RSSI與步長(zhǎng)估算的井下人員定位裝置研究

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(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京100083)

引 言

由于基礎(chǔ)薄弱，再加上煤礦井下作業(yè)深入地下、環(huán)境惡劣、設(shè)備簡(jiǎn)陋、地形復(fù)雜等種種客觀原因，近年來(lái)，煤炭業(yè)生產(chǎn)安全事故頻頻發(fā)生。這已經(jīng)成為限制煤炭企業(yè)發(fā)展的重要因素，直接造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響[1]。

煤礦開采擁有其特殊性，有線通信設(shè)備并不適用，RSSI、WiFi、ZigBee等一批具有優(yōu)勢(shì)性的無(wú)線通信技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的煤礦行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。無(wú)線通信技術(shù)作為井下通信、以及定位等方面的有益補(bǔ)充，在煤炭企被廣泛應(yīng)用。WiFi無(wú)線通信技術(shù)以其容易組網(wǎng)、傳輸速度快等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用，具有廣闊的發(fā)展前景。Ekahau公司開發(fā)了一套基于WiFi的實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)由管理器、服務(wù)器和客戶端構(gòu)成，管理器收集WLAN信號(hào)，并構(gòu)建一個(gè)位置數(shù)據(jù)庫(kù)；服務(wù)器根據(jù)客戶端的定位計(jì)算模型來(lái)計(jì)算位置信息；系統(tǒng)的準(zhǔn)確性是收集到的信號(hào)數(shù)據(jù)數(shù)量的函數(shù)。中國(guó)煤礦行業(yè)有著地質(zhì)條件復(fù)雜，井下空間狹小等一系列特點(diǎn)，導(dǎo)致信號(hào)衰減速度快，不能準(zhǔn)確傳輸數(shù)據(jù)、無(wú)法達(dá)到定位精度等一系列問題[2]。

本課題結(jié)合WiFi定位技術(shù)與計(jì)步技術(shù)進(jìn)一步提高井下人員定位精確度，且擴(kuò)展了面向煤礦井下人員安全的綜合功能，將井下人員誤入危險(xiǎn)區(qū)域檢測(cè)、井下人員摔倒?fàn)顟B(tài)檢測(cè)結(jié)合。把傳統(tǒng)煤礦安全系統(tǒng)獨(dú)立的檢測(cè)井下人員各方面安全信息統(tǒng)一管理，綜合分析。

該裝置統(tǒng)一獲取井下人員精確定位信息、誤入危險(xiǎn)區(qū)域檢測(cè)信息、井下人員摔倒?fàn)顟B(tài)信息。該裝置利用計(jì)步技術(shù)與步長(zhǎng)估計(jì)算法提高井下人員的定位精確度。對(duì)誤入危險(xiǎn)區(qū)域的井下人員進(jìn)行報(bào)警提醒，警示人員已經(jīng)進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，應(yīng)立即安全撤離。該裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下人員是否摔倒，一旦發(fā)現(xiàn)井下人員有摔倒?fàn)顩r，則重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，若發(fā)現(xiàn)摔倒情況嚴(yán)重者，及時(shí)進(jìn)行安全救助。該裝置通過WiFi無(wú)線通信，與周圍基站以及井上系統(tǒng)保持信息通信，由于WiFi無(wú)線通信具有帶寬、無(wú)線電波覆蓋范圍廣、傳輸速度快、易組網(wǎng)、成本低、發(fā)射功率低、終點(diǎn)便捷、兼容性好等特點(diǎn)，能保障地面與井下人員信息溝通的及時(shí)性以及對(duì)井下人員管理的便捷性[3]。

1 硬件設(shè)計(jì)

本裝置由單片機(jī)STM32F103、WiFi模塊DS0047CN-EMW3166、加速度傳感器MMA7260Q、液晶顯示屏LCD12864，4×4矩陣鍵盤以及電源管理模塊組成，其硬件連接如圖1所示。STM32F103屬于32位ARM微控制器，其內(nèi)核是Cortex-M3，該系列芯片是意法半導(dǎo)體(ST)公司出品，低功耗、體積小，適合使用在可穿戴設(shè)備中。STM32F103連接各個(gè)模塊，是整個(gè)裝置的核心元件。它接收傳感器和WiFi模塊的信號(hào)，然后經(jīng)過事先存儲(chǔ)好的程序進(jìn)行運(yùn)算，得出結(jié)果，再把信號(hào)導(dǎo)出到顯示屏上。

圖1 硬件連接圖

DS0047CN-EMW3166是低功耗、小體積、高性能嵌入式WiFi模塊，內(nèi)置高性能、低功耗Cortex-M4微控制器、256 KB SRAM+3 MB Flash，并具有多種模擬、數(shù)字外設(shè)接口，3.3 V單電源供電，工作溫度在-30～+85 ℃，郵票孔封裝形式，適合井下工作環(huán)境。攜帶WiFi模塊的人員定位裝置進(jìn)行定位時(shí)，工作狀態(tài)WiFi 基站向所在空間發(fā)出信號(hào), WiFi模塊接收附近基站發(fā)出的信號(hào)，通過比較接收到各基站信號(hào)的強(qiáng)弱完成數(shù)據(jù)處理，便可得知穿戴定位裝置人員的位置，并將結(jié)果傳送至單片機(jī)。

