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【摘 要】煤矿安全已成为当前研究热点。针对传统煤矿安全监控系统普遍存在的无法掌握井下人员可靠位置信息从而实施有效救援的不足，结合煤矿井下的实际环境，选择RSSI无线定位算法，提出了以CC2430芯片为核心，基于ZigBee无线传感器网络的井下实时定位系统的方案。
【关键词】Zigbee；定位算法；无线传感器网络；煤矿安全 引言
随着国家对煤矿安全日益重视，监管力度不断加强，大中型煤矿和众多乡镇小煤矿均已大量装备了煤矿安全监控系统，有效遏制了重大瓦斯爆炸事故的发生。但是，缺乏对井下人员位置信息的监控，目前还普遍存在入井人员管理困难，井上人员难以及时准确掌握井下人员的分布和作业情况，一旦发生事故，抢险救灾、安全救护的效率低，特别是事故發生后对矿井人员的抢救缺乏可靠的位置信息，严重地制约了抢险救灾的效率，失去宝贵地抢救时机。
Zigbee无线井下定位系统利用世界最新的无线射频技术、数据处理技术、数据通讯技术和地理信息系统，结合最新的无线网络传输技术ZigBee，定位技术及煤矿井下通信基站技术，真正实现了井下人员的精确定位和其他各业务的需要。
1.井下定位算法选择
在无线传感器网络中，常用的测距算法有以下4种。TOA（Time of Arrival）算法、TDOA（Time Difference of Arrival）算法、AOA（Angle ofArrival）算法、RSSI（Received Signal Strength lndicator）算法。
上述基于测距的4种定位算法之间，不同应用中也同样存在优劣。TOA定位算法虽然定位精度很高，但出于对时钟精确同步的要求，技术实现上硬件成本过高。TDOA定位算法与TO A相比，降低了对时间同步的要求，同时它的定位精度也很高。但是在技术实现上，增加了对超声波信号的发送和接收，受制于超声波的物理特性，很容易受到非视距因素的影响，而且传输距离有限，在煤矿巷道的这种特殊环境中显然不太适合，再加上硬件要求节点具备对无线电和超声波两种信号的发送和接收的能力，经济成本和功耗开销都相对较大。AOA定位算法利用天线阵列或多个超声波接收机获得节点间精确的角度信息，这不仅需要额外的硬件支持，而且巷道狭长曲折的特点对角度信息的精确和视距性传输是一个很大的考验，而且很容易受到外部环境的影响，因此也不适合在井下使用。RSSI定位算法中，无线电信号的传播较容易受到环境影响，但是其优点使其能够相对较好的克服其他3中定位算法的缺陷，从而较好的应用于井下。
2.节点硬件设计
通过对系统需求的分析，ZigBee节点应该由如图1所示的功能模块组成。
图1 定位节点工程示意图
（1）Zigebee芯片方面，选择CC2430-F128以保证足够的程序储存空间。
（2）电源模块：电源模块应能够可靠、长时间为节点提供能量。根据节点不同，全功能节点（网络协调器、路由器）与限制功能设备（承担非路由功能的参考节点、 移动节点）电源应该采取不同的供电形式。
（3）收发天线：收发天线应能够满足节点间传输距离的要求。
（4）按键：除常规的电源控制、复位按键外，还应配备紧急情况呼救按键，发现险情后及时向井上管理人员预警。
（5） LED显示：LED指示灯应包括以下功能，如正常工作指示，电量不足指示，入网失败指示，还应当包括紧急预警指示，用于井上管理人员在已知险情后向井下人员预警撤离。
3.结论
随着社会和政府对煤矿安全生产的重视，井下人员实时定位系统显得尤为重要，因而成为行业的热点研究问题。本文针对目前煤矿安全监控系统在人员定位功能上存在的不足，结合ZigBee无线通信技术和及无线传感器网络技术的发展趋势，提出了以CC2430芯片为核心，基于ZigBee无线传感器网络的井下实时定位系统的研究与设计。
参考文献：
[1]狄蜻.传感器网络节点定位算法在煤矿安全中的应用[J].计算机仿真，2011，28（12）：88-91.
[2]高劲强.矿井无线通信系统中电磁波的传输[J].电气技术，2010（12），35-38.
[3]田丰.煤矿井下线型无线传感器网络节点定位算法[J].煤炭学报，2010，35（10）：1760-1764.
