基于CAN和Zigbee技术的井下定位系统设计

　　摘 要：本论文对 CAN总线技术和 ZigBee技术的特点和应用领域进行了探讨。在 CAN总线技术和 ZigBee无线网络技术相结合下，对井下人员定位系统工程进行研究和设计 ,并介绍了此系统的构成及功能特点。该系统便于矿领导、调度室和安监人员及时了解有关人员下井时间及分布情况。

　　引 言

　　目前，国家对煤矿安全生产的要求越来越高，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有着重要的现实意义。本文设计的井下人员跟踪系统采用 CAN总线和国际上先进的 Zigbee无线网络技术使井上主机和井下 Zigbee无线网络模块进行双向通信，来自动识别流动人员和运输机车等动态目标，进行位置和用户信息的锁定和跟踪并能够及时、准确地将井下各个区域人员的动态情况反映到地面计算机系统，使管理人员能够随时掌握井下人员的分布状况和每个下井人员的入井、升井时间及运动轨迹，以便于进行更加合理的管理。当事故发生时，救援人员也可根据井下人员定位系统所提供的数据、图形，迅速了解有关人员的位置情况，及时采取相应的救援措施，提高应急救援工作的效率，具有一定的先进性和实用性。而且由于识别跟踪目标和数据交换是通过无线通信方式，具有无需人工操作，识别器小巧、轻便、便于携带，抗干扰能力强，反应灵敏等特点，非常适用于环境条件非常恶劣且工作人员流动性很大的煤矿井下。

　　1 CAN 总线技术

　　CAN(Controller Area Network)总线，又称控制器局域网[5]，是 Boseh公司在现代汽车技术中推出的一种多主机局部网，由于其卓越的性能，极高的可靠性，独特灵活的设计和低廉的价格，现己广泛应用于工业现场控制、智能大厦、小区安防、交通工具、医疗仪器、环境监控等众多领域。CAN已被公认为几种有前途的现场总线之一。CAN总线规范已被 150国际标准组织制订为国际标准， N协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连参考模型基础上的，主要工作在数据链路层和物理层。用户可在其基础上开发适合系统实际需要的应用层通信协议，但由于 CAN总线极高的可靠性，从而使应用层通信协议得以大大简化。

　　CAN总线上的节点是网络上的信息接收和发送站；所谓智能节点 [2]是由微处理器和可编程的 CAN控制芯片组成，智能节点能通过编程设置工作方式、DI地址、波特率等参数。 CAN智能节点能够采集现场数据，并根据接收到的命令或者主动将数据发送到 CAN总线。通过事先设置验收码和验收屏蔽码可以控制智能节点从总线上接收哪些数据命令。如果某些数据需要进一步复杂的处理，则上位计算机可以从总线上接收数据。当上位机需要对某个节点施加控制动作时，可以采用点对点的方式与该节点通讯；而当它要同时对所有的节点施加控制动作时，可以采用广播方式将命令发送到总线。这样当系统正常运行时完全可以没有上位机的参与。大大减少了数据的传输量，同时提高了系统的实时性和可靠性。

　　CAN总线是目前应用比较成熟的总线技术，可靠性极高。由于 CAN总线采用非破坏性仲裁技术，当巷道内人员众多，使多个人员检测单元检测到人员信息码，同时向总线传送数据时，优先级低的节点将主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，从而有效避免总线冲突。CAN总线采用短帧结构，每帧的有效字节数为 8，数据传输时间短，受干扰的概率低。 CAN的每帧数据都有 CRC校验及其他检错措施，保证了数据传输的高可靠性，适合在井下高干扰环境中使用。CAN节点在错误严重的情况下，具有自动离线功能，使总线上其他节点不受影响。正由于 CAN总线有这样的优点，加上本系统的数据传输量不大，所以各节点往上位机传输数据不用轮询方式而直接采用即时传送方式，保证系统良好的实时性。 2 Zigbee简介

　　Zigbee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。

　　Zigbee协议栈 [3]由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成，网络层以上的协议由 Zigbee联盟负责，IEEE则制定物理层和链路层标准。应用汇聚层把不同的应用映射到 Zigbee网络上，主要包括安全属性设置和多个业务数据流的汇聚等功能。网络层将采用基于 Adhoc技术的路由协议，除了包含通用的网络层功能外，还应该与底层的 IEEE 802．15．4标准同样省电。另外，还应实现网络的自组织和自维护 [4]，以方便消费者使用，降低网络的维护成本。
　　3 系统构成

