论文部分内容阅读
摘 要：ZigBee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗、低成本的无线组网通信技术。本文介绍了ZigBee在煤矿人员定位系统中的应用，首先介绍了ZigBee技术，并阐述了人员定位系统的组成，对系统的人员定位节点的硬件和软件设计进行了研究。
关键词：煤矿安全；无线通信；ZigBee技术；人员定位
0引言
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。如果能够实现对井下工作人员的正确定位跟踪，使地面监控中心实时掌握井下人员的位置，随时保持联系，实现人员的调度，这对于提高生产安全和工作效率，具有十分重要的意义。因此，煤矿安全无线网络的可行性和重要性就提到一个比较高的层面上来讨论。而使用无线通信技术建立的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迫切需要。
1基于ZigBee技术的矿井人员定位系统
ZigBee是一种介于无线标记技术和蓝牙技术之间的技术提案，主要适用于自动控制和远程控制领域，支持地理定位功能。人员定位系统目的是搭建一个矿井人员定位跟踪系统。首先在地面上有一台控制台（PC机）负责收集矿井下面的各种信息，然后在矿井的巷道内每隔一段距离（按照ZigBee通信技术，可以选择150～200m）放置一个固定节点。由于矿井下漆黑一片，必须安装矿灯。所以可以将固定节点安排在矿灯的附近，这样将使得固定节点有着更好的能源供应。让矿井工作人员佩戴有小型无线通信模块的节点，作为移动节点，这些移动节点将自己的信息发送到固定节点上，再借助固定节点将自己的信息例如身份ID号等信息传送到地面的控制台，然后由地面的控制台实时的显示出来。这样地面上的工作人员可以知道矿井下的情况。
2矿井人员定位系统的硬件结构
选用理想的无线收发芯片可以缩短开发周期，降低开发难度，减少成本。系统选择了CC2430作为网络节点的无线收发芯片。两个节点之间的传输距离通常为100m左右，如果用功率大、抗干扰性强的增益型的天线，能传输的更远。现在ZigBee无线定位的精度比较高，偏差小于2m，并且定位时间比较短，小于40微秒。
定位节点模块，从功能划分，为精简功能设备（Reduce Function Device）；用于矿井工作人员携带，从ZigBee子网的组成划分，该小型通信模块为ZigBee子网的叶子。矿井工作人员的定位通信模块制作成腰牌，非常方便携带。该设备定时发出信息，用于携带它的工作人员的定位。CC2430作为主要的芯片，同时还有外围电路和天线。
CC2430芯片用很少的外围部件就能实现信号的收发功能。如图1，电路使用一个内置陶瓷天线。电路中的非平衡变压器由电容C341和电感L341、L321、L331以及一个Chip天线组成。采用2个电容（C191和C211）和1个32MHz的石英谐振器（XTAL1）构成一个32MHz的晶振电路。R261和R221为偏置电阻，电阻R221主要用来为32MHz的晶振提供一个合适的工作电流。用1个32.768kHz的石英谐振器，（XTAL2）和2个电容（CA41和CA31）构成一个32.768kHz的晶振电路。D31和D41分别控制电源，通电RED灯亮，数据发送或接收中，绿灯亮，另外另上一个复位键。定位节点的电源采用是的3V的纽扣电池，C241和C421电容是去耦合电容，用来电源滤波，以提高芯片工作的稳定性，电压调节器为所有要求1.8V电压的引脚和内部电源供電。
3矿井人员定位系统的软件设计
3.1主程序设计
3.2发送和接收一个帧的过程
1）发送一个帧
各个节点按照自己的需要可以发送帧。过程是：帧的发送必须要按照工EEESO2.15.4MAC层规定的帧结构对帧进行填充，这也就是要制定协议标准的原因。对帧进行装载主要分为两个部分：一个是对帧头进行装载，二是对帧的数据字段进行装载，即Payload部分。一个是通过PutHeader（）函数对帧的头部信息进行装载，包括：控制字段，帧序列号，目的地址，源地址等等。接着是数据段Pay10ad的装载，而这正是我们要发送的数据。
