基于RSSI的煤礦井下智能頭盔人員定位技術(shù)研究

摘 要 煤礦產(chǎn)業(yè)對于人員的配置和工程實施的準確性有著嚴格的要求，它需要做到既能勘測探查又能與地面工作站的調(diào)度人員溝通交流，所以一款基于硬件測距定位算法下的RSSI系統(tǒng)頭盔，對煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)、文明生產(chǎn)和科學生產(chǎn)具有重要的意義。

【關(guān)鍵詞】煤礦 反聵回流技術(shù) RSSI 測距

1 引言

2016年，世界經(jīng)濟全面進入增長飽和期，傳統(tǒng)煤礦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展全部進入發(fā)展的“天花板”階段，為了更好的接受和適應(yīng)煤礦產(chǎn)業(yè)對于我國經(jīng)濟的影響。我國的科技開發(fā)企業(yè)紛紛進入“以人為本，科技優(yōu)先，大力發(fā)展應(yīng)用技術(shù)和通用科學領(lǐng)域”，從而各種相對領(lǐng)域的產(chǎn)品應(yīng)運而出。在各種新奇的產(chǎn)品中，有的負責原料的二次精加工，有的負責元素物質(zhì)的“檢測”。而煤礦的遠程人員監(jiān)控定位技術(shù)的應(yīng)用也被推上科技研發(fā)的“斷梁橋”，隨著科技的繼續(xù)深入和研究，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，RSSI系統(tǒng)穩(wěn)定性傳輸?shù)奶匦运坪醴浅＿m合惡劣環(huán)境下的距離測量，RSSI的計算方法和傳輸方式和同時代的測距系統(tǒng)相比有著明顯的不同，它不是通過傳統(tǒng)的對時間常數(shù)的計算來完成測距而是通過點對點的相對位置來完成計算，因為計算方式的改變，所以RSSI系統(tǒng)的準確性和適應(yīng)性大大提高，它不會和傳統(tǒng)反饋計算一樣受限于冰川和回波礦洞，所以在極地環(huán)境下也可以進行正常使用。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)總體流程

發(fā)射信號通過RSSI系統(tǒng)的內(nèi)部解碼處理，系統(tǒng)形成一段無規(guī)律的特定頻率波形，再通過RSSI硬件設(shè)計上的無線傳輸功能發(fā)射給二級工作基帶或者是放大基帶，二級處理后將其波形進行噪音處理，通過對噪音的處理分級將各個階段的信息實時傳輸給相應(yīng)部門完成總體的指令傳達，如圖1所示。

2.2 RSSI的基本介紹

RSSI（全稱為Received Signal Strength Indication）它把接收的信號通過解碼處理進行非可視的強度處理指示，它的無線發(fā)射和無線接收為可選方式，它擁有一個判斷鏈接用來判斷物體發(fā)射的總質(zhì)量，從而決定是否增大廣播的通用發(fā)射強度。它通過高頻方式接收到的信號強度來測試信號發(fā)射點和信號接收點的距離長短，再通過DSP算法來進行定位計算的一種定位技術(shù)。

RSSI的主要特征是在反向通道基帶接收濾波器之后進行的。為了更好的對反向信號進行無差別解碼的獲取，它利用內(nèi)部IC基帶芯片IQ的功率積分功能，從而得到RSSI的瞬時值即RSSI（瞬時）=sum（I^2+Q^2），繼而通過瞬時值計算出RSSI的平均值和限時功率。RSSI的功率計算IC與其天線發(fā)射并無關(guān)系，所以反向通道不會對它的計算功率和發(fā)射功率有所影響。

2.3 電磁基帶的總體計算

RSSI為了獲得準確的定位效果需要一個相對穩(wěn)定的無線電電磁輻射較小的環(huán)境。電磁的計算公式總體可以規(guī)劃為 PN = 10lg（KTW），對于不同環(huán)境下電磁的反射計算略有不同，但是總體來說電磁的反射水平和計算方式并無太大的不同，只是一些基本計算和同位素輻射干擾對信號的接收有著些許影響，可以通過硬件電路的改進對干擾進行最小化處理，從而將RSSI系統(tǒng)功率最大化，保證RSSI系統(tǒng)使用者的安全和正確上線率。RSSI信號也有一定的帶寬率，具體可以理解為網(wǎng)絡(luò)信號的“帶寬率”但是它的單位卻是HZ。也就是說它從本質(zhì)上來說可以理解為“電磁底噪”，電磁底噪水平的計算公式：噪聲基底=-174+10 log（BW） + 噪聲指數(shù)。假設(shè)我們要計算CDMA系統(tǒng)的帶寬的電磁底噪的數(shù)值的話，我們可以利用噪聲基底=-174+10log（1.25*10^6）=-113dBm來進行準確計算。由于天線端并沒有經(jīng)過有源設(shè)備，因此噪聲系數(shù)為0。如果計算基站LNA噪聲基底就要加LNA的增益和LNA的噪聲系數(shù)。

2.4 RSSI反饋負值出現(xiàn)的具體原因

RSSI的數(shù)值輸出方式是靠無線接收，但是無線接收的信號是負值，所以通過無線的RSSI輸出信號數(shù)值也是負值。而且無線信號的等級大多數(shù)都是mW這個級別的，如果我們對RSSI信號的解碼進行多極化處理，再將其進行dBm格式化之后，我們表示的信號就不再為負數(shù)指示了，那么對于我們分析數(shù)據(jù)來說此時的1mW就等于0dBm，那么小于1mW的對于我們來說就可以看成是負數(shù)格式了。同理，我們也可以把對于RSSI值的分析應(yīng)用與dBm值上，因為mW對dBm值的限制，導致dBm值的最大數(shù)就為0，所以不管我們怎么改變或者測量，得出來的數(shù)就始終為負數(shù)，這時候我們就不要盲目的去查看無線功能的數(shù)值或者ISP值了因為是mW的限制導致了負數(shù)的產(chǎn)生，我們只用對其數(shù)據(jù)進行升值處理或者在計算的時候進行降值計算就可以得出正確的結(jié)果。

