基于ZigBee无线传感器网络的矿工的位置探测研究
张秀萍, 韩广杰, 朱昌平, 窦燕, 陶剑锋
河海大学计算机与信息工程学院
中国常州
E-mail:zhangxiup@hhuc.edu.cn Zhucp315@126.com
摘要：随着计算机的飞速发展，通信和网络技术，特别是无线传感器和嵌入式技术的应用，使得无线传感器网络（WSNs）技术在产业领域和我们的日常生活得到了广泛关注。基于ARM7TDMI-S CPU和ZigBee 的WSNs在提速和优化网络移动节点的应用，丰富的信息采集中，以及在通信中实时时间的协调均有可取之处，具有低功耗连续作业特点，因此它是非常适合用于确定矿工在地下的位置。本文提出和分划WSN的网络计划及信息处理与通信技术，重点专注于实时协作。通过传感器准确获得矿工的移动信息。之后的位置信息传送可靠的监控中心。不断变化的运行测试结果表明没有信息丢失或者没有未被采集到的信息。因此，这个计划是稳定和有效的，将在煤矿安全中发挥积极作用，在我看来这正是Zigbee无线传感器网络的正确特点。
关键词：ZigBee的ARM7TDMI-S内核; CC2420的; 无线传感器网络 ;矿
工位置确定
一、 简介
无线传感器网络（WSNs）是规模大，无线自组织网络。它是整合计算机通信，网络技术，嵌入式MCU和无线传感器技术，具有感知和沟通能力。有低
低成本，小尺寸特点。其中大部分可以工作区域传播，收集数据，并进行处理数据和通信。无线传感器节点通常工作在无线电频率（RF）频段。节点构成一个分层架构现场监测数据的网络。它通常适用在工业，农业，远程医疗和环境监测。 我们都知道，煤炭生产中的威胁复杂的工作条件，如有毒气体，透水，塌陷，顶板等。
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节点
一旦发生事故发生时，它会危及矿工的生命。因此它是地面人
员的当务之急，要明确矿工的确切位置，以便为及时采取措施。因此为矿工成立一个无线传感器网络监控矿井有很大的应用价值。
二、 方案优选
矿工的位置监测系统主要技术规范要求归纳如下：
（1）定位精度为10米。煤矿巷道狭窄，弯曲复杂所以安全监控系统需要捕捉监测点。（2）低数据速率。发送数据的量要小，但必须具有高可靠性。（3）低功耗。事实上较大的电源在地下是不允许使用的（4）成本低监控系统设备。几种无线传输模式的比较如表1所示。
ZigBee技术是复杂性低，低功耗，低数据速率，低成本，无线通信技术，它采用IEEE802.15.4协议。它可以嵌入在设备中，具有地理位置的功能。它工作在数据传输速率为250 kbps。每个节点的范围是通常在10?100米。范围可高达有1?3公里通过增加RF发射功率。它可以迅速作出反应。从睡眠状态只需15ms的工作状态和30ms的访问网络。那定义了三个网络拓扑结构，包括星型拓扑结构，集群拓扑和网状拓扑结构。节点多达65000，可以组织大容量数据传输网络平台。三级安全模式，使用灵活，以确定其安全属性。免费的专利协议，免执照频段。 ZigBee的工作在2.4GHz ISM频段，采用直接序列扩频频谱（DSSS）调制。
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表1无线传输方式的比较
cost Battery lifetime Effective range(m) Baud rate protocol 20/40/ 250Kbps IEEE 802.15.4 1M~3M bps IEEE 802.15.1 40M~ 60Mbps IEEE 802.14.3 5.5/11 Mbps IEEE 802.11 b
ZigBee Lowest years Blue Tooth UWB Lower days Highest hours Wi-Fi Higher days 10~75 10 30 100
Assigned band
868M/915M /2.4GHz 2.4 GHz 3.1G~ 10.6GHz 2.4 GHz 考虑上述因素，与ZigBee的无线传感器网络技术能适应长期的矿工位置在低成本，低数据速率，低功耗的监控消费，可靠性高，所以这项计划是通过在coalminer上的定位系统。在设计过程中，首先确定网络结构，然后设备选择和相关电路设计，包括无线网络，接收模块采用MEGA128和CC2420，变电站模块应用LPC2114等。最后是通信协议和相关软件设计和调试。
三、 无线传感器网络设计
系统功能：（1）实现井下矿工定位，及时却定自己的位置以便在事故发生时，提高救援效率。（2）管理矿工进入或外出矿井的时间和频率，得到了矿工的动态位置信息，从而提高管理绩效。（3）追溯历史数据，统计和分析决策。
A 无线传感器网络结构和硬件设备的设计
我们的设计采用混合拓扑结构。在目前比较大的电源不允许在矿井使用。星型拓扑结构网络是比较容易控制并同步与低功率消耗，因此它在第一层应用。总线拓扑结构应用于第二层，因为波形传输数据在这种环境下有失真。
ZigBee无线传感器网络设计矿工定位有四个部分：
1）监控和管理软件平台（主节点）：负责收集人员从网络位置信息，追溯数据，统计和分析，并在显示结果图形的形式。
2）监视变电站：这是全功能负责接收信息的设备节点，从无线接收器和输出的移动节点数据处理的主节点。
3）无线接收器（无线传感器节点）：这是负责检测信息矿工的工作区域内，并把它发送到按照与通信的变电站协议。
4）无线代码发射器：减少功能的设备节点，可以很容易地固定在矿灯盒，头盔，腰带，或放在口袋里。代码发射器发出的射频信号进行矿工“身份信息。当矿工是在移动中工作区的无线接收器，他的信息将由接收机接收被转移到变电站。【5】
系统结构如图1所示。
在地面上的人员定位系统监控主机组成，备份计算机，交换机，服务器，通信接口，避雷器及其他外围设备。监控中心PC和相应的存储和分析数据数据库系统，然后可以得到每个矿工的立场在任何时候的信息。人员定位系统地下是无线传感器网络，它是变电站，无线接收器，代码发射器组成，矿用隔爆型和本质安全电源等，这将完成收集和传输矿工的位置，时间等信息。硬件设计人员定位系统地下将详细介绍如下。
B.变电站设计
煤矿变电站是第一级子节点。每变电站的设计，加载6个无线接收器。它定期检测指令发送到接收确定无线接收的信息是要在同一时间收到的，然后接收矿工的身份从无线接收的信息。变电站处理，存储和显示接收到的数据。
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