zigbee技术及其在井下人员定位系统中的应用new

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1、ZigBee技术及其在井下人员定位系统中的应用    作者：王志中，董爱华    摘要：在煤矿井下发生安全事故后，及时准确地获知井下作业人员的位置信息是至关重要的。本文在介绍了ZigBee技术的特点、协议和组网技术的基础上。提出了将ZigBee技术运用于煤矿井下定位系统，组成无线传感器网络，构建井下人员无线定位系统的设计方案。    关键词：Zigbee技术；人员定位；CAN总线    0引言    安全是一个永恒的话题。安全生产是社会进步和人类发展的重要保证。尽管20世纪科学技术的发展已经为未来

2、的进步构筑了坚实的平台，新的采矿方法和技术将不断被采用、采矿业将向智能化和无人化的方向发展。但是，目前传统的采矿方法依然占据着主导地位，是其他采矿方法在短时间内仍无法完全替代的，传统的采矿方法所面临的安全问题仍将困扰着人类。由于缺乏对入井人员的有效检测、定位手段，难以及时掌握井下人员的动态分布及作业情况。一旦发生事故，对井下人员的抢救缺乏可靠信息，抢险救灾、安全救护的成功率低，造成重大的人员伤亡。这些问题的存在迫切的要求我们建立一种既经济实用又安全可靠的井下人员定位系统。    目前，矿井无线通信

3、技术主要有透地通信技术、中远距离射频感应通信技术、漏泄通信技术以及矿井移动通信技术等。上述技术有的成本较高，有的功耗相对较大，还有的抗干扰能力相对较差等一些不足，在很大程度上阻碍了在矿业行业的推广应用。本文提出了一种基于ZigBee技术的煤矿井下无线网络通信系统成功解决上述问题。    1ZigBee技术及定位方法    1.1ZigBee技术    ZigBee的名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来通知发现的新食物源的位置、距离和方向等信息，以此作为新

4、一代无线通讯技术的名称。ZigBee技术是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备，面向的应用领域是,低速率无线个人区域网(LRWPAN,LowRateWirelessPersonalAreaNetwork)，目的是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制。    ZigBee与同类技术相比，具有许多特点，其主要特点如表1所示。    表1ZigBee的特点        ZigBee技术是基于IEEE802．15.4无线

5、标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术，IEEE802.15.4仅处理MAC(MediumAccessControl)层和物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和API(ApplicationProgrammingInterface)进行了标准化。ZigBee是由ZigBeeAlliance所主导的标准，定义了网络层(NetworkLayer)、安全层(Security,Layer)、应用层(ApplicationLayer)、以及各种应用产品的资料；而由国际电子电机工程协会(IE

6、EE)所制订的802.15.4标准，则是定义了物理层(PHYLayer)及媒体存取层(MediaAccessControlLayer；MACLayer)。如图1所示。        图1ZigBee协议栈    应用层定义了各种类型的应用业务，是协议栈的最上层用户。    应用汇聚层负责把不同的应用映射到ZigBee网络层上，包括安全与鉴权、多个业务数据流的汇聚、设备发现和业务发现。    网络层的功能包括拓扑管理、MAC：管理、路由管理和安全管理。    数据链路层又可分为逻辑链路控制子层(LL

7、C)和媒介接入控制子层(MAC)。IEEE802.15.4的LLC子层与IEEE802.2的相同，其功能包括传输可靠性保障、数据包的分段与重组、数据包的顺序传输。IEEE802.15.4MAC子层通过SSCS(Service-SpecificConvergenceSub-layer)协议能支持多种LLC标准，其功能包括设备间无线链路的建立、维护和拆除，确认模式的帧传送与接收，信道接入控制、帧校验、预留时隙管理和广播信息管理。    物理层采用DSSS(DirectSequenceSpreadSpe

8、ctrum，直接序列扩频)技术，定义了3种流量等级：当频率采用2.4GHz时，使用16信道，能够提供250kbit/s的传输速率；当采用915MHz时，使用10信道，能够提供40kbit/s的传输速率；当采用868MHz时，使用单信道，能够提供20kbit/s的传输速率。    ZigBee网络的拓扑主要有星状、网状和混合状。星状拓扑结构具有组网简单、成本低、电池使用寿命长的优点，但网络覆盖范围有限，可靠性不及网状拓扑结构，一旦中心节点发生故障，所有与之相连的网络节点的通信都将中断