基于物聯(lián)網(wǎng)井下跟蹤定位系統(tǒng)

劉向舉， 劉麗娜

（1.安徽理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

煤礦安全一直都是一個(gè)十分關(guān)注的問(wèn)題，煤礦井下煤塵、瓦斯、潮濕等惡劣環(huán)境時(shí)刻都在威脅井下工作人員的生命安全，尤其是在井下發(fā)生事故時(shí)，由于無(wú)法獲得井下人員的具體位置，而不能拿出切實(shí)有效的救援方案，經(jīng)常造成人員的傷亡。所以，建立實(shí)用可靠的煤礦井下人員跟蹤定位系統(tǒng)對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)管理有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在國(guó)外，煤礦井下人員的跟蹤定位通常是通過(guò)紅外等無(wú)線(xiàn)方式經(jīng)過(guò)泄漏電纜傳送數(shù)據(jù)到井上，井上的計(jì)算機(jī)通過(guò)對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而判斷井下人員所處的位置。美國(guó)、日本等國(guó)家的一些煤礦已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全礦井下人員的跟蹤定位，但這些方式造價(jià)通常都很高［1］。目前，在國(guó)內(nèi)所使用的井下人員定位技術(shù)多數(shù)實(shí)際上僅僅是一種考勤系統(tǒng)，并非真正的人員定位跟蹤系統(tǒng)。

針對(duì)傳統(tǒng)方法的不足，文中設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的井下人員跟蹤定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、成本低、人員定位準(zhǔn)等特點(diǎn)，能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地將井下各個(gè)區(qū)域人員的動(dòng)態(tài)情況反映到地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使管理人員能夠隨時(shí)掌握井下人員的分布狀況和每個(gè)下井人員的入井、升井時(shí)間及運(yùn)動(dòng)軌跡，以便于進(jìn)行更加合理的管理。對(duì)煤礦安全管理具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)概念是在互聯(lián)網(wǎng)概念的基礎(chǔ)上，將其用戶(hù)端延伸和擴(kuò)展到任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信的一種網(wǎng)絡(luò)概念，是MIT Auto－ID中心Ashton［2］教授1999年在研究RFID時(shí)最早提出來(lái)的。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)具有自動(dòng)識(shí)別、智能定位等功能。該系統(tǒng)的主要硬件包括Sink節(jié)點(diǎn)、讀卡器、電子標(biāo)簽、主控網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)控制平臺(tái)5部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

具體工作過(guò)程為：當(dāng)井下人員進(jìn)入到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)范圍時(shí)，讀卡器讀取井下人員隨身攜帶的電子標(biāo)簽中的信息，對(duì)信息進(jìn)行分析處理后，將人員的身份、所處位置等信息以無(wú)線(xiàn)的方式傳送給Sink節(jié)點(diǎn)。Sink節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)主控網(wǎng)絡(luò)以有線(xiàn)的方式傳送到上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)信息進(jìn)行處理，通過(guò)可視化的界面在屏幕上顯示井下人員的位置。

2.2 系統(tǒng)Sink節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

Sink節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)起一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，之后的節(jié)點(diǎn)用自組織的方式來(lái)加入，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都是全功能設(shè)備。Sink節(jié)點(diǎn)的硬件模型如圖2所示。

圖2 Sink節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

它是由CC2430、CAN控制器 MCP2515、CAN總線(xiàn)收發(fā)器TJA1050、光耦和無(wú)線(xiàn)耦合、匹配模塊組成。

CC2430是一個(gè)真正的系統(tǒng)芯片（SoC）CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿(mǎn)足2.4GHz ISM波段應(yīng)用，以及對(duì)低成本、低功耗的要求。在發(fā)射和接收模式下，電流損耗分別低于25mA和27mA，在2.4GHz頻段，其靈敏度達(dá)－91dBm，最大傳送速率為250kB／s，最大 輸 出 為 ＋0.6dBm［4－5］。MCP2515 是 具 有SPI接口的獨(dú)立CAN控制器，它完全支持CAN V2.0B技術(shù)規(guī)范，通訊速率最高可達(dá)1Mb／s；低功耗的CMOS技術(shù)，工作電壓在2.7～5.5V，典型工作電流為5mA，典型待機(jī)電流為1μA［6］；它的SPI接口時(shí)鐘頻率最高可達(dá)10MHz，可滿(mǎn)足一個(gè)SPI主機(jī)接口擴(kuò)展多路CAN總線(xiàn)接口的需要。為了增強(qiáng)CAN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，MCP2515與CAN總線(xiàn)收發(fā)器（TJA1 050）之間采用高速光耦（6N137）進(jìn)行完全的電器隔離，而且光耦電路所采用的兩個(gè)電源VCC和VDD也必須完全隔離。

2.3 讀卡器設(shè)計(jì)