2.5 RSSI 工作IC的地面人員電平數(shù)據(jù)分析

因為RSSI是對于一個系統(tǒng)中的RX位進行操作，所以可以通過電平的模擬估值來進行簡單了解，主要因為值基于 RX 信號鏈中當前的增益設(shè)置和信道中測得的信號電平，所以在 RX 模式下，RSSI 值能連續(xù)地從 RSSI 狀態(tài)寄存器中讀取，直到解調(diào)器檢測到一個同步字為止（同步字檢測有效）。此時，RSSI 讀取值被凍結(jié)，直到下一次芯片進入 RX 狀態(tài)為止。

從 RSSI 狀態(tài)寄存器中讀取的 RSSI 值為一個 2 的補數(shù)?？墒褂孟铝胁襟E將RSSI 讀數(shù)轉(zhuǎn)換為一個絕對功率電平 （RSSI_dBm）：

（1）讀取 RSSI 狀態(tài)寄存器；

（2）將讀數(shù)從一個十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換為一個十進數(shù) （RSSI_dec）；

（3）如果 RSSI_dec ≥ 128，則 RSSI_dBm = （RSSI_dec - 256）/2 – RSSI_offset

（4）如果 RSSI_dec< 128，則 RSSI_dBm = （RSSI_dec）/2–RSSI_offset）。

圖2列舉了 RSSI_offset 的一些典型值。圖 3 和圖4 為 RSSI 讀數(shù)的典

型曲線圖，其為不同數(shù)據(jù)速率下輸入功率級的一個函數(shù)。

所以根據(jù)下圖我們可以得出如果 RSSI_dec< 128，則 RSSI_dBm = （RSSI_dec）/2–RSSI_offset）。注：（RSSI_dBm =101/2-75= -25dBm）。

2.6 RSSI定位計算

RSSI的基本公式為p（d）=A-10nlgd+x。這個公式是基于無線電強度下的計算方法，它通過假定兩點D1和D2兩點，然后通過D1，D2兩點下的盲點計算來定位信息的基本的位置，假如礦工通過佩戴RSSI系統(tǒng)頭盔在礦洞地下行走，那么它的位置就是D1，如果礦工向前行走道X米處，那么它的行徑路程就為D-D1，但是因為沒有設(shè)計D2的具體位置所以不能進行計算，但是我們通過計算D-D1到D1的相對位置可以計算出礦工的移動位置，然后通過p（d）=A-10nlgd+x公式帶入X然后把發(fā)來的電平波形解碼得出16進制數(shù)，再把16進制結(jié)果代入d（注：帶入結(jié)果為nlgd中的d），從而得出總體的D2位置，然后再把D2代入p（d）=A-10nlgd+x公式中，最后得出距離位置結(jié)果，假如礦工沒有移動，那么x就為0。

3 軟件構(gòu)成

計算公式：d = 10^（（abs（RSSI） - A） / （10 * n）其中： d - 計算所得距離RSSI - 接收信號強度（負值） A - 發(fā)射端和接收端 相隔1米時的信號強度 n - 環(huán)境衰減因子。傳入RSSI值，返回距離（單位：米）。其中，A參數(shù)賦了59，n賦了2.0。由于所處環(huán)境不同，每臺發(fā)射源對應(yīng)參數(shù)值都不一樣。按道理，公式里的每項參數(shù)都應(yīng)該做實驗（校準）獲得。

4 結(jié)束語

通過研究RSSI的電磁基帶反饋率以及噪音回饋系數(shù)我們可以得知在地下礦井中RSSI的測距反饋系統(tǒng)完全可以勝任煤礦地帶礦工人員的遠程定位問題，不管地底施工人員在那種地層基段位置，在地面基站的RSSI測距反饋接收平臺都可以實時的接收他們的位置信號從而保證礦井下施工人員的安全。同樣，假如發(fā)生了人為不可控的意外事故時，地面救援人員也可通過RSSI系統(tǒng)的定位功能找到被困人員的具體位置，從而減少不必要的搜索探尋時間，增大煤礦井下的被困人員的救援存活幾率。

參考文獻

[1]趙昭，陳小惠.無線傳感器基于RSSI的改進定位計算法[J].傳感器學報，2009.

[2]陳三鳳，陳萬民.基于RSSI誤差分析的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位研究[J].計算機工程與應(yīng)用，2011.

[3]陳維克.基于RSSI的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)加權(quán)質(zhì)心定位算法[J].武漢理工大學學報，2006.

[4]劉俞銘.煤礦保護與監(jiān)控技術(shù)及綜合自動化管理實用手冊[M].銀川：寧夏大地出版社，2005.

[5]任豐源，黃海寧，林闖.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].軟件學報，2003.

[6]王福豹，史龍，任豐源.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的自身定位系統(tǒng)和算法[J].軟件學報，2005.

作者簡介

鄧優(yōu)林，女，湖南省岳陽市人。在讀碩士?，F(xiàn)為湖南安全技術(shù)職業(yè)學院講師。研究方向為電子與通信技術(shù)。

作者單位

湖南安全技術(shù)職業(yè)學院 湖南省長沙市 410151