基于ZigBee井下人员定位系统的节点错位布置方法

摘要：提出了参考节点错位布置的方法,采用基于zigbee 技术的矿井人员定位系统,将参考节点交错布置在矿井的两侧,从井下人员携带的移动节点获取参考节点的RSSI信号,通过定位算法得到井下移动人员的位置。分析了ZigBee技术的矿井人员定位系统的组成,给出了参考节点错位布置的方法,通过了定位仿真实验,结果得到了井下目标的定位及其误差,基于错位布置参考节点的定位系统将节约定位系统的成本。

关键词：错位布置;方法;ZigBee技术;定位

收稿日期：20120319

作者简介：束仁义（1987—），男，安徽桐城人,安徽大学电子信息工程学院硕士研究生。中图分类号：TP39文献标识码：A文章编号：16749944(2012)05015903

1引言

井下安全作业事关人民群众的生命和国家财产安全［1］。当发生矿井事故时,首要的事是救出井下工作人员,此时要知道井下人员的具置以便及时有效地抢救,所以必须设计出一套切实可行的井下人员定位系统。

无线传感器网络是一项新技术,由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通讯的方式形成多条自组织网络［2］。无线传感器网络可以应用于灾难预警和救助、环境监测和生物多样化勘测、智能楼宇、药品管理和卫生保健，信息通信业务等领域［3］。由于无线传感器网络容错性好、高可靠性以及是以数据为中心的网络,因此非常适合井下人员定位。

由于矿井下巷道错综复杂,节点数量众多,如果合理布置有效参考节点,可以节约大量成本。

2人员定位系统的设计

煤矿定位系统主要由井上和井下两部分组成［4］。井上主要是监控中心，井下结合以太网并采用对等结网络拓扑结构,主要设备由1个无线定位骨干网以及大量移动目标节点和参考节点构成，系统总体架构图见图1。

图1系统总体架构

基于ZigBee井下人员定位无线传感网络［5］由网关节点、参考节点和定位节点3部分组成。为了保证井下ZigBee网络的可靠性和稳定性,井下的长巷道将被多个ZigBee网络所覆盖,分别在巷道的两侧每隔50m就放置1个节点(称为参考节点),这样每个区域就会自动组成1个ZigBee通信子网,每个子网由4个参考节点、1个定位节点以及1个网关节点构成,定位节点由井下工作人员随身携带,因此也称为移动目标节点。这样,每个节点模块实现了至少可与两个以上的模块之间相互通信,从而保证了ZigBee网络无线通信的可靠性。此外,每个节点模块应当有1个唯一标识的地址。

3节点错位布置设计

由于井下都是长长的巷道,因此通常将参考节点安放在通道两侧合适的位置点上。无线传感网络中各节点的资源有限,另外还受到随即部署和通信容易受到环境干扰的限制,所以本系统参考节点设置会选择以下两种方案，如图2和3 所示。第一种情况是参考节点并排布置,当移动节点在通道内距离变化时,无论移动到哪个地方均可以转化到一个矩形区域内计算其位置。由于一个矩形区域内有4个参考节点,当知道定位节点到每个参考节点的距离时,可用三边测量法(Trilateration)或极大似然估计法(Multilateration)计算移动节点的位置。第二种情况是参考节点错位布置,这种布置的好处是节省参考节点,需要布置的参考节点数几乎是图2节点的一半。

图2参考节点并排布置

图3参考节点错位布置

估计定位节点的位置时,首先需要测出它到各个参考节点的位置。由于本文定位系统基于接收信号强度(RSSI)的定位方案,因此根据CC2430/CC2431无线寄存器内的RSSI值,再由已知的数学模型就可得到其距离值。设(x1,y1)是参考节点坐标,所求节点P的坐标为(x,y),则由两点间距离公式可得:

d2p,i=(x-xi)2+(y-yi)2,i=1,2,…,M(1)

根据最小平方差［6］由下式可计算未知节点P的坐标:

X=(ATA)-1ATb(2)

其中

X=x

y;A=-2x2-x1y2-y1

x3-x1y3-y1

……

xM-x1yM-y1;

b=d22-d21+x21+y21-x22-y22

d23-d21+x21+y21-x23-y23

…

d2M-d21+x21+y21-x2M-y2M(3)

在具体计算移动节点位置时考虑以下3种方法:

(1)依据图2,在一个无线传感网络子域中仅有4个参考节点,故取M=4,利用(2)式即可求出定位节点的坐标;

(2)从4个参考节点中任取3个参考节点,利用3边测量法分别求出4个估计坐标,再取它们的平均值作为定位节点的估计坐标;

(3)根据图3错位布置节点,仅取3个参考节点,再用方法二的计算方法即可求出定位节点的坐标。

4Matlab仿真及分析

实验模拟井下区域环境,在一个［0,3］×［0,50］的

图4节点分布及其定位结果矩形区域中随机分布人员可能出现的20个位置,其中锚节点为矩形的4个顶点。利用上述3种方法分别对人员位置估计,进行MATLAB仿真,仿真结果见图4和图5。

图5节点定位误差比较

由仿真结果可知,3种方法的定位精度相差不大,方法三的定位误差比方法二和方法三的定位结果略差。由图5可知在基于理想环境下的RSSI测距误差最大也只有在3.5m左右,因此对于井下人员的定位还是比较适宜的。

5结语

本文在基于ZigBee技术井下人员定位系统下,提出了一种节点错位布置方法,利用该方法进行参考节点的布置,不仅降低了了定位系统的成本,而且在一定环境下能够满足对井下人员的定位要求,从而实现对目标的实时跟踪,进一步为井下工作人员提供了安全保障。

参考文献：

［1］ 李蒙,李广宏,刁文广.无线传感网络煤矿井下人员定位系统设计［J］.矿业安全与保护,2008,36(5):31~33.

［2］ 李辉,张晓光,高顶.基于ZigBee的无线传感网络在矿井安全监测中的应用［J］.仪表技术与传感器,2008(4):33~35.

［3］ Holger Karl，Andreas Willig.无线传感器网络协议与体系结构［M］.北京：电子工业出版社，2007.

［4］ 郭秀才,滕以金,窦美玲.井下人员定位跟踪检测系统［J］.兵工自动化,2009,28（4）：58~60.

［5］ 李文仲,段朝玉.ZigBee2006无线传感网络与无线定位实战［M］.北京：北京航天航空大学出版社，2008.