由于经过上面的SPI通信的初始化之后，单片机主控芯片已经做好了发送和接收帧的准备。而帧头的发送主要是通过void MACPutHeader（NODE_INFo*dest，BYTEframeCON）函数来完成。然后接着使用void MACPutArray（BYTE*v，BYTE len）将PayLoad字段加入到帧里，最后然后通过HFRAME MACFlush（void）函数将整个帧发送出去。前面的都是对SPI发送寄存器SSPBUF的装载，所以最大可以发送的帧的大小为128Byte，这是由CC2430芯片的发送和接收寄存器的硬件决定的。
2）接收一个帧
包括信标帧，控制命令帧，数据帧，确认帧的接收也是通过SPI口完成，将CC2430接收到的数据通过SPI口传输到PIC单片机里面。帧的接收也分为两个部分完成，帧头部的接收通过statieBOOLMACGetHeader（void）函数来完成。而数据部分通过BYTEMACGet（void）或BYTEMACGetArray（BYTE*b，BYTE len）来完成。接收的时候也要按照发送的顺序，也就是按照IEEE802.15.4的帧的顺序来接收。
4结束语
本文主要介绍了CC2430芯片的性能、特点，以及在煤矿井下人员定位系统中的应用设计。采用最新的ZigBee无线通信技术，对每个矿工所持的身份识别卡信息进行采集，达到矿井内人员定位的目的。该无线网络节点具有较高的接受灵敏度、较远的通信距离以及非常短的通信延迟，对矿井无线通信的设计具有一定的参考意义。
参考文献：
[1] 范迪，吕常智. 基于射频模块的矿井巷道人员定位的实现[J]. 煤矿机械，2007，2：72-74.
[2] 王玉芬，张治斌，李长江. 无线传感器网络在煤矿瓦斯监测系统中的应用[J]. 煤炭科学技术，2007，35（6）：34-36.
作者简介：刘凯樵，男，1985年8月出生，陕西省府谷县人，助理工程师，2007年7月毕业于西北大学物理学系， 现就职于神华神东煤炭集团公司综合办公室。
关键词：煤矿安全；无线通信；ZigBee技术；人员定位
0引言
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。如果能够实现对井下工作人员的正确定位跟踪，使地面监控中心实时掌握井下人员的位置，随时保持联系，实现人员的调度，这对于提高生产安全和工作效率，具有十分重要的意义。因此，煤矿安全无线网络的可行性和重要性就提到一个比较高的层面上来讨论。而使用无线通信技术建立的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迫切需要。
1基于ZigBee技术的矿井人员定位系统
ZigBee是一种介于无线标记技术和蓝牙技术之间的技术提案，主要适用于自动控制和远程控制领域，支持地理定位功能。人员定位系统目的是搭建一个矿井人员定位跟踪系统。首先在地面上有一台控制台（PC机）负责收集矿井下面的各种信息，然后在矿井的巷道内每隔一段距离（按照ZigBee通信技术，可以选择150～200m）放置一个固定节点。由于矿井下漆黑一片，必须安装矿灯。所以可以将固定节点安排在矿灯的附近，这样将使得固定节点有着更好的能源供应。让矿井工作人员佩戴有小型无线通信模块的节点，作为移动节点，这些移动节点将自己的信息发送到固定节点上，再借助固定节点将自己的信息例如身份ID号等信息传送到地面的控制台，然后由地面的控制台实时的显示出来。这样地面上的工作人员可以知道矿井下的情况。
2矿井人员定位系统的硬件结构
选用理想的无线收发芯片可以缩短开发周期，降低开发难度，减少成本。系统选择了CC2430作为网络节点的无线收发芯片。两个节点之间的传输距离通常为100m左右，如果用功率大、抗干扰性强的增益型的天线，能传输的更远。现在ZigBee无线定位的精度比较高，偏差小于2m，并且定位时间比较短，小于40微秒。
