摘 要： 針對(duì)特殊環(huán)境下傳統(tǒng)通信方式的局限性，結(jié)合ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，提出了一種基于ZigBee的施工人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并著重介紹了該系統(tǒng)的構(gòu)成、功能和無(wú)線通信組網(wǎng)方式。該系統(tǒng)通過(guò)建立網(wǎng)狀無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，利用人員終端信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)的方法，可以實(shí)現(xiàn)管理中心對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員的實(shí)時(shí)通信、定位與環(huán)境監(jiān)測(cè)。使人員考勤和緊急情況疏散救援等功能得到完善。
關(guān)鍵詞： 施工現(xiàn)場(chǎng)；ZigBee；人員定位；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)
隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，高速公路、鐵路以及城市道路的建設(shè)越發(fā)的加快。由于城市地鐵、鐵路施工單位和高速公路施工單位改善了路線技術(shù)指標(biāo)，縮短了路程和行車時(shí)間，提高了運(yùn)營(yíng)效益，因此國(guó)家不斷加大施工單位的建設(shè)力度；然而施工單位建設(shè)的造價(jià)高、運(yùn)營(yíng)管理相對(duì)復(fù)雜，所以各地對(duì)施工單位的建設(shè)都十分重視。盡管如此，施工事故還是頻繁發(fā)生。
本文針對(duì)以上情況提出了一種基于ZigBee技術(shù)[1-2]的施工現(xiàn)場(chǎng)人員定位系統(tǒng)解決方案，為施工單位的安全建設(shè)提供了嶄新的安全管理理念和強(qiáng)有力的保證。
1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
基于ZigBee技術(shù)的定位系統(tǒng)一般采用自適應(yīng)組網(wǎng)的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可容納255個(gè)設(shè)備，傳輸方式可以是單跳也可以是多跳，并且使用的地址范圍寬泛。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)由協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備組成。根據(jù)其在節(jié)點(diǎn)中不同的功能分為全功能設(shè)備（ZigBee FFD節(jié)點(diǎn)）和精簡(jiǎn)功能設(shè)備（ZigBee RFD節(jié)點(diǎn)）。協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)、設(shè)備連接和網(wǎng)絡(luò)斷開，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中只能有一個(gè)協(xié)調(diào)器。路由器主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)信息轉(zhuǎn)發(fā)和網(wǎng)絡(luò)地址分配。終端設(shè)備負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)給FFD設(shè)備。協(xié)調(diào)器和路由器是FFD設(shè)備，終端設(shè)備可以是FFD設(shè)備也可以是RFD設(shè)備。ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
基于ZigBee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)與基于傳統(tǒng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和固定網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）在施工現(xiàn)場(chǎng)可以設(shè)置多個(gè)ZigBee子網(wǎng)，其中每個(gè)子網(wǎng)中所有的RFD節(jié)點(diǎn)都可隨時(shí)加入或者離開任意ZigBee子網(wǎng)；
（2）RFD節(jié)點(diǎn)開機(jī)后會(huì)自動(dòng)迅速地組成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)；
（3）RFD節(jié)點(diǎn)在使用過(guò)程中可根據(jù)需要隨意移動(dòng)以及開關(guān)機(jī)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)會(huì)動(dòng)態(tài)構(gòu)建拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；
（4）無(wú)線路由提供多跳的通信方式，F(xiàn)FD節(jié)點(diǎn)會(huì)選擇合適的最優(yōu)路徑。
2 人員定位的關(guān)鍵技術(shù)及算法
不同的ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間由網(wǎng)絡(luò)ID和頻段來(lái)區(qū)分。每個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)都具有64 bit的永久地址，可以將其作為唯一標(biāo)識(shí)。協(xié)調(diào)器作為一個(gè)ZigBee的組織者，可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)橋與以太網(wǎng)連接[4]。攜帶RFD設(shè)備的工作人員可以從一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入另一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，可以在FFD設(shè)備接收到的RFD設(shè)備的通信協(xié)議包中設(shè)置無(wú)線信號(hào)參數(shù)，并根據(jù)其參數(shù)值大小、強(qiáng)弱確定人員的位置。
