摘要：文章主要介绍GIS技术、Zigbee技术和CC2430芯片概况，根据RSSI定位和三边测量算法原理，提出采用GIS技术与Zigbee技术相结合组建而成的煤矿井下人员实时定位设计，该设计能真正实现对井下人员全方位的实时定位，具有功耗低和成本低廉的特点。
关键词：煤矿;地理信息系统;Zigbee;CC2430;定位
中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1006-8937 (2010) 03-0047-02
GIS and Zigbee in underground coal mine personnel real-time .
location applications
ZHANG Zhi,ZHANG Lin
(School of Information Communication Engineering Electrical ,Sichuan University, Chengdu,Sichuan 610065 China)
Abstract: This paper introduces GIS technology,Zigbee technology and CC2430 chip profiles,according to RSSI measurement algorithm to locate and triangular principle,the use of GIS technology and Zigbee technology,founded by combining real-time positioning personnel coal mine design,the design can truly realize underground staff on the full range of real-time positioning, with low power consumption and low cost characteristics.
Keywords:coal mine ; GIS(Geographic Information Systems) ; Zigbee ; CC2430 ;location
目前的煤矿监控设计在井下基本上采用的是有线的信号传输方式，使得其设备工作在固定的位置，移动性差，这就不可避免地造成了监控死角，难以对井下人员实现全方位实时定位。而井下环境恶劣，一旦发生事故，无法实时了解定位人员所在位置，提供应急救援也就无从谈起。本文提出运用当前的GIS技术，将井下信息与电子地图结合起来，建立GIS与Zigbee相结合的井下安全生产监控设计，实现井下人员实时定位，为安全生产和防灾救灾提供信息支持。
1 GIS技术和Zigbee技术
1.1 GIS技术
GIS (Geographic Information Systems)即地理信息系统，它集计算机科学、地理学、环境科学、城市科学、空间科学、信息科学等学科为一体，以地理空间为基础，对地球上存在的事物进行成图，在地理测绘、交通、能源、林业等众多的领域具有实用价值，是一种基于计算机科学的工具。GIS技术的主要特点是：将表格型的数据(数据库，电子表格文件或直接在程序中输入)转换为地理图形显示，并对其进行浏览和分析;能管理具有空间属性的各种实体信息，对其实施动态检测和比较。例如人类、街道路线、大厦等;地理显示范围广阔。可从偌大的地球地图到纷繁复杂的小区地图;通过数据收集、空间分析来制定科学合理的决策和评价，从而提高经济效益。
1.2 Zigbee技术
Zigbee是一种用于短距离范围内、低传输数据速率下的各种电子设备之间的无线通信技术。它大致由物理层、媒体接入控制层、网络层和应用层组成，其物理层和媒体接入控制层采用了IEEE802.15.4标准，而其网络层和应用层则由Zigbee联盟定义，便于各个厂商的设备能相互兼容。Zigbee技术的主要特点是：传输可靠，抗干扰强;安全，Zigbee技术提供了数据完整性检查权功能，加密算法采用AES-128/64/32，并且各应用可以灵活地确定其安全属性，使网络安全能够得到更有效的保障;速度快，距离远，Zigbee具有两个物理层，即2.4 GHz物理层和868—915 MHz物理层，其速度为250 kb/s和20—40 kb/s，传输距离可以达到30—70m，如果扩大信号，传输距离超过百米;网络容量大，1个Zigbee网络最多可以容254个从设备和1个主设备，并且多个Zigbee网络间可以直接互连;Zigbee节点的体积小，安装方便，其成本较低，所以便于井下无线定位中采用。
2人员实时定位设计
2.1 RSSI定位
本设计采用基于RSSI(Received Signal Strength Indicator)的定位，在基于接收信号强度指示RSSI的定位中，已知发射节点的发射信号强度，接收节点根据收到信号的强度，计算出信号的传播损耗，利用理论和经验模型将传输损耗转化为距离，再利用已有的算法计算出节点的位置。该技术主要使用RF信号，因传感器节点本身具有无线通信能力，故其是一种低功率、廉价的测距技术。
2.2三边测量法原理
传感器节点定位算法很多，三边测量法是最典型的一种。通过RSSI值得出未知节点到3个信标节点的距离，通过这3个距离值计算出未知节点的位置。如图1所示，已知pl、p2、p3等3个信标节点的坐标分别为(x。，y。)、(Xb，yb)、(x。，y。)。假设未知节点p的坐标为(x，y)。根据RSSI值，得到pl到p、p2，及p、p3到p的距离d。、db、d。
图1三边测量法的定位原理
2.3实时定位
本设计的定位测距是在三边测量算法的支持下，采用RSSI定位技术，基于Zigbee的硬件平台上完成的。采用成都无线龙公司的通讯模块C51RF-3-CC2430套件来完成固定节点和不定节点(即煤矿工作人员)间的通信以及数据的采集，不用再添加任何硬件便可得到接收信号强度值。
实时地图采用北京慧图信息科技公司的TopMap地理信息设计开发平台学习版，该平台提供了丰富的地理信息设计功能，包括地图图层管理、GIS交换格式导人导出、地图编辑、图层编辑、实体编辑、属性数据操作、图像输出等功能。通过采用上述方法，提出的本设计方案能够实现电子地图上的井下人员实时定位，其功能主要包括煤矿井下电子地图操作和井下人员定位等功能。
2.3.1 CIS电子地图
本设计为表述方便，假想了3个煤矿井下作业人员，设置了3个图层，分别是监控图层，巷道图层和背景图层，所构造的煤矿地图如图2所示，可对该地图进行放大，缩小，拖动等一系列操作，在工具条命令的地图菜单栏的实时输出图片功能，可把地图当前可视区域保存为BMP、GIF、JPG等图片格式。如果对地图上的图层实体进行了操作，可通过地图菜单栏的另存为副本的功能把现有的地图和图层另存到目标文件中，便于进行实时更新。
图2 GIS电子地图
2.3.2井下人员实时定位
本设计最重要的功能就是实现井下人员的实时监控，以便及时掌握他们所处的位置，便于井上监控人员根据生产需要对其进行调度。如图3所示，以李二为例，在pl、p2、p3的位置处安装CC2430模块，已知：井口区的坐标是地图X=4.415447e+005，Y=4.431917e+006; p2的坐标是X=4.389477e+005，Y=4.423076e+006;pl的坐标是X=4.390582e +005，Y=4.426171e +006;p3的坐标是X=4.418210e+005，Y=4.424347e+006;根据三边测量算法，即可得出李二的坐标是：X =4.401081e +005，Y =4.424126e+0060。
3结语
图3 实时定位
本文针对煤矿生产中井上人员无法掌控井下人员的动态这一现实问题，提出采用GIS技术和Zigbee技术相结合的煤矿人员实时定位设计方案，着重利用Zigbee技术得出井下人员的地理位置信息，并传到地上监控系统，再通过GIS技术将其地理位置实时显示出来，这对煤矿生产单位调度井下人员提供了一项可操作的控制方案。
参考文献：
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