湖南大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性試驗(yàn)計(jì)劃

1、湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng) 目 結(jié) 題 報(bào) 告項(xiàng)目名稱： 基于Zigbee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的礦井 人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì) 項(xiàng)目編號(hào)： 學(xué)生姓名： 鄧啟平 蔣良兵 所在學(xué)校和院系： 通信與控制工程系 項(xiàng)目實(shí)施時(shí)間： 2010年10月-2012年4月 指導(dǎo)教師: 方智文 譚周文 聯(lián)系電話: 填表日期： 2012-3-14 湖 南 省 教 育 廳2012年制 一、基本情況項(xiàng)目名稱基于zigbee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的礦井人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)立項(xiàng)時(shí)間2010年10月完成時(shí)間2012年4月 項(xiàng)目主要研究人員序號(hào)姓 名學(xué)號(hào)專業(yè)班級(jí)所在院（系）項(xiàng)目中的分 工1鄧啟平0840912308級(jí)電信一班通信與控制工程系上位

2、機(jī)軟件2蔣良兵0842123108級(jí)自動(dòng)化二班通信與控制工程系下位機(jī)編寫345二、研究成果簡(jiǎn)介項(xiàng)目研究的目的、意義:近年來(lái)，隨著對(duì)煤炭需求的高速增長(zhǎng)，煤炭工業(yè)也得到了很大發(fā)展，但是煤礦重大、特大事故時(shí)有發(fā)生，仍未實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)害事故的有效控制。事故發(fā)生后，準(zhǔn)確判定井下生產(chǎn)作業(yè)人員的受困位置、遇險(xiǎn)人員撤退路線、井下的環(huán)境監(jiān)測(cè)情況以及及時(shí)準(zhǔn)確地制定救援方案，這對(duì)事故的救援是十分重要。在分析近期幾個(gè)煤礦發(fā)生的特大事故時(shí)發(fā)現(xiàn)主要原因有：（1） 地面與井下人員的信息溝通不及時(shí)；（2） 地面人員難以及時(shí)動(dòng)態(tài)掌握井下人員的分布及作業(yè)情況，進(jìn)行精確人員定位；（3） 一旦煤礦事故發(fā)生，搶

3、險(xiǎn)救災(zāi)、安全救護(hù)的效率低，搜救效果差。 從實(shí)際出發(fā)，本設(shè)計(jì)采用最新Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠及時(shí)、準(zhǔn)確的將井下各個(gè)區(qū)域人員的動(dòng)態(tài)情況反映到地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使管理人員能夠隨時(shí)掌握井下人員的分布狀況，以便于進(jìn)行更加合理的管理。當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，救援人員也可根據(jù)井下人員定位系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)、圖形，迅速了解有關(guān)人員的位置情況，及時(shí)采取相應(yīng)的救援措施，提高應(yīng)急救援工作的效率，可以較好地解決潛在的一些問(wèn)題，具有一定的先進(jìn)性和實(shí)用性。研究成果的主要內(nèi)容:1、構(gòu)建基于zigbee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)1.1、建立定位網(wǎng)絡(luò)zigBee網(wǎng)絡(luò)將這兩種物理設(shè)備在邏輯上又定義成為三類設(shè)備，即ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器

4、和ZigBee終端設(shè)備。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，沿坑道每隔200米距離（與井下電源接口位置一致），在坑道適當(dāng)位置（例如頂部）設(shè)置一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)模塊（FFD,坑道中為路由器，井口為協(xié)調(diào)器），同時(shí)在其它需要定位人員身上配備一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)模塊（RFD），該終端可由礦燈進(jìn)行供電。Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)布局如圖1所示：圖1 Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)布局圖1.2、網(wǎng)絡(luò)終端的定位方法對(duì)自身網(wǎng)絡(luò)終端的定位方法：信號(hào)強(qiáng)度測(cè)距法RSSI (Received SignalStrength Indicator) 已知發(fā)射功率，在接收節(jié)點(diǎn)測(cè)量接收功率，計(jì)算傳播損耗，使用理論或經(jīng)驗(yàn)的信號(hào)傳播模型將傳播損耗轉(zhuǎn)化為距離。通過(guò)

