通過一個CC2430建立一個無線網絡、其他幾個CC2430以路由的形式加入網絡，定位節點再通過路由加入無線網絡。2、定位實現，幾個參考節點根據其所在位置設置相應的固定坐標，定位節點利用CC2431的信號強度測距法算出到各個參考節點的距離，并通過距離和參考點的坐標確定定位節點的坐標。3、串口通信，無線網絡將定位節點坐標傳給無線網關，網關利用串口和PC機進行通信將節點ID號和坐標位置傳遞給PC機。4、上位機軟件數據保存與顯示，上位機接收串口信息并以文件形式保存數據，在顯示時通過從文件中獲得各個節點的坐標，并實現地面坐

12、標到顯示坐標的轉變最后顯示在上位機上。5、人員定位查詢，通過對文件里面保存的數據查詢來獲得要求查詢人員的坐標，并且顯示在顯示區的界面中，這樣可以一目了然的看到所查詢人員所在位置。工作中取得的主要成績和收獲：1、 主要成績：完成了上位機軟件的編寫，Zigbee無線傳感網絡設計及無線定位的實現，完成定位模型一組并公開發表論文一篇。2、 主要收獲：（1）使用VC 6.0進行上位機軟件開發，其中主要學習利用COM組件和多線程進行串口通信設置、文件系統數據保存和讀寫以及GDI進行圖形的繪制定位節點顯示；（2）利用zigbee模塊CC2430和CC2431的組網，了解到無線網絡組建流程。同時通過Zigbe

13、e無線的標準協議棧的開發應用，協議棧中主要包括應用層的任務添加和每層的事件及各個事件的屬性。（3）了解了項目開發流程，在項目開發之前我們需要做好每一步的計劃，磨刀不誤砍柴工，好的計劃能夠更好的幫助完成。（4）經過了一個真正項目的開發，讓我明白了對于未知的領域并不需要害怕，只要的是征服的自信，遇到問題解決問題。研究工作的不足：1、由于上位機軟件設計經驗有限，軟件設計時主要關注于功能的實現，加上界面設計功底欠缺，所以外觀設計不夠漂亮。2、由于無線網絡的穩定性較差，而不同條件對于無線的影響也不同。由于環境對無線信號強度的干擾，CC2431的基于信號強度測距法（RSSI）也存在一定的誤差，所以做定位實

14、驗時可能會在一定范圍內跳動。尚需深入研究的問題： 1、軟件中對人員定位查詢，是利用ID號對定位節點進行查詢，若建立數據庫進行數據保存，通過人與ID號的對應，通過輸入人名來查詢會更合適。 2、定位算法的優化，由于外界條件對無線信號影響，在不同的條件下定位效果也不盡相同，通過實際的測試來優化定位算法，盡量縮小定位的誤差。研究工作中的困難、問題：1、開始時，由于基礎知識的欠缺對于設計不知道從何下手，后面在老師的指導下查閱相關資料，學習VC的MFC編程進行界面設計。通過一段時間的學習，選擇了利用VC 6.0中Windows提供的API函數進行界面設計，如：GDI函數繪制定位點和背景，文件讀寫函數進行數據的文件保存使用等。2、項目初期網上關于zigbee無線網絡的資料相對較少，而Zigbee無線網絡的建立牽扯到復雜的協議棧的應用，進行無線組網需要對Zigbee無線協議有較為深入的了解，學習起來比較吃力，所以進展很慢。3、設備價格昂貴，開發經費比較緊張。四、經費使用情況經費合計12685元，其中，學校配套資助 2685 元，學院（所）配套資助 0元，其他經費 10000 元。經費支出情況：1