便攜式無線搜救定位系統設計方案
隨著國家經濟發展，對礦山及煤礦資源的依賴性也日益增大，因此而導致的礦山災害也日益增多。在搶救遇難人員時，方便，快捷，定位精確的搜救系統就顯得尤為重要，本文正是基于這一思想，利用無線射頻芯片自組網的特性，通過佩戴在遇難者身上不斷傳回的數據值，從而確定遇難者的所處位置，并迅速的進行營救。
1 無線搜救器原理
無線搜救器系統的主要工作原理是在802.15.14/Zigbee 網絡中被稱為終端的射頻卡（佩戴在遇難人員身上）以一個固定的時間頻率往協調器（手持搜救器）發送數據幀，在該數據幀中包括一個接收信號強度值（RSSI），信號強度的衰減和距離成指數衰減的關系，兩者之間的關系為：其中d 表示距離，n 為信號傳播常量，A 為每米信號接收強度，根據實驗數據分析，n 值得最佳范圍為3.25-4.5,A 值得最佳范圍為45-49.對（1）式進行等價變換，可得:
然后根據d 的變化便可以動態的得知搜救器與終端之間的距離以及方位的變化。
2 系統總體設計
整個無線搜救器包括兩部分，一個是射頻卡終端，平常工作時做為人員考勤卡使用，災難發生時，具有定位遇難者位置的功能，主要芯片是CC2430.無線搜救器由三星公司的ARMS3C2440 和CC2430 構成，主要功能為收集射頻卡終端發來的數據并進行定位處理。
2.1 無線射頻終端
射頻卡終端選用TI 公司的CC2430 做為無線射頻芯片，該芯片是Chipcon 公司生產的首款符合802.15.14/Zigbee 技術的射頻系統單芯片。適用于各種ZigBee 或類似ZigBee 的無線網絡節點，包括調諧器、路由器和終端設備。其具有非常顯著的低成本、低耗電、網絡節點多、傳輸距離遠等優勢，具有以下主要特點：集成符合IEEE802.15.4 標準的RF 無線電收發機；優良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性；硬件支持CSMA/CA 功能；數字化的RSSI/LQI 支持。
CC2430 的硬件應用電路如下圖所示，因為考慮到無線射頻終端每個員工都需佩戴一個，從節約成本角度出發，采取了一種簡單典型的設計方法，電路使用一個非平衡天線，連接非平衡變壓器可使天線性能更好。
電路中的非平衡變壓器由電容 C341 和電感 L341、L321、L331 以及一個 PCB 微波傳輸線組成，整個結構滿足RF 輸入/輸出匹配電阻（50Ω）的要求。內部T/R 交換電路完成LNA 和PA 之間的交換。R221 和R261 為偏置電阻，電阻R221 主要用來為32MHz的晶振提供一個合適的工作電流。用1 個 32 MHz 的石英諧振器（XTAL1）和2 個電容（C191 和C211）構成一個32MHz的晶振電路。用1 個32.768 kHz 的石英諧振器（XTAL2）和2 個電容（C441 和C431）構成一個32.768 kHz 的晶振電路。電壓調節器為所有要求1.8V 電壓的引腳和內部電源供電，C241 和 C421電容是去耦合電容，用來電源濾波，以提高芯片工作的穩定性。
2.2 無線搜救器
無線搜救器由控制模塊、接收模塊、電源模塊、顯示模塊以及存儲模塊組成�？刂颇K主要有三星公司的S3C2440 構成，主要負責接收由射頻接收模塊發送過來的數據并對其進行處理，提供實時時鐘及看門狗的功能。通過指示燈和蜂鳴器對搜救工作的狀態進行指示。接收模塊由CC2430 構成，主要負責接收無線射頻終端的數據，802.15.14/Zigbee 協議處理以及執行BI 和SI 的動態調度算法。存儲模塊存儲各種與應用相關的數據，主要通過外部的RAM 和ROM擴展來實現。電源模塊為盡量減少系統的功耗滿足電池供電的要求，在硬件設計中采用了低功耗的器件，如射頻芯片，RS-232 芯片，存儲芯片等都能在3.3V下正常工作。LCD 顯示模塊實時的將遇難者總數，遇難者與搜救器之間的距離，遇難者的個人信息如ID 編號等顯示在LCD 顯示屏上。硬件連接框圖如下所示：
2.3 系統軟件實現
無線搜救器系統分為無線搜救器和人員終端射頻卡兩部分，終端無線搜救器做為網絡中的協調器，負責建立一個信標使能的網絡，并允許有加入請求的終端射頻卡加入到網絡中來，當加入成功后，便可進行數據的傳送，軟件流程圖如圖3 所示。終端射頻卡在無災難發生時作為考情卡使用，當災難發生時則作為定位卡使用。
2.4 BI 和SI 的動態設定調度算法
無線搜救器在搜尋遇難者的時候需要收集大量的RSSI 值來進行定位，這就意味著網絡的通信非常繁忙。
一般的網絡對于信標間隔（BI）和超幀活動區間（SD）都是設定為定值的，但是在通信繁忙的時候協調器或路由器就有可能因為其傳輸的數據量大，而其超幀活動區間又比較小，有可能引發數據包丟失等情況，從而成為網絡數據傳輸的瓶頸。本系統從實際實驗出發，采取了一種動態設定BI 和SI 的方法，流程如圖5 所示。
3 實驗結果分析
在Zigbee 網絡的幾種拓撲結構中，簇-樹狀拓撲具有建網迅速，節點加入網絡成功率高以級路由途徑多等特點，并且具有網絡自愈功能，且因路由器具有數據轉發能力，可實現更大數據量的傳輸，所以在實驗中，我們將射頻卡的類型全部設置為路由器，拓撲結構為簇-樹狀拓撲。通過Packet Sniffer CC2430IEEE802.15.14 軟件跟蹤的數據幀中每幀字節數計算出在每個超幀活動區間內終端傳輸的數據量，下面是BO 和SO 為定值與動態設定BO 和SO 值兩種情況下的數據傳輸量的對比：
在動態設定BO 和SO 值時，可顯著增大傳輸數量，從而大大增加定位時的精度和搜救器的靈敏度。
在采取動態設定BO,SO 值方法時，對無線搜救系統的精度和靈敏度進行實驗可得：當無線搜救器距離終端射頻卡45 米左右便可搜索到終端卡的信號，此時定位誤差在3 米以內，隨著兩者之間距離的接近，定位誤差相應減少，在20 米左右定位誤差可控制在1米以內，考慮到這是在實驗狀態下得出的結論，在實際應用中因各種環境的干擾，靈敏度與定位精度都會有所下降，但是一般礦山中的甬道的長度大部分都是在10 多米左右，定位誤差在0.7 米左右。綜合以上實驗數據，該無線搜救器系統是可以滿足實際工程當中的應用的。
4 結語
通過采集各個射頻終端卡的RSSI 值，實現了定位和搜救功能，并利用動態設置BO,SO 的方法，創新性的運用到無線搜救領域，最優化了信標間隔，解決了數據傳輸瓶頸的問題，從而間接的提高了定位的精度和靈敏度。在此設計基礎上，定位的精度和節點穿透能力還需要做進一步的完善和研究。