5、測(cè)量接收信號(hào)的強(qiáng)度，就能計(jì)算出收發(fā)節(jié)點(diǎn)間的大概距離。得到錨節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)之間的距離信息后，采用三邊測(cè)量法可計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的位置。三邊計(jì)算的理論依據(jù)是，在三維空間中，知道了一個(gè)未知節(jié)點(diǎn)到三個(gè)以上錨節(jié)點(diǎn)的距離，就可以確定該點(diǎn)的坐標(biāo)。CC2431芯片自身具有測(cè)定RSSI的功能. CC2431芯片具有內(nèi)置的RSSI (接收信號(hào)強(qiáng)度)指示器CC2431芯片的RSSI是一個(gè)8位的寄存器值, RSSI_VAL為轉(zhuǎn)換前RSSI功率值,單位為dB·m。其中RSSI_VAL可以轉(zhuǎn)化為與RF管腳相關(guān)的功率P. RSSI_OFFSET為與射頻模塊天線等因素有關(guān)的一個(gè)能量修正值,對(duì)于在不同的環(huán)境參數(shù)或具體的射

6、頻模塊來(lái)說(shuō),它的數(shù)值一般是不同的,需要對(duì)射頻模塊進(jìn)行測(cè)距實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定.但當(dāng)距離太遠(yuǎn)時(shí),由于RSSI值受到環(huán)境、多徑效應(yīng)和節(jié)點(diǎn)自身增益等影響,收到的信號(hào)強(qiáng)度值與距離的關(guān)系很難穩(wěn)定得到,使測(cè)得的RSSI值將變得無(wú)效。因此在定位計(jì)算時(shí),設(shè)定當(dāng)接收到的場(chǎng)強(qiáng)低于某一值時(shí),對(duì)接收到較小的場(chǎng)強(qiáng)值不予考慮，也即定位時(shí)該節(jié)點(diǎn)不參與計(jì)算.然后利用Matlab的多項(xiàng)式擬合函數(shù)進(jìn)行，擬合的參數(shù)要根據(jù)實(shí)驗(yàn)或適用的環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。2、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與控制室實(shí)現(xiàn)485總線通信 網(wǎng)絡(luò)定位節(jié)點(diǎn)在有通信電纜的地方直接通過(guò)RS-485總線，與現(xiàn)有的通信電纜相連接，通過(guò)交換機(jī)再將信息上傳至終端管理計(jì)算機(jī)。因RS-485接口具有良好的抗噪

7、聲干擾性，長(zhǎng)的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點(diǎn)就使其成為首選的串行接口。因?yàn)镽S485接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)一般只需二根連線，所以RS485接口均采用屏蔽雙絞線傳輸。3、上位機(jī)監(jiān)控軟件系統(tǒng)軟件采用VC6.0實(shí)現(xiàn)后臺(tái)模擬系統(tǒng)，如圖2所示。礦井人員位置信息、查找人員當(dāng)前位置并由軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理并在計(jì)算機(jī)屏幕上實(shí)時(shí)顯示。數(shù)據(jù)查詢和管理功能主要通過(guò)各種原始數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，能查詢?nèi)我痪氯藛T當(dāng)前位置所處的位置，主要是利用程序里對(duì)定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和處理來(lái)實(shí)現(xiàn)?？记诠芾砉δ芸梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)礦井人員下井和升井的次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，此功能的實(shí)現(xiàn)主要是對(duì)于各個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)有無(wú)進(jìn)行判斷。圖 2 定位軟件成果的創(chuàng)新特色：1、

8、在硬件選型上，從功耗、成本、通信范圍、處理器方面比較了幾種常見(jiàn)的ZigBee芯片，選用了休眠電流較小，通信距離較遠(yuǎn)的CC2430和CC2431芯片。2、定位算法上采用基于CC2431的RSSI(信號(hào)強(qiáng)度測(cè)距法)測(cè)出定位節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)的距離，再利用三邊測(cè)量法計(jì)算出未知定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。利用RSSI測(cè)距，定位測(cè)量時(shí)間段定位實(shí)時(shí)性更好。3、傳輸上是采用485總線，它具有高抗干擾能力、高傳輸速度及長(zhǎng)距離的傳輸距離，加強(qiáng)了對(duì)井下環(huán)境的適應(yīng)能力并且能快速的把井下作業(yè)人員的情況反映到上位機(jī)，達(dá)到井上井下同步的效果。4、上位機(jī)軟件使用C+編寫，更加易懂，又由于其有比較完整的庫(kù)封裝，更加方便軟件的維護(hù)工作。成果的

