物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在井下人員定位系統(tǒng)中的應(yīng)用

(雞西大學(xué)電氣與信息工程系，黑龍江 雞西158100）

隨著我國煤炭開采深度和強度的提高，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在井下人員定位系統(tǒng)中的應(yīng)用成為一個研究的新的方向[1]。目前，煤炭開采中還有很多尚未破解的難點，煤炭行業(yè)科技水平有待進一步提高。由于井下事故具有很強的不確定性，在事故發(fā)生之后，依照現(xiàn)場的實際情況對井下人員進行救援。我國目前的煤礦多是一些技術(shù)相對傳統(tǒng)的老企業(yè)，井上對井下的實時監(jiān)控因受到地理、生產(chǎn)環(huán)境、人員等多方面因素的限制，經(jīng)常會出現(xiàn)事故發(fā)生后無法及時明確井下人員信息，影響做出正確決策，導(dǎo)致?lián)岆U不及時貽誤生命搶救。如何應(yīng)用現(xiàn)代化的技術(shù)和裝備，對井下人員進行科學(xué)的管理，以保證搶險救災(zāi)、安全救護的高效運作以及如何更好地解決煤礦井下人員定位問題，就顯得尤為重要和緊迫。隨著RFID(射頻識別）技術(shù)[2-3]的興起，出現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的煤礦安全井下人員定位系統(tǒng)，在一定程度上可以實現(xiàn)地面對井下人員動態(tài)實時監(jiān)控，從而為煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)提供有力的支持。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的井下人員定位系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容

1．1 井下RFID頻段的選擇

目前通常將射頻識別標簽的工作頻率從高到低分為3類：低頻段射頻標簽(30～300KHz）、中高頻段射頻標簽(3～30MHz）和超高頻與微波標簽(典型433MHz，2．45GHz，5．8GHz）。國內(nèi)有學(xué)者結(jié)合不同頻率的無線電波在煤礦井下巷道中的傳輸特性，對30多家企業(yè)生產(chǎn)的人員定位系統(tǒng)中的射頻收發(fā)系統(tǒng)進行了歸類比較，得出2．4GHz的中心頻率在抗衰減、提高速率、可用信道、傳輸距離等方面更容易滿足煤礦安全需要的結(jié)論，并在此基礎(chǔ)上研制了基于2．4GHz的射頻收發(fā)系統(tǒng)。

1．2 基于RFID的礦工身份識別定位和環(huán)境監(jiān)測

由于煤炭行業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的特殊性，監(jiān)管系統(tǒng)就需要應(yīng)對并監(jiān)測井下的惡劣環(huán)境。目前已有設(shè)計成功的基于RFID技術(shù)設(shè)計的煤礦安全智能化監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實時檢測井中甲烷等有害氣體的濃度，對攜帶RFID的井下工作人員和重要設(shè)備進行自動位置檢測、身份識別和信息管理。系統(tǒng)使用總線型拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)的采集和傳送，并利用監(jiān)管中心的遠端PC實現(xiàn)顯示及存儲等功能，適用于各類環(huán)境下煤礦的安全管理。另外，基于GIS和RFID的煤礦井下人員跟蹤定位與監(jiān)控系統(tǒng)能夠很好的解決井下人員的實時定位與監(jiān)控管理等問題，為井下救援與管理帶來極大方便，從而使我國的煤礦安全生產(chǎn)與事故救護更加規(guī)范與科學(xué)。

1．3 基于Zigbee的煤礦無線傳感網(wǎng)

Zigbee是基于IEEE802．15．4協(xié)議的全球性通信標準，根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，能夠解決當(dāng)前煤礦安全管理系統(tǒng)中存在的問題，具有一定的市場前景。目前，有不少研究基于Zigbee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)與光纖通信網(wǎng)相結(jié)合的煤礦安全監(jiān)測及人員定位的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)實現(xiàn)了井上人員實時監(jiān)測井下區(qū)域的瓦斯?jié)舛?，并實時跟蹤定位井下人員，方便工作人員有效地管理礦井的安全工作。

1．4 UWB技術(shù)

UWB（Ultra Wide Band，超高速無線接入技術(shù)）是一種利用ns級寬度極窄脈沖作載體的無線傳輸技術(shù)，其射頻(RF）傳輸帶寬通常超過1GHz。這種超寬帶傳輸方式相對常規(guī)窄帶傳輸方式有低功率譜、低截獲、抗干擾能力強、可高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)葍?yōu)點，用途非常廣泛，在精確定位、雷達、無線檢測、無線通信等諸多方面都有重要應(yīng)用。在礦井中，UWB技術(shù)具有低功耗、高數(shù)據(jù)率、抗多徑能力強、系統(tǒng)復(fù)雜性低等特點，針對煤礦井下頻譜的使用限制不是很嚴格、對數(shù)據(jù)速率的要求也不很高的情況，在煤礦井下應(yīng)用UWB技術(shù)具有很強的現(xiàn)實意義。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的井下人員定位系統(tǒng)的要點

