CN105425207A - 一种基于ZigBee传感网络及LED的煤矿井定位系统设计 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于ZigBee传感网络及LED的煤矿井定位系统的设计，属于电子科技领域。该系统是由CAN节点、ZigBee传感网络、LED、无线基站、工控机部分组成。在煤矿井中，通过给LED加载信息信号，然后LED发送射频信号，无线基站接收到信号后，通过CAN节点向工控机发送信息数据，工控机通过后台数据库解析LED信号数据，应答ZigBee组网请求。本发明的目的在于补足当前部分定位系统的缺陷，建立可靠实用的煤矿井下人员定位系统，对改善煤矿的安全生产管理、为煤矿行业的安全生产保驾护航有着重要的现实意义。

Description

一种基于ZigBee传感网络及LED的煤矿井定位系统设计

技术领域

本发明涉及一种煤矿井定位系统的设计，具体涉及根据工作人员在煤矿井中的活动利用ZigBee传感器网络及LED来设计的一种定位系统。本发明属于电子技术领域。

背景技术

近年来，随着物联网概念的兴起，室内定位技术无论在民用还是军事领域，都具有巨大的应用潜力。人们对位置信息感知的需求日益增多，尤其在复杂环境中，如煤矿井等室内环境，常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品的位置信息，进而用于安全警报、紧急救援等需求。鉴于煤矿生产的特殊性，各种矿井重大灾害和伤亡事故随时都有可能发生。但是，当前的煤矿井下普遍存在入井人员管理困难，无法及时准确掌握井下人员的作业情况还有动态分布，尤其在发生突发事件时，难以迅速判断险区人员的数量、位置，不能及时准确地制定救援方案。过去的几年里，对室内定位方法的研究集中于GPS、红外线、超声波、RFID等技术手段定位的研究。但是，红外光线在空气中的衰减很大，因此它只适用于短距传播；超声波的反射、散射现象很普遍，在室内尤其严重，有着很强的多径效应，并且超声波在空气中的衰减也很明显；RFID室内定位时，需要搭建复杂的定位设施环境，不仅成本高，定位精度和安全性也得不到有效保证。由于LED具有使用电压低、功率低、寿命长、易于小型化等优点，从而使得LED的应用从照明领域扩展到通信领域，可实现照明和定位两种功能。ZigBee利用网络节点之间信息互传，将信息从一个节点传到另一节点，其具有低功耗、低速率、低成本、高容量、高安全性、短时延的优点。因此将LED和ZigBee传感网络结合，可以实现精确的定位系统。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于ZigBee传感网络及LED的定位系统。提出了应用ZigBee技术和LED，因为其具有低功耗、低成本、支持地理定位功能的优势，而且这恰好适用于煤矿井下巷道多、曲折等结构特点。本发明主要应用于煤矿井下的精确定位。

一种基于ZigBee传感网络及LED的煤矿井定位系统，其结构特征在于：由CAN节点、CAN总线、ZigBee传感网络、LED信号灯、无线基站和工控机部分组成。

所述的CAN节点由保护电路、TJA1050模块、光耦、LPC2294模块、JN5121模块组成。

所述的ZigBee网络由微功率无线收发器、微功率定位信号发射机组成。

所述的LED和无线基站由JN5121模块、看门狗、时钟、数据存储器、薄膜按键、LED、声光报警组成。

该基于ZigBee传感网络及LED的煤矿井定位系统，可以根据LED发射出的身份、位置信号，由ZigBee传感网络接收，并在各网络之间相互传递，最后得出精确的位置信息。