9、實(shí)踐意義和社會(huì)影響：由于煤礦安全防護(hù)設(shè)備的陳舊老化以及安全設(shè)施的不足，在出現(xiàn)礦井事故的時(shí)候，往往造成大量的人員及財(cái)產(chǎn)損失，煤礦的安全問(wèn)題亟待解決。目前存在的應(yīng)用于井下的有線和無(wú)線的通信方式，不能及時(shí)地提供井下作業(yè)人員的動(dòng)態(tài)分布及作業(yè)情況等信息，一旦事故發(fā)生，很難有效展開(kāi)救援工作。因此準(zhǔn)確及時(shí)地獲得井下人員的位置信息，具有重要的實(shí)際意義。本項(xiàng)目以CC2430和CC2431為硬件基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下人員的查詢及當(dāng)前位置定位和查詢的功能，有效的提高了對(duì)井下人員的作業(yè)情況及安全情況的掌握，當(dāng)遇到特殊情況或是安全事故時(shí)，可以更加方便了井上人員對(duì)井下人員的安全情況的了解以提高了實(shí)施救助工作的開(kāi)展。研究成果：

10、1、 公開(kāi)發(fā)表論文一篇；2、 Zigbee無(wú)線傳感器一套；3、 上位機(jī)定位軟件一套；三、項(xiàng)目研究總結(jié)報(bào)告預(yù)定計(jì)劃執(zhí)行情況：一、2010年5月-2010年10月對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行理論研究和方案論證。通過(guò)調(diào)研、查閱文獻(xiàn)和技術(shù)手冊(cè)，熟悉Zigbee的工作原理及關(guān)鍵技術(shù)，建立理論基礎(chǔ)，確立設(shè)計(jì)方案。二、2010年10月-2011年12月對(duì)項(xiàng)目方案中的硬件電路和軟件程序進(jìn)行調(diào)試。其中硬件電路設(shè)計(jì)，主要包括Zigbee全功能設(shè)備單元、Zigbee簡(jiǎn)化功能設(shè)備單元、Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置以及RS485與上位機(jī)的接口電路。軟件主要包括：zigbee協(xié)議、Zigbee簡(jiǎn)化功能設(shè)備單元的測(cè)距定位、Zigbee網(wǎng)絡(luò)的通

11、信、RS485通信、上位機(jī)操作平臺(tái)。項(xiàng)目研究和實(shí)踐情況：1、實(shí)現(xiàn)了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，通過(guò)一個(gè)CC2430建立一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、其他幾個(gè)CC2430以路由的形式加入網(wǎng)絡(luò)，定位節(jié)點(diǎn)再通過(guò)路由加入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。2、定位實(shí)現(xiàn)，幾個(gè)參考節(jié)點(diǎn)根據(jù)其所在位置設(shè)置相應(yīng)的固定坐標(biāo)，定位節(jié)點(diǎn)利用CC2431的信號(hào)強(qiáng)度測(cè)距法算出到各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的距離，并通過(guò)距離和參考點(diǎn)的坐標(biāo)確定定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。3、串口通信，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)傳給無(wú)線網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)利用串口和PC機(jī)進(jìn)行通信將節(jié)點(diǎn)ID號(hào)和坐標(biāo)位置傳遞給PC機(jī)。4、上位機(jī)軟件數(shù)據(jù)保存與顯示，上位機(jī)接收串口信息并以文件形式保存數(shù)據(jù)，在顯示時(shí)通過(guò)從文件中獲得各個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)地面坐