定位节点模块，从功能划分，为精简功能设备（Reduce Function Device）；用于矿井工作人员携带，从ZigBee子网的组成划分，该小型通信模块为ZigBee子网的叶子。矿井工作人员的定位通信模块制作成腰牌，非常方便携带。该设备定时发出信息，用于携带它的工作人员的定位。CC2430作为主要的芯片，同时还有外围电路和天线。
CC2430芯片用很少的外围部件就能实现信号的收发功能。如图1，电路使用一个内置陶瓷天线。电路中的非平衡变压器由电容C341和电感L341、L321、L331以及一个Chip天线组成。采用2个电容（C191和C211）和1个32MHz的石英谐振器（XTAL1）构成一个32MHz的晶振电路。R261和R221为偏置电阻，电阻R221主要用来为32MHz的晶振提供一个合适的工作电流。用1个32.768kHz的石英谐振器，（XTAL2）和2个电容（CA41和CA31）构成一个32.768kHz的晶振电路。D31和D41分别控制电源，通电RED灯亮，数据发送或接收中，绿灯亮，另外另上一个复位键。定位节点的电源采用是的3V的纽扣电池，C241和C421电容是去耦合电容，用来电源滤波，以提高芯片工作的稳定性，电压调节器为所有要求1.8V电压的引脚和内部电源供電。
3矿井人员定位系统的软件设计
3.1主程序设计
3.2发送和接收一个帧的过程
1）发送一个帧
各个节点按照自己的需要可以发送帧。过程是：帧的发送必须要按照工EEESO2.15.4MAC层规定的帧结构对帧进行填充，这也就是要制定协议标准的原因。对帧进行装载主要分为两个部分：一个是对帧头进行装载，二是对帧的数据字段进行装载，即Payload部分。一个是通过PutHeader（）函数对帧的头部信息进行装载，包括：控制字段，帧序列号，目的地址，源地址等等。接着是数据段Pay10ad的装载，而这正是我们要发送的数据。
由于经过上面的SPI通信的初始化之后，单片机主控芯片已经做好了发送和接收帧的准备。而帧头的发送主要是通过void MACPutHeader（NODE_INFo*dest，BYTEframeCON）函数来完成。然后接着使用void MACPutArray（BYTE*v，BYTE len）将PayLoad字段加入到帧里，最后然后通过HFRAME MACFlush（void）函数将整个帧发送出去。前面的都是对SPI发送寄存器SSPBUF的装载，所以最大可以发送的帧的大小为128Byte，这是由CC2430芯片的发送和接收寄存器的硬件决定的。
2）接收一个帧
包括信标帧，控制命令帧，数据帧，确认帧的接收也是通过SPI口完成，将CC2430接收到的数据通过SPI口传输到PIC单片机里面。帧的接收也分为两个部分完成，帧头部的接收通过statieBOOLMACGetHeader（void）函数来完成。而数据部分通过BYTEMACGet（void）或BYTEMACGetArray（BYTE*b，BYTE len）来完成。接收的时候也要按照发送的顺序，也就是按照IEEE802.15.4的帧的顺序来接收。
4结束语
本文主要介绍了CC2430芯片的性能、特点，以及在煤矿井下人员定位系统中的应用设计。采用最新的ZigBee无线通信技术，对每个矿工所持的身份识别卡信息进行采集，达到矿井内人员定位的目的。该无线网络节点具有较高的接受灵敏度、较远的通信距离以及非常短的通信延迟，对矿井无线通信的设计具有一定的参考意义。
参考文献：
[1] 范迪，吕常智. 基于射频模块的矿井巷道人员定位的实现[J]. 煤矿机械，2007，2：72-74.
[2] 王玉芬，张治斌，李长江. 无线传感器网络在煤矿瓦斯监测系统中的应用[J]. 煤炭科学技术，2007，35（6）：34-36.
作者简介：刘凯樵，男，1985年8月出生，陕西省府谷县人，助理工程师，2007年7月毕业于西北大学物理学系， 现就职于神华神东煤炭集团公司综合办公室。