讀卡器的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 讀卡器結(jié)構(gòu)圖

它也是由CC2430、無(wú)線(xiàn)耦合、匹配模塊、電源管理模塊和晶振組成。電源管理模塊負(fù)責(zé)給監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的各個(gè)模塊供電。終端節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，在休眠模式時(shí)僅0.9μA的流耗，可用外部中斷或定時(shí)中斷RTC喚醒系統(tǒng)；待機(jī)模式時(shí)的電流消耗少于0.6μA，也可以用外部中斷喚醒系統(tǒng)，可以保證電池工作很長(zhǎng)時(shí)間。

1984年，我把幾經(jīng)省內(nèi)外好幾家刊物退稿終于下決心重寫(xiě)的《驚濤》交付《人民文學(xué)》，發(fā)表時(shí)他們加了整頁(yè)面篇幅的《編者按》，文字滾燙，激情洋溢。而溢于言表的，是扶持作者的拳拳之心、款款深情。我至今不知道這些文字出于誰(shuí)人之手，我能感到的是那雙手的有力一握。即便是像《廬山瀑布云》這樣發(fā)在地方刊物的小短篇，已經(jīng)退休的老主編崔道怡也趕緊推薦給了《新華文摘》。涂光群在將近三十年后還把我自己幾乎忘記的《唱歌吧樺樹(shù)林》收進(jìn)他主編的小說(shuō)集。

讀卡器實(shí)現(xiàn)對(duì)電子標(biāo)簽上數(shù)據(jù)的采集，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式將信息發(fā)送給Sink節(jié)點(diǎn)，同時(shí)，也可承載其它讀卡器數(shù)據(jù)信息的中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能。讀卡器的安裝位置主要選擇在人員出入的井口和井下主要巷道的分岔口等關(guān)鍵部位，其數(shù)量和密度的大小取決于對(duì)定位精度的要求，特別是在環(huán)境較為復(fù)雜的區(qū)域，可通過(guò)增加節(jié)點(diǎn)的密度來(lái)提高定位精度。通常情況下，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的需要，讀卡器的間距在200m左右，工作面距離則可降低為50m，在坑道適當(dāng)位置［1］。另外，對(duì)于讀卡器防爆、防濕、防塵等保護(hù)工作要做好。

2.4 主控網(wǎng)絡(luò)

主控網(wǎng)絡(luò)采用CAN總線(xiàn)傳輸協(xié)議。現(xiàn)在大多數(shù)礦井采用成本比較低的RS－485總線(xiàn)，但在通信可靠性和速率上，485總線(xiàn)難以適應(yīng)井下用電設(shè)備頻繁啟動(dòng)和復(fù)雜的電氣干擾環(huán)境。在通信方式上，485為主從方式，不利于系統(tǒng)設(shè)備的擴(kuò)充，因此，本系統(tǒng)采用CAN總線(xiàn)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。CAN總線(xiàn)是一種多主總線(xiàn)，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)均可成為主機(jī)，且節(jié)點(diǎn)機(jī)之間也可進(jìn)行通信。CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性［7］；CAN總線(xiàn)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度最多為8個(gè)字節(jié)，8個(gè)字節(jié)不會(huì)占用總線(xiàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性；當(dāng)信號(hào)傳輸距離達(dá)到10km時(shí)，CAN總線(xiàn)仍可提供高達(dá)5kbit／s的數(shù)據(jù)傳輸速率；因而非常適合于構(gòu)建復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。由于主控計(jì)算機(jī)上一般不提供CAN總線(xiàn)通信接口而通常提供RS－232通信接口，所以，必須通過(guò)RS－232／CAN總線(xiàn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行RS－232與CAN總線(xiàn)之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換。

主控網(wǎng)絡(luò)布線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 主控網(wǎng)絡(luò)布線(xiàn)結(jié)構(gòu)

圖4由上位機(jī)、信號(hào)轉(zhuǎn)換器和Sink節(jié)點(diǎn)3部分組成。讀卡器采集到的數(shù)據(jù)傳給Sink節(jié)點(diǎn)，Sink節(jié)點(diǎn)又把數(shù)據(jù)通過(guò)主控網(wǎng)絡(luò)傳給信號(hào)轉(zhuǎn)換器，最后通過(guò)接口程序傳給上位機(jī)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 Sink節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

Sink節(jié)點(diǎn)程序主要包括主程序模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、看門(mén)狗模塊、中斷模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、CAN控制模塊等。Sink節(jié)點(diǎn)的程序流程如圖5所示。

圖5 Sink節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

上電復(fù)位后，首先執(zhí)行中斷初始化、無(wú)線(xiàn)初始化、CAN初始化、定時(shí)器初始化，然后進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待加入網(wǎng)絡(luò)中斷的產(chǎn)生。一旦有設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，Sink節(jié)點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)入工作狀態(tài)，記錄加入設(shè)備的編號(hào)，然后開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。

3.2 讀卡器軟件設(shè)計(jì)

讀卡器程序主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、看門(mén)狗模塊、中斷模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊等。讀卡器節(jié)點(diǎn)的程序流程如圖6所示。