12、標(biāo)到顯示坐標(biāo)的轉(zhuǎn)變最后顯示在上位機(jī)上。5、人員定位查詢，通過(guò)對(duì)文件里面保存的數(shù)據(jù)查詢來(lái)獲得要求查詢?nèi)藛T的坐標(biāo)，并且顯示在顯示區(qū)的界面中，這樣可以一目了然的看到所查詢?nèi)藛T所在位置。工作中取得的主要成績(jī)和收獲：1、 主要成績(jī)：完成了上位機(jī)軟件的編寫，Zigbee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及無(wú)線定位的實(shí)現(xiàn)，完成定位模型一組并公開(kāi)發(fā)表論文一篇。2、 主要收獲：（1）使用VC 6.0進(jìn)行上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)，其中主要學(xué)習(xí)利用COM組件和多線程進(jìn)行串口通信設(shè)置、文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)保存和讀寫以及GDI進(jìn)行圖形的繪制定位節(jié)點(diǎn)顯示；（2）利用zigbee模塊CC2430和CC2431的組網(wǎng)，了解到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組建流程。同時(shí)通過(guò)Zigbe

13、e無(wú)線的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，協(xié)議棧中主要包括應(yīng)用層的任務(wù)添加和每層的事件及各個(gè)事件的屬性。（3）了解了項(xiàng)目開(kāi)發(fā)流程，在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)之前我們需要做好每一步的計(jì)劃，磨刀不誤砍柴工，好的計(jì)劃能夠更好的幫助完成。（4）經(jīng)過(guò)了一個(gè)真正項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，讓我明白了對(duì)于未知的領(lǐng)域并不需要害怕，只要的是征服的自信，遇到問(wèn)題解決問(wèn)題。研究工作的不足：1、由于上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)有限，軟件設(shè)計(jì)時(shí)主要關(guān)注于功能的實(shí)現(xiàn)，加上界面設(shè)計(jì)功底欠缺，所以外觀設(shè)計(jì)不夠漂亮。2、由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性較差，而不同條件對(duì)于無(wú)線的影響也不同。由于環(huán)境對(duì)無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度的干擾，CC2431的基于信號(hào)強(qiáng)度測(cè)距法（RSSI）也存在一定的誤差，所以做定位實(shí)

14、驗(yàn)時(shí)可能會(huì)在一定范圍內(nèi)跳動(dòng)。尚需深入研究的問(wèn)題： 1、軟件中對(duì)人員定位查詢，是利用ID號(hào)對(duì)定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行查詢，若建立數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，通過(guò)人與ID號(hào)的對(duì)應(yīng)，通過(guò)輸入人名來(lái)查詢會(huì)更合適。 2、定位算法的優(yōu)化，由于外界條件對(duì)無(wú)線信號(hào)影響，在不同的條件下定位效果也不盡相同，通過(guò)實(shí)際的測(cè)試來(lái)優(yōu)化定位算法，盡量縮小定位的誤差。研究工作中的困難、問(wèn)題：1、開(kāi)始時(shí)，由于基礎(chǔ)知識(shí)的欠缺對(duì)于設(shè)計(jì)不知道從何下手，后面在老師的指導(dǎo)下查閱相關(guān)資料，學(xué)習(xí)VC的MFC編程進(jìn)行界面設(shè)計(jì)。通過(guò)一段時(shí)間的學(xué)習(xí)，選擇了利用VC 6.0中Windows提供的API函數(shù)進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，如：GDI函數(shù)繪制定位點(diǎn)和背景，文件讀寫函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的文件保存使用等。2、項(xiàng)目初期網(wǎng)上關(guān)于zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的資料相對(duì)較少，而Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的建立牽扯到復(fù)雜的協(xié)議棧的應(yīng)用，進(jìn)行無(wú)線組網(wǎng)需要對(duì)Zigbee無(wú)線協(xié)議有較為深入的了解，學(xué)習(xí)起來(lái)比較吃力，所以進(jìn)展很慢。3、設(shè)備價(jià)格昂貴，開(kāi)發(fā)經(jīng)費(fèi)比較緊張。四、經(jīng)費(fèi)使用情況經(jīng)費(fèi)合計(jì)12685元，其中，學(xué)校配套資助 2685 元，學(xué)院（所）配套資助 0元，其他經(jīng)費(fèi) 10000 元。經(jīng)費(fèi)支出情況：1