在系統(tǒng)工作時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)人員需要佩戴RFD設(shè)備，該設(shè)備定時(shí)發(fā)出通信協(xié)議包，并由放置于距施工現(xiàn)場(chǎng)最近的FFD設(shè)備接收，根據(jù)通信協(xié)議包中所設(shè)置的無(wú)線信號(hào)參數(shù)判斷位置信息。FFD模塊依據(jù)一定算法選擇合適的通信路徑，通過(guò)其他FFD模塊以多跳通信或直接的方式將數(shù)據(jù)包傳送到協(xié)調(diào)器，再傳入以太網(wǎng)，最終形成數(shù)據(jù)通過(guò)基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)地傳輸至監(jiān)控中心，使監(jiān)控人員能夠集中管理，實(shí)時(shí)掌握人員位置。
根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境以及結(jié)構(gòu)布置各個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，協(xié)調(diào)器與中央控制臺(tái)以線纜連接。在現(xiàn)場(chǎng)各處每隔幾十米放置一個(gè)FFD設(shè)備，作為定位參考節(jié)點(diǎn)。RFD節(jié)點(diǎn)、FFD節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器開機(jī)后自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)。人員佩戴的終端節(jié)點(diǎn)周期性地與附近的定位參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，通過(guò)測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度確定終端節(jié)點(diǎn)的具體位置。FFD模塊通過(guò)算法選擇最優(yōu)的通信路徑，通過(guò)其他的FFD模塊以多跳通信的方式把數(shù)據(jù)傳到協(xié)調(diào)器，再傳入以太網(wǎng)，最終發(fā)送到監(jiān)控中心。
人員定位管理算法主要依據(jù)定位卡與基站通信的信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)質(zhì)量來(lái)進(jìn)行計(jì)算， 具體算法如下：
3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)
（1）隧道人員定位：在隧道的進(jìn)出口、交叉道口、工作面、地面主要出入口等位置安裝基站。當(dāng)攜帶有識(shí)別卡的人員進(jìn)入基站檢測(cè)范圍時(shí)， 基站可以將相關(guān)人員的身份等信息讀出并傳送回管理中心。定位信息經(jīng)過(guò)管理軟件處理后生成人員分布圖和人員分布表，從而在洞外就可以直觀地看到隧道內(nèi)人員的分布情況。
（2）路徑跟蹤：該系統(tǒng)可以跟蹤人員在洞內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，記錄他們經(jīng)過(guò)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)和在各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的停留時(shí)間。
（3）實(shí)時(shí)通信：洞外管理中心可以通過(guò)管理軟件發(fā)送短消息呼叫洞內(nèi)人員， 洞內(nèi)人員可以通過(guò)帶液晶屏的識(shí)別卡發(fā)送短消息到洞外管理中心。
（4）考勤統(tǒng)計(jì)：該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的考勤功能，人員無(wú)需排隊(duì)靠近基站，100 人同時(shí)快速進(jìn)洞也能正確考勤。系統(tǒng)自動(dòng)記錄人員的進(jìn)洞、出洞時(shí)間，并自動(dòng)統(tǒng)計(jì)生成每日考勤、每月考勤等報(bào)表，為隧道施工提供考勤管理基礎(chǔ)信息。
（5）區(qū)域統(tǒng)計(jì)：系統(tǒng)可自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出各區(qū)域的人數(shù)，根據(jù)不同的情況采用兩種區(qū)域統(tǒng)計(jì)方法。對(duì)于有狹長(zhǎng)入口的區(qū)域，可以采用入口統(tǒng)計(jì)法，與洞口考勤統(tǒng)計(jì)方法相同；對(duì)于沒有狹長(zhǎng)入口的區(qū)域，可以采用基站和統(tǒng)計(jì)法， 即將區(qū)域中各基站檢測(cè)到的人數(shù)相加得到區(qū)域總?cè)藬?shù)。
（6）環(huán)境設(shè)備監(jiān)測(cè)：對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的某些重要儀器設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控以及對(duì)重要區(qū)域進(jìn)行環(huán)境監(jiān)控。無(wú)需專職人員看管，并將信息及時(shí)反饋給管理中心。
（7）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：系統(tǒng)具有長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)的能力，將考勤定位信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)， 并隨時(shí)可以方便地查詢到考勤定位歷史信息。
（8） 網(wǎng)絡(luò)共享：系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)共享功能，可以通過(guò)局域網(wǎng)訪問(wèn)考勤定位信息， 為隧道各部門及上級(jí)各層領(lǐng)導(dǎo)及時(shí)提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息與歷史信息，為監(jiān)督指揮決策提供重要依據(jù)。
軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，在增強(qiáng)可讀性的同時(shí)便于日后改進(jìn)和升級(jí)。系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。
本文根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)安全和信息化建設(shè)的需要提出的基于ZigBee技術(shù)的施工現(xiàn)場(chǎng)人員定位系統(tǒng)能夠有效提高管理效率，減少安全隱患，控制施工成本。該系統(tǒng)能耗低，通信范圍廣，對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線通信的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。
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