2．1 井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計的主要思路

依照一般中型煤礦規(guī)模進行考慮設(shè)計，局域網(wǎng)絡(luò)設(shè)定有效的距離是30km左右；基站總數(shù)量約為100～400個；無線通信距離為5～10m；基站間距離為80～100m；通信器移動速度為0～5m／s；讀寫器最大射頻輸出功率為2．4GHz，較低的功率可以有效避免人為的安全隱患；讀卡速度為每32bit讀取時間6ms。在設(shè)計具體的方案時，井下的信號因為環(huán)境、障礙物、干擾等諸多因素，衰減很大。所以基站的設(shè)置不僅僅要考慮傳輸距離，同時還要考慮工作區(qū)域信號衰減度的問題。

2．2 井下人員定位系統(tǒng)的主要技術(shù)

定位系統(tǒng)主要的技術(shù)涉及到的有地面計算機與井下各個基站、各個基站與射頻識別卡之間的通信。其中井上計算機與井下基站屬于有線通信，這部分相對比較容易涉及，主要考慮好適用的標準接口即可，在設(shè)計中用的是CAN總線接口及CAN通信協(xié)議。各個基站與射頻識別卡之間的通信是系統(tǒng)中的無線通信部分，這部分是整個系統(tǒng)設(shè)計中的難點和重點。只有保證了無線數(shù)據(jù)采集可靠性，才能保證系統(tǒng)對井下人員的準確定位。

2．3 井下人員定位系統(tǒng)的工作原理

主要包含有基站和射頻識別卡的工作原理、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計2個大方面。

1）基站和射頻識別卡的工作原理 基站在工作時，首先上電由控制器進行系統(tǒng)初始化。檢測系統(tǒng)狀態(tài)，是否可以進行信息的接受。若有信息的傳遞，就實時進行信息解碼和信息校驗。若信息有誤，為了減少系統(tǒng)數(shù)據(jù)的冗余、節(jié)約資源，可以直接考慮將錯誤數(shù)據(jù)刪除。若信息準確就可以直接將信息交給地面計算機處理。而射頻識別卡在工作時，首先上電由控制器初始化之后，選定頻率，通過射頻芯片編碼后將數(shù)據(jù)傳給基站。在這里要考慮數(shù)據(jù)傳順的延遲問題，通常不應(yīng)該超過30s，超過可以重新發(fā)送數(shù)據(jù)。

2）硬件和軟件設(shè)計 井下人員定位系統(tǒng)的硬件環(huán)節(jié)設(shè)計主要考慮的是地面計算機、井下的基站和礦工所帶的射頻識別卡組成。射頻識別卡中的芯片要依據(jù)不同井下的地理環(huán)境調(diào)整就可以。而基站主要由CPU工作模塊、供電模塊、接口CAN模塊、時鐘模塊、地址設(shè)定模塊、JTAG接口電路模塊、無線數(shù)據(jù)接收電路模塊和數(shù)據(jù)存儲電路模塊組成。井下人員定位系統(tǒng)的軟件環(huán)節(jié)設(shè)計主要考慮基站與地面計算機，基站與射頻識別卡的軟件設(shè)計。基站與地面計算機之間主要是數(shù)據(jù)發(fā)送、接收和處理。主要工作原理和步驟為基站數(shù)據(jù)初始化，將數(shù)據(jù)送入緩沖區(qū)，按照確定的基站CAN協(xié)議，通過數(shù)據(jù)傳輸總線將數(shù)據(jù)寫入到緩沖區(qū)。如果緩沖區(qū)空閑可以直接接收到數(shù)據(jù)，但若是被占用則會出現(xiàn)一次數(shù)據(jù)傳輸失敗?；九c射頻識別卡之間的信息傳遞原理和步驟為，首先判斷信息是否有效，為了避免數(shù)據(jù)冗余和資源浪費，無效數(shù)據(jù)直接刪除。若數(shù)據(jù)有效則要先測試通信總線是否可以進行數(shù)據(jù)傳輸，成功就選擇頻率將數(shù)據(jù)發(fā)送。這個過程可以有30s的延遲，目的就是考慮到井下礦工在工作過程中可能出現(xiàn)地下環(huán)境信號屏蔽的可能。通?；局苯拥挠行Ь嚯x可以在30s的延遲內(nèi)相互信號覆蓋。

[1]王保云．物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究綜述 [J]．電子測量與儀器學(xué)報，2009（12）：1-7．

[2]傅智河．基于RFID的礦山井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計 [J]．龍巖學(xué)院學(xué)報，2007，25（6）：50-52．

[3]張書建，汪云甲，范忻．基于RFID技術(shù)的礦山物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵問題及其仿真 [J]．金屬礦山，2011（5）：113-116．