附图说明

图1是CAN节点的硬件原理图

图2是无线基站硬件原理图

图3是系统的整体构成

图4是本发明的程序框图

具体实施方式

一种基于ZigBee传感网络及LED的煤矿井的定位系统，其结构特征在于：由CAN节点、CAN总线、ZigBee传感网络、LED信号灯、工控机和无线基站部分组成。

如图1所示，LPC2294是一种内置CAN的ARM7TDMI内核的32位微控制器，它接受、发送数据并完成相应的协议转换；JN5121芯片可构成标准的ZigBee终端产品；高速光耦起到光电隔离作用；CAN收发器TJA1050，它具有电磁兼容性和不上电时呈无源特性；保护电路主要防止总线上信号的电磁反射、滤除线上的高频干扰等。CAN节点是系统硬件设计的核心部分，它起着承上启下的作用。它既是ZigBee网络中的协调器，又是CAN网络的一个端节点。因此它的主要任务是组织ZigBee网络，组织的过程既要完成ZigBee协议和CAN数据协议转换功能。

如图2所示，薄膜按键完成LED复位启动；声光报警主要在接收到地面紧急指令时起警示作用，电源为一节锂电池，如果电池电压过低，LED将发出警报信息，以提醒工作人员充电或更换电池；看门狗电路为防止程序运行时跑飞而设计；时钟芯片为JN5121提供时间基准；外扩存储器用于数据保存和备份。它的核心器件是JN5121。JN5121是无线微控制器，用于构成标准的ZigBee终端产品，其在功耗、代码效率和代码大小方面高度优化，集成的休眠振荡器和节电功能也可以保证整个系统的低功耗。因此，在开发过程中，需要添加的外围硬件电路较少，可以显著减少设计的工作量。

如图3所示，CAN节点安装在竖井与巷道交叉点附近，在巷道、工作面等安装若干个无线基站，入井人员佩戴载有信号信息的LED的安全帽。当入井人员在巷道或工作面等区域活动时，LED每个一段时间定时发送射频信号，该射频信号进入无线基站范围内，基站提取该信号的时间、位置信息。然后该基站按ZigBee协议自组无线网络，将信息转发至下一个无线基站或若干个无线基站，最后接入CAN节点，CAN节点通过CAN总线将该信息传输到工控机。工控机通过后台数据库解析LED信号信息，这样可以记录入井人员的位置、时间、状态信息。

假设入井人员戴的LED安全帽发射信号的时间为t，第i个无线基站收到信号的时间为t_i(i＝1、2、3)，若已知第i个无线基站的坐标为(x_i，y_i)，待确定的LED坐标为(x，y)，则有：

$\sqrt{{(x-x_1)}^2+{(y-y_1)}^2}=c(t_1-t)---\left(1\right)$

$\sqrt{{(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2}=c(t_2-t)---\left(2\right)$

$\sqrt{{(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2}=c(t_3-t)---\left(3\right)$

式中c为光速。令d₁＝c(t₁-t)，d₂＝c(t₂-t)，d₃＝c(t₃-t)。则由(1)、(2)、(3)知LED的位置坐标为

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]=\frac{1}{2}{\left[\begin{array}{c}{x}_1-x_3{y}_1-y_3\\ x_2-x_3{y}_2-y_3\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{x_1}^2-{x_3}^2+{y_1}^2-{y_3}^2+{d_3}^2-{d_1}^2\\ {x_1}^2-{x_3}^2+{y_2}^2-{y_3}^2+{d_3}^2-{d_2}^2\end{array}\right]$

由于3个无线基站的位置坐标已知，则LED的坐标只与d₁、d₂、d₃的坐标有关。

由于在传播空间中，信号接收强度与LED和无线基站之间的距离d关系如下：

$P_r\left(d\right)=\frac{p_t{g}_t{g}_r{\mathrm{\λ}}^2}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^2{d}^2}+\mathrm{\δ}$

式中p_r为接收功率，p_t为发射功率，g_t为发射天线增益，g_r为接收天线增益，λ为发射信号的波长。信号传播受到环境(多径效应、人走动、障碍物)噪声的影响，式中δ为影响因素。由于δ的复杂性，因此利用信号与各种影响因素的总体强度的总体表现接收信号强度来进行定位。首先确定在待定为区域中的若干各点位置q_k(k为定位区域划分的各点总数)，然后LED在q_k出接收定位区域内3个无线基站上测量的接收信号强度，形成一个“n维接收信号强度R-目标位置q_k”的记录。所有记录的几何就构成了多基站接收信号强度的定位数据库。