作者简介：
钟晓（1978-），男，汉族，四川广汉人，实验师，硕士，主要研究方向为计算机硬件系统。
【关键词】Zigbee；定位算法；无线传感器网络；煤矿安全 引言
随着国家对煤矿安全日益重视，监管力度不断加强，大中型煤矿和众多乡镇小煤矿均已大量装备了煤矿安全监控系统，有效遏制了重大瓦斯爆炸事故的发生。但是，缺乏对井下人员位置信息的监控，目前还普遍存在入井人员管理困难，井上人员难以及时准确掌握井下人员的分布和作业情况，一旦发生事故，抢险救灾、安全救护的效率低，特别是事故發生后对矿井人员的抢救缺乏可靠的位置信息，严重地制约了抢险救灾的效率，失去宝贵地抢救时机。
Zigbee无线井下定位系统利用世界最新的无线射频技术、数据处理技术、数据通讯技术和地理信息系统，结合最新的无线网络传输技术ZigBee，定位技术及煤矿井下通信基站技术，真正实现了井下人员的精确定位和其他各业务的需要。
1.井下定位算法选择
在无线传感器网络中，常用的测距算法有以下4种。TOA（Time of Arrival）算法、TDOA（Time Difference of Arrival）算法、AOA（Angle ofArrival）算法、RSSI（Received Signal Strength lndicator）算法。
上述基于测距的4种定位算法之间，不同应用中也同样存在优劣。TOA定位算法虽然定位精度很高，但出于对时钟精确同步的要求，技术实现上硬件成本过高。TDOA定位算法与TO A相比，降低了对时间同步的要求，同时它的定位精度也很高。但是在技术实现上，增加了对超声波信号的发送和接收，受制于超声波的物理特性，很容易受到非视距因素的影响，而且传输距离有限，在煤矿巷道的这种特殊环境中显然不太适合，再加上硬件要求节点具备对无线电和超声波两种信号的发送和接收的能力，经济成本和功耗开销都相对较大。AOA定位算法利用天线阵列或多个超声波接收机获得节点间精确的角度信息，这不仅需要额外的硬件支持，而且巷道狭长曲折的特点对角度信息的精确和视距性传输是一个很大的考验，而且很容易受到外部环境的影响，因此也不适合在井下使用。RSSI定位算法中，无线电信号的传播较容易受到环境影响，但是其优点使其能够相对较好的克服其他3中定位算法的缺陷，从而较好的应用于井下。
2.节点硬件设计
通过对系统需求的分析，ZigBee节点应该由如图1所示的功能模块组成。
图1 定位节点工程示意图
（1）Zigebee芯片方面，选择CC2430-F128以保证足够的程序储存空间。
（2）电源模块：电源模块应能够可靠、长时间为节点提供能量。根据节点不同，全功能节点（网络协调器、路由器）与限制功能设备（承担非路由功能的参考节点、 移动节点）电源应该采取不同的供电形式。
（3）收发天线：收发天线应能够满足节点间传输距离的要求。
（4）按键：除常规的电源控制、复位按键外，还应配备紧急情况呼救按键，发现险情后及时向井上管理人员预警。
（5） LED显示：LED指示灯应包括以下功能，如正常工作指示，电量不足指示，入网失败指示，还应当包括紧急预警指示，用于井上管理人员在已知险情后向井下人员预警撤离。
3.结论
随着社会和政府对煤矿安全生产的重视，井下人员实时定位系统显得尤为重要，因而成为行业的热点研究问题。本文针对目前煤矿安全监控系统在人员定位功能上存在的不足，结合ZigBee无线通信技术和及无线传感器网络技术的发展趋势，提出了以CC2430芯片为核心，基于ZigBee无线传感器网络的井下实时定位系统的研究与设计。
参考文献：
[1]狄蜻.传感器网络节点定位算法在煤矿安全中的应用[J].计算机仿真，2011，28（12）：88-91.
[2]高劲强.矿井无线通信系统中电磁波的传输[J].电气技术，2010（12），35-38.
[3]田丰.煤矿井下线型无线传感器网络节点定位算法[J].煤炭学报，2010，35（10）：1760-1764.
作者简介：
钟晓（1978-），男，汉族，四川广汉人，实验师，硕士，主要研究方向为计算机硬件系统。