　　井下人员定位系统主要由人员跟踪定位、数据传输和井上计算机系统 3个部分组成，如图１所示：

　　3．1 人员跟踪定位

　　由一个或几个无线定位骨干网络（无线读写器）和几百个移动的目标节点（无线 ID模块）构成，再配以不同的定位应用算法和配置工具。无线定位网络（无线读写器）— 利用 ZigBee 无线网络模块，根据实际应用环境合理布局，组成一套 ZigBee 无线定位骨干网络，网络形态可以是链状或网状拓扑。定位网络中的参考节点（无线读写器）将接收到目标节点（无线 ID模块）信息（ ID号、无线信号强度 RSSI 等），以无线方式或辅助其他传输方式送到中心控制 PC 端进行终处理。移动目标节点（无线 ID模块） — 利用低价 ZigBee 无线模块（只完成无线收发不需要网络功能的 RFD 模块），制成一个便携式的移动装置。根据需要该装置可以连接不同的传感器［６］，组成一个既有身份识别，又有传感功能的移动装备。利用 IEEE802．15．4 无线传输技术，合理地控制模块的休眠、唤醒过程，从而达到节电的目的。根据实际定位的需要，调整主节点和子节点的接收灵敏度和发射功率，以使网络节点的通信范围和定位范围都能满足实际应用的需要 ,这往往需要增大主节点的发射功率，减小子节点的发射功率，以及可能的主节点接收灵敏度的调整。

　　安置的网络模块将自动组成一个 Zigbee通信网络，这个通信网络实际就是一个定位网络，每一个网络节点就是一个定位点，网络节点可通过自动读取移动目标的信息和信号强度，来确定移动目标的位置信息，网络定位节点在已有通信电缆的地方直接通过 RS-485[1]接口与 CAN转 RS-485协议转换器相连接，再通过 CAN总线经适配器、交换机将信息上传至井上管理计算机，管理计算机通过软件对数据进行处理，实现人员跟踪定位系统的全部功能。

　　3．2 数据传输

　　包括分线接头、电缆接头、网络连接等。网络节点可通过自动读取移动目标的信息和信号强度，在 Zigbee通信网络中各个节点之间传输，网络节点在有通信电缆的地方直接接入已有的通信电缆，通过交换机等再将信息上传至终端管理计算机。

　　3．3 上位计算机系统

　　上位计算机硬件系统包括主机、电源系统、转换接口、软件保护器、打印机等；软件系统包括：信号采集与处理系统、通信系统、分析统计系统，数据库，人机界面；报警装置等。本设计的网络软件按照网站形式编制，运行在矿局域网的服务器上，连网的计算机通过浏览器便可以调阅本系统的内容。在调度室和矿领导办公室，可通过微机直观地查看井下人员情况。可以查询该地点人员的情况、下井人员姓名、职务，下井时间、上井时间、井下累计时间等详细情况。

　　井下人员定位系统软件采用 VC++来分别设计考勤信息获取和接口模块，人员信息数据检索模块，人员定位信息查询模块来实现井下人员的跟踪定。采用 Windows server， website web2．0， IE6．0，MapInfo，Visual Basic，VC++来实现对网络接口、数据浏览和数据库查询系统开的开发。

　　4 系统功能、数据信号流程

　　4．1井下定位系统的主要功能

　　数据库的管理系统软件选择面很大，在 Win-dowsXP环境下的数据库系统较多。该系统采用MapInfo，Visual Basic并结合VC++来开发的集数据采集和信息处理的数据库管理系统，具有无线 ID模块地址码设置和标签信息管理、考勤、定位、跟踪查询、历史数据查询、综合报表打印、运动轨迹图形模拟、系统更新维护、联网功能等功能。

　　4．2 煤矿井下定位系统数据信号流程图（图２）

　　4．3 井下定位跟踪系统的主要特点

　　被测目标无负担，通行方式无限制，结构简单，配置灵活，系统采用电池组单独向读卡器供电的方式，解决了井下取电不方便的问题。但系统设计仍预留了井下取电的接口，在需要的情况下，可在井下取电。无线 ID模块使用的都是抗干扰的直序扩频通信方式，被识读灵敏度极高，漏读率低于百万分之一；同时设计的无线 ID模块只能在读写器感应范围内起动工作，使 Zigbee无线 ID模块超低功耗。系统复用，保护原有投资。人员跟踪定位系统可以和原有的安全生产监测系统(如瓦斯检测系统)共网复用，减少投资也可以在人员监测系统网络中加设环境参数，工况等其他类型的传感器，构成多功能的综合监测系统。信息反馈快速准确。对从井下传送上来的信息能够迅速的通过网络传输到服务器端，接收到信息后，服务程序会及时地对信息进行处理，以备查询终端发出请求。

　　5 结 语

　　本系统设计了科学实用的井下人员定位采样的前端系统，提出了 CAN总线和无线 Zigbee网络通信体系，该体系更加适应井下人员活动分散，掘进工作面或采煤工作面分布区域广的特点；本系统还根据煤矿生产的实际情况构建了后端数据库体系，提供了井下人员安全生产的各种相关信息，以便地面的生产管理人员可以实时掌握井下人员的工作位置和运动轨迹。

　　本文的创新之处在于提出了一种基于无线 Zigbee网格定位的新方法 , 系统中每一个网络节点就是一个定位点，网络节点可通过自动读取移动目标的信息和信号强度来确定移动目标的位置信息，以实现对井下人员进行有效的实时的定位和监控，而且将 CAN总线有线传输和 Zigbee无线网络传输有机结合起来, 使数据传输更稳定；本设计还可以根据实际情况复用目前井下采用的瓦斯监测有线网络通信体系来解决井下到地面的数据传输，减少投资成本。

  

参考文献:

[1]. PC  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PC+_2043275.html.
[2]. RS-485 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RS-485_584821.html.