圖6 讀卡器流程

上電復(fù)位后，首先執(zhí)行中斷初始化、無(wú)線(xiàn)初始化，然后進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待中斷的產(chǎn)生。當(dāng)接收到電子標(biāo)簽中斷信號(hào)后，讀卡器被喚醒進(jìn)入工作狀態(tài)，開(kāi)始接收電子標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)并計(jì)算出電子標(biāo)簽的位置，將計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)起來(lái)，然后向Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)中斷信號(hào)，請(qǐng)求Sink節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)。內(nèi)部定時(shí)器完成喂狗信號(hào)和時(shí)間調(diào)度。

4 井下人員定位方法

接收信號(hào)強(qiáng)度指示定位方法（RSSI）就是在已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度的前提下，根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)弱計(jì)算出信號(hào)的傳播損耗，再利用理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算出信號(hào)發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)的距離。

在無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)中，根據(jù)節(jié)點(diǎn)是否已知自身的位置，把傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為錨節(jié)點(diǎn)和盲節(jié)點(diǎn)，如圖7所示。

圖7 三邊測(cè)距法確定未知節(jié)點(diǎn)的位置

其中錨節(jié)點(diǎn)是一個(gè)靜止的知道自己位置的節(jié)點(diǎn)，可通過(guò)GPS定位設(shè)備精確測(cè)定。錨節(jié)點(diǎn)必須正確配置，它的任務(wù)是提供一個(gè)包含自己位置x，y坐標(biāo)和RSSI值的信息包傳送給盲節(jié)點(diǎn)。盲節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到信號(hào)的強(qiáng)度RSSI，利用信號(hào)傳播理論和信道經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算出相對(duì)于該參考節(jié)點(diǎn)的距離，接收信號(hào)強(qiáng)度和發(fā)射器與接收器之間距離的函數(shù)可表示為［9］：

式中：PR——無(wú)線(xiàn)信號(hào)的接收功率；

A——距離為1m時(shí)的接收信號(hào)強(qiáng)度；

d——收發(fā)單元之間的距離；

λ——傳播因子，λ的數(shù)值大小取決于無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳播的環(huán)境；

10lgPR——接收信號(hào)功率轉(zhuǎn)換為dBm的表達(dá)式。

得到錨節(jié)點(diǎn)與盲節(jié)點(diǎn)之間的大概距離后，采用三邊測(cè)距法［7］計(jì)算出盲節(jié)點(diǎn)的位置。三邊計(jì)算的理論依據(jù)是在三維空間中，通過(guò)知道一個(gè)電子標(biāo)簽設(shè)備到3個(gè)讀卡器的距離來(lái)確定該點(diǎn)的坐標(biāo)。在二維平面上用幾何圖形表示出來(lái)的三邊測(cè)距法的意義是：當(dāng)?shù)玫轿粗?jié)點(diǎn)到一個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離時(shí)，就可以確定此未知節(jié)點(diǎn)在以此錨節(jié)點(diǎn)為圓心、以距離為半徑的圓上；得到未知節(jié)點(diǎn)到3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離時(shí)，3個(gè)圓的交點(diǎn)就是未知節(jié)點(diǎn)的位置（其理論模型見(jiàn)圖7）。

5 結(jié) 語(yǔ)

井下人員定位是煤礦安全生產(chǎn)的重要保證。為此，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)相結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)井下人員定位系統(tǒng)，這樣不僅節(jié)約了成本，而且適合井下的特殊環(huán)境。整個(gè)通信系統(tǒng)各功能模塊實(shí)現(xiàn)獨(dú)立，便于實(shí)際應(yīng)用與功能擴(kuò)展。與傳統(tǒng)的定位系統(tǒng)相比，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、覆蓋范圍大等特點(diǎn)。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)仿真和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試證明，該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

［1］謝曉佳，程麗君，王勇.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的井下人員跟蹤定位系統(tǒng)［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2007，32（8）：884－888.

［2］劉強(qiáng)，崔莉，陳海明.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)科學(xué)，2010，37（6）：1－5.

［3］孫其博，劉杰，黎葬，等.物聯(lián)網(wǎng)：概念、架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究綜述［J］.北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33（3）：1－9.

［4］Texas Instrument.CC2420，2.4GHz IEEE 802.15.4／ZigBee－ready RF Transceiver ［EB／OL］.（2011－06－08）［2011－03－10］.http：／／www.eetasia.com／DATASHEET／DETAIL／CC2430－1000044197.HTM.

［5］Texas Instrument.CC2430，A true system on chip solution for 2.4GHz IEEE 802.1 5.4／ZigBeeTM［EB／OL］.（2011－06－08）［2011－03－10］.http：／／www.eetasia.com／DATASHEET／DETAIL／CC2430－1000044197.HTM.

［6］Microchip Technology Inc.，MCP2515data sheet［EB／OL］.（2011－06－08）［2010－11－16］.http：／／www.microchip.com.

［7］王磊，閆厲，田麗媛.CAN總線(xiàn)技術(shù)在汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)中的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，28（4）：402－406.

［8］朱斌，譚勇，黃江波.基于ZigBee無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.測(cè)量與控制，2010，18（6）：1247－1252.

［9］方震，趙湛，郭鵬，等.基于 RSSI測(cè)距分析［J］.技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，20（11）：2526－2530.