加速度傳感器MMA7260Q的內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)是在單一芯片上集成3個(gè)相互獨(dú)立、測(cè)量方向相互垂直的敏感元的測(cè)量模塊，其是由多晶硅微加工表面工藝制成的電容式加速度傳感器；由硅片表面的彈性結(jié)構(gòu)支撐起的質(zhì)量塊下面貼附電容的一個(gè)極板，電容的另一極板固定。當(dāng)加速度引起質(zhì)量塊的相對(duì)位置變化時(shí)，電容值也發(fā)生變化，然后經(jīng)過電容電壓轉(zhuǎn)換電路和放大濾波電路后輸出與加速度成正比的電壓信號(hào)?？纱┐餮b置實(shí)時(shí)采集三軸加速度數(shù)據(jù)，求得合加速度數(shù)據(jù)，結(jié)合合加速度幅值檢測(cè)算法以及時(shí)間差檢測(cè)算法，確定計(jì)步數(shù)據(jù)。根據(jù)步長(zhǎng)模型算法得到對(duì)應(yīng)步長(zhǎng)數(shù)據(jù)，則可得到佩戴裝置人員的具體位置，可在原有定位基礎(chǔ)上提高定位的準(zhǔn)確性。同時(shí)，可通過計(jì)算后的數(shù)據(jù)變化判斷人員是否摔倒。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 定位功能軟件設(shè)計(jì)

基于WiFi的井下人員定位系統(tǒng)在井下原有的基站和分站上加以改造，建立多個(gè)無(wú)線基站，建立WiFi網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)井下巷道的無(wú)線覆蓋，系統(tǒng)通過帶有 WiFi模塊與三軸加速度傳感器的定位裝置來(lái)進(jìn)行定位、通信。當(dāng)一個(gè)攜帶裝置的井下人員進(jìn)入工作區(qū)域之后，裝置的WiFi模塊自動(dòng)掃描并選擇信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)的WiFi基站連接,這種選擇是通過使用AP的MAC以及掃描到的信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI值自動(dòng)完成的。

當(dāng)裝置移動(dòng)到不同的WiFi信號(hào)區(qū)域時(shí)，WiFi會(huì)重新掃描，并與信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng)的WiFi基站重新建立關(guān)聯(lián)。關(guān)聯(lián)得到的RSSI值會(huì)與設(shè)定的RSSI閾值進(jìn)行強(qiáng)度判定。如果RSSI值大于設(shè)定的RSSI閾值，就以該基站的坐標(biāo)位置進(jìn)行定位，否則，就利用計(jì)步算法進(jìn)行定位。當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度正好為設(shè)定RSSI閾值時(shí)，把當(dāng)時(shí)的實(shí)時(shí)位置作為當(dāng)前裝置的初始坐標(biāo)位置。同時(shí)，定位裝置實(shí)時(shí)采集三軸加速度傳感器數(shù)據(jù)，求得合加速度數(shù)據(jù)，結(jié)合合加速度賦值檢測(cè)算法以及時(shí)間差檢測(cè)算法，確定計(jì)步數(shù)據(jù)。根據(jù)步長(zhǎng)模型算法得到對(duì)應(yīng)步長(zhǎng)數(shù)據(jù)，即攜帶裝備的井下人員的移動(dòng)距離，這樣便可得到攜帶裝置的井下人員的精確定位。最后通過井上服務(wù)器的電子地圖得以顯示其具體位置[4]。定位功能流程圖如圖2所示。

圖2 定位功能流程圖

2.2 防摔倒檢測(cè)功能軟件設(shè)計(jì)

綜合功能定位裝置通過實(shí)時(shí)采集三軸加速度傳感器的數(shù)據(jù)，對(duì)得到的三軸加速度數(shù)據(jù)處理求得合加速度值，定位裝置內(nèi)記錄一定時(shí)間內(nèi)的加速度變化曲線，通過合加速度變化曲線判斷用戶摔倒?fàn)顟B(tài)。當(dāng)某時(shí)刻合加速度值大于預(yù)先設(shè)定的合加速度閾值(考慮下蹲和俯身與摔倒的關(guān)系設(shè)定)，并在一定時(shí)間內(nèi)加速度處于零且沒有恢復(fù)正常的合加速度值時(shí)，判定該攜帶裝置的井下人員摔倒。此時(shí)設(shè)備向井上服務(wù)器傳達(dá)人員處于摔倒?fàn)顟B(tài)的信息，通知井上人員對(duì)該井下人員采取相應(yīng)急救措施。如果是誤報(bào)警，該攜帶裝置的人員可以通過誤報(bào)警按鈕取消。防摔倒檢測(cè)功能軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 防摔倒檢測(cè)功能軟件設(shè)計(jì)流程

結(jié) 語(yǔ)

[1] 于平.煤礦井下人員定位系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].環(huán)球市場(chǎng)，2016(15)：41-43.

[2] 何偉剛，吳其琦.煤礦井下小型無(wú)線定位器的設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2013(10)：154-156.

[3] 蘇靜，吳桂義.煤礦井下人員定位系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2012(9):111-112.

[4] 季利佳.基于WiFi和ZigBee技術(shù)的無(wú)線通信及人員定位系統(tǒng)在礦山的應(yīng)用[J].電子世界，2016(14).