ENERGY-BASED WIRELESS SENSOR NETWORKS TO IMPROVE THE AODV PROTOCOL

1. 引言

近年来，国家虽然非常重视煤矿安全生产工作，出台了一系列的法律和法规，但煤矿重大事故仍然是时有

发生，而小煤矿发生的事故更是呈现出上升趋势。事故的发生给国家和人民带来了重大的经济损失，为了

进一步减小人员伤亡和经济损失，设计并实现井下人员定位系统就成了一件具有重大意义的事情。

目前，市场上推出了不少用于井下人员定位系统的产品，如上海秀派电子科技有限公司推出的井下人员及

设备定位系统。这些产品几乎都是采用RFID（Radio Frequency Identification）技术。这种技术存在

通信距离短、读卡器价格昂贵等缺点，因此此类产品实际的定位效果并不佳。国外近几年更是推出了漏泄

通信系统，如英国的DAC系统，此类系统普遍存在两个问题：一是没有充分利用漏泄通信可利用的频段

（75MHz或150MHz）；二是通信方式均为单工或半双工方式。针对以上问题，本文充分利用ZigBee和嵌入

式技术的优点设计和实现了用于井下人员的定位系统。

2. 井下人员定位系统总体设计结构

井下人员定位系统的总体设计结构如图1所示。参考节点就是已知坐标位置的节点；移动节点就是不知道

自身位置而要通过参考节点来定位的节点；网关节点既要配置参考节点的位置信息，又要接收移动节点的

位置信息，然后再传给Web服务器；Web服务器则通过Internet传给远程的计算机。

图1 系统总体设计结构

3.硬件设计

3.1节点硬件设计

参考节点和移动节点的原理框图如图2所示。它们主要由传感器模块、数据采集模块、无线通信模块以及其

它一些外围电路组成[1]。而网关节点由于要和Web服务器连接，所以网关节点的组成要比参考节点的组成

多一个串口模块，其组成如图3所示。

图2 参考节点或移动节点的组成

图3 网关节点的组成

下面详细介绍节点各模块的组成部分：

3.1.1 处理器芯片

参考节点和网关节点的处理器芯片采用TI公司的CC2430芯片，CC2430在单个芯片上整合了ZigBee/IEEE802.15.4

射频、内存和微控制器。

移动节点的芯片则采用CC2431芯片，CC2431的组成跟CC2430差不多，只不过是多了一个定位引擎。此定位引

擎根据RSSI（Received Signal Srength Indicator）和参考节点的坐标利用三边测量法计算出移动节点

的坐标[2]。

3.1.2 传感器芯片

本项目由于只需要采集温度，所以这里只涉及温度传感器。温度传感器芯片采用瑞士Scnsirion公司生产的

SHT11芯片，该芯片具有集成度高、接口简单、精度高、可靠性高的特点。

3.1.3 天线

采用的天线是通过SMA头连接的2.4GHz天线。由于此时我们不能忽略微波反射和驻波等因素的影响。所以我们

选择的传输线阻抗要与天线阻抗良好匹配。

3.2 Web服务器硬件设计

由于移动节点的位置信息要传给远程监控的主机，即要实现数据的远距离传输。所以本系统采用嵌入式Web服务

器接入网的方法。Web服务器硬件组成如图4所示。

图4 Web服务器组成

3.2.1处理器芯片

Web服务器芯片采用SAMSUNG公司生产的S3C44B0芯片。S3C44B0X具有低功耗和全静态设计的特点，特别适用于

低成本和功耗敏感的场合。

3.2.2以太网接口芯片

以太网接口芯片采用REALTEK公司生产的RTL8019AS。它是一种全双工即插即用的以太网控制器，它提供了能自

动检测10BaseT的RJ45接口。

3.2.3 USB接口芯片

USB接口芯片采用Philips公司生产的ISP1161。ISP1161是专门为嵌入式系统实现USB HOST而设计的。它可以

很方便地和RISC指令集处理器或数字信号处理器相连接。

4.软件设计

4.1参考节点软件设计

参考节点的坐标位置是固定的，它不参与定位计算，其工作流程如图5所示。

4.2 移动节点软件设计

移动节点通过接收参考节点的RSSI的来实现自身的定位。其工作流程如图6所示。

4.3 网关节点软件设计

网关节点的工作流程则如图7所示。从图7可知，网关节点除了要接收PC对参考节点的配置信息外，也要接收节

点的反馈信息。

4.4 Web服务器软件设计

Web服务器采用mClinux操作系统设计。mClinux基于Linux内核开发，它主要用于无存储器管理单元（MMU）

微控制器的设计中。它具有稳定性好和丰富的API等优点。

Web服务器的软件设计流程如图8所示[3][4]。

4.5 Web服务器界面设计

Web服务器界面结构如图9所示。在图9中，只有“节点配置”和“定位查询”采用动态页面实现，所以它们各

自链接不同的CGI程序；其余均采用静态页面实现。

由于采用的是HTML多框架结构，所以所有的HTML文件以及需要链接的图像文件均要放入/mClinux-dist/vendors

路径下的tmpt文件夹内。

图5 参考节点工作流程

图6 移动节点工作流程

图7 网关节点工作流程

图8 Web服务器软件设计

图9 Web服务器界面

5系统测试

为了模拟井下人员定位，系统的测试环境选择了一个有人员流动2m*10m的走廊来进行实验。具体的实验

步骤如下：

1) 把10个参考节点放置在走廊的两边；

2) 通过PC给参考节点配置坐标位置；

3) 将移动节点放置在参考节点的区域内；

4) 在服务器界面中查看移动节点的定位信息。

我们在走廊人流量不同的时刻进行了多次实验，发现人流量越少的情况下，定位越精确。这主要是由于人

员走动及其吵闹声对RSSI造成的影响。表1给出了移动节点在人员流动较少的情况下的定位情况，从表可

知，移动节点的定位误差均在0.5m范围内。

表1 移动节点测量结果

节点编号	实际位置（m）	测量位置（m）
1	（1，1）	（0.8，1.3）
2	（2，1）	（2.0，1.4）
3	（3，2）	（2.9，2.2）
4	（4，1）	（4.2，1.2）
5	（5，2）	（5.3，2.3）
6	（6，1）	（5.7，0.8）
7	（7，2）	（7.4，2.2）
8	（8，1）	（7.9，1.1）
9	（9，2）	（9.1，1.8）
10	（10，2）	（9.7，2.3）

6结束语

井下人员定位系统是煤矿企业安全生产的重要保障。文中提出的基于ZigBee的井下人员定位系统能够对井

下人员实时跟踪和定位，因此该系统能够提高煤矿安全管理和日常生产工作。

参考文献

[1] 刘杰，李长录．基于ZigBee技术的矿井人员定位应用研究[J]．煤矿安全，2008(12)．

[2] TI．CC2431-System-on-Chip for 2.4 GHz ZigBee/IEEE802.15.4 with Location Engine，

Rev2.01，2009．

[3] 刘安昱，温晓辉，刘志红．基于S3C44B0X的mClinux的移植究[J]．单片机与嵌入式系统应用，

2003(12):76-79．

[4] 陆永健，王萍，吴佳．嵌入式Web服务器Boa的移植及其应用[J]．河海大学学报，2005(19):44-47．

作者简介：

金纯（1966-），男，重庆人，教授，主要研究方向为数字电视、无线传感器网络等。

何山（1986-），男，广东梅州人，硕士研究生，主要研究方向为无线传感器网络。

徐洪刚（1986-），男，江苏丹阳人，硕士研究生，主要研究方向为个人通信。

基于ZigBee的井下人员定位系统设计