在实时定位时，将LED移动到位置q，LED接收定位区域内所有无线基站测得的接收信号强度形成一个接收信号强度向量R_q，将其归一化为

$G\left(q\right)=\frac{R\left(q\right)}{\sqrt{r{\left(q\right)}^{T}r\left(q\right)}}$

然后从3个无线基站接收信号强度定位数据库中挑选出于G(q)最匹配的接收信号强度向量：

$\stackrel{\mathrm{\Λ}}{k}=\arg \underset{1\≤k\≤K}{\max }G{\left(q\right)}^{T}G\left(q\right)$

所以，最后最匹配的接收信号强度向量所在记录中的目标位置即为待定目标的位置估计，则

如图5所示，当煤矿井中有人时无线网络系统被唤醒开始工作，否则系统处于休眠状态。无线基站根据得到的LED信号强度信息，将其写到存储器中，无线基站发送不超过3次的组网请求，当工控机收到该请求时，方返回确认应答信号。CAN节点作为无线基站与工控机之间传输数据枢纽，负责ZigBee网络拓扑、网络构建。

本发明基于以下原理：LED发送射频信号时，无线基站接收到信号后，通过CAN节点传输数据向工控机发送组网请求，当工控机发送应答信号后，则开始建立ZigBee传感网络。

Claims (6)

1.一种基于ZigBee传感网络及LED的煤矿井定位系统，其特征在于：该煤矿井定位系统由ZigBee传感网络、CAN节点、CAN总线、LED信号灯、无线基站、工控机组成；此外算法：由于在传播空间中，信号接收强度与LED和无线基站之间的距离d关系如下：

$P_r\left(d\right)=\frac{p_t{g}_t{g}_r{\mathrm{\λ}}^2}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^2{d}^2}+\mathrm{\δ}$

式中p_r为接收功率，p_t为发射功率，g_t为发射天线增益，g_r为接收天线增益，λ为发射信号的波长；信号传播受到环境(多径效应、人走动、障碍物)噪声的影响，式中δ为影响因素；由于δ的复杂性，因此利用信号与各种影响因素的总体强度的总体表现接收信号强度来进行定位；首先确定在待定为区域中的若干各点位置q_k(k为定位区域划分的各点总数)，然后LED在q_k出接收定位区域内3个无线基站上测量的接收信号强度，形成一个“n维接收信号强度R-目标位置q_k”的记录；所有记录的几何就构成了多基站接收信号强度的定位数据库；

在实时定位时，将LED移动到位置q，LED接收定位区域内所有无线基站测得的接收信号强度形成一个接收信号强度向量R_q，将其归一化为

$G\left(q\right)=\frac{R\left(q\right)}{\sqrt{r{\left(q\right)}^{T}r\left(q\right)}}$

然后从3个无线基站接收信号强度定位数据库中挑选出于G(q)最匹配的接收信号强度向量：

$\stackrel{\mathrm{\Λ}}{k}=\arg \underset{1\≤k\≤K}{max}G{\left(q\right)}^{T}G\left(q\right)$

所以，最后最匹配的接收信号强度向量所在记录中的目标位置即为待定目标的位置估计，则

2.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee传感网络及LED的煤矿井定位系统，其特征在于：应用了ZigBee技术，其具有低功耗、低成本、支持地理定位功能的优势，这些正适合于煤矿井下巷道多、曲折、多风门等结构特点。

3.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee传感网络及LED的煤矿井定位系统，其特征在于：应用了CAN总线，其为一种串行双向的数据通信协议，具有很高的可靠性和卓越的性能，传输时间短，受干扰的概率低。

4.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee传感网络及LED的煤矿井定位系统，其特征在于：应用了LED作为信号源，发送射频信号，其在空间中的传播衰减小，在煤矿井中LED还能起到照明的作用。

5.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee传感网络及LED的煤矿井定位系统，其特征在于：应用了多个无线基站，提高了定位的精确性。

6.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee传感网络及LED的煤矿井定位系统，其特征在于：在计算的时候引进向量算法，使得定位算法较为洁简。