基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的井下定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡建宏

（武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000）

隨著礦產(chǎn)資源應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，我國對礦產(chǎn)資源生產(chǎn)安全的重視程度也逐漸提升，由于礦井內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，且采礦過程中存在大量的安全隱患[1]，因此對井下人員進(jìn)行準(zhǔn)確的定位具有重要的現(xiàn)實(shí)意義?，F(xiàn)階段，我國對井下人員的定位多采用遺傳定位系統(tǒng)，雖能完成常規(guī)的定位活動(dòng)，但定位精度不高，且常出現(xiàn)定位偏差等問題，為此，本文提出并設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的井下定位系統(tǒng)。所謂無線傳感網(wǎng)絡(luò)，就是一種分布式數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，它的末梢是可以感知和檢測外部數(shù)據(jù)環(huán)境的，并通過無線通信的方式，與系統(tǒng)終端進(jìn)行直接交流，以隨時(shí)更改系統(tǒng)的定位設(shè)置。最后在IAR EW8051環(huán)境內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了本文系統(tǒng)的可行性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)較傳統(tǒng)定位系統(tǒng)的井下定位精度高27.1%，具備極高的有效性。

1 井下定位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）無線傳感器。傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)功能進(jìn)行發(fā)起的同時(shí)，組建通信網(wǎng)絡(luò)，并利用系統(tǒng)的最小外圍器件構(gòu)建傳感器的射頻輸入與輸出電路。射頻電路接口采用CC2530F64芯片為主要控制載體，能夠同時(shí)接收多個(gè)定位信息，并對系統(tǒng)的封裝尺寸、引腳等規(guī)格進(jìn)行有效調(diào)整，實(shí)現(xiàn)井下定位信息的快速通信過程。接收天線選擇PCB天線，當(dāng)系統(tǒng)下發(fā)定位指令后，PCB天線會(huì)立即將定位指令傳輸至各個(gè)功能模塊[2]，結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)，該優(yōu)化設(shè)計(jì)的傳感器能夠全方位輻射每個(gè)方向上的傳輸信號(hào)，將定位指令進(jìn)行準(zhǔn)確傳輸。

（2）I/O控制器。I/O控制器負(fù)責(zé)定位線上的所有引腳，當(dāng)系統(tǒng)CPU檢測模塊的其他控制單元被占用時(shí)，控制器便自動(dòng)打開刀閘開關(guān)，對CPU進(jìn)行I/O轉(zhuǎn)換，使被占用的檢測模塊立即停止運(yùn)行，對定位數(shù)據(jù)進(jìn)行重新獲取。若系統(tǒng)CPU處于空閑狀態(tài)，控制器便對定位信息進(jìn)行重新判斷，判斷過程將定位數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入或輸出，實(shí)現(xiàn)靈活、準(zhǔn)確的定位控制?？刂破鲀?nèi)部引入8051單片機(jī)芯片，同時(shí)配置8GB內(nèi)存的隨機(jī)存儲(chǔ)器與868MHz的工作頻段，實(shí)現(xiàn)控制器內(nèi)部引腳與外部引腳間的隨機(jī)選擇，進(jìn)而為系統(tǒng)的軟件運(yùn)行提供較為強(qiáng)大的控制載體。

2 井下定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件在IAR EW8051環(huán)境下開發(fā)，由于井下環(huán)境惡劣，因此用調(diào)試器驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性，同時(shí)引入C+語言對系統(tǒng)的運(yùn)行代碼進(jìn)行編寫，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。

對無線網(wǎng)絡(luò)定位信號(hào)的強(qiáng)度值進(jìn)行接收并記錄，將接收到的信號(hào)按照強(qiáng)度由高到低的順序進(jìn)行排列，將所有定位信號(hào)控制在一個(gè)接收矩陣內(nèi)，以降低無線通信過程中的信號(hào)損耗。定位信息的控制計(jì)算如下：

式中，F(xiàn)代表定位信息的控制矩陣；G1、G2分別代表接收與發(fā)射天線的增益結(jié)果；λ代表無線傳感器傳輸過程中出現(xiàn)的通信波長；P代表線路總功率；l代表通信過程中的信號(hào)損耗。

通過對定位信息矩陣的確定，將傳輸過程的損耗值換算為歐式距離，再將質(zhì)心算法引入井下人員位置的獲取過程，得出井下人員的定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)：

其中，Rx、Ry、Rz代表井下作業(yè)人員的空間坐標(biāo)，Rx代表橫坐標(biāo)，Ry代表縱坐標(biāo)；Rz代表高度坐標(biāo)；d代表井下作業(yè)人員的實(shí)際位置；d0代表定位過程中的參考位置；L代表定位信息傳輸過程中的歐氏距離計(jì)算系數(shù)，此次計(jì)算不做定向分析。

經(jīng)過上述定義，將基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的井下定位系統(tǒng)在IAR EW8051環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)，將定位節(jié)點(diǎn)接收到的各個(gè)參考值進(jìn)行權(quán)值對比后，若對比結(jié)果的偏差范圍在10以內(nèi)，則實(shí)現(xiàn)對井下作業(yè)人員的精準(zhǔn)定位，完成基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的井下定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。

3 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)在Matlat平臺(tái)內(nèi)模擬井下巷道環(huán)境，巷道長60m，寬1.9m，高4m。同時(shí)，將無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)置在巷道兩側(cè)，其間隔設(shè)置15m，引用4個(gè)參考節(jié)點(diǎn)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行校正，利用本文系統(tǒng)對井下巷道人員的位置信息進(jìn)行定位測試，以驗(yàn)證本文系統(tǒng)的可行性。為了保證實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，采用傳統(tǒng)定位系統(tǒng)作為參照，在改變作業(yè)人員位置、井深的條件下，對兩系統(tǒng)的井下定位精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 井下定位精度對比結(jié)果

分析表1數(shù)據(jù)可知，在相同的定位條件下，本文系統(tǒng)的有效定位率均不低于95%；而傳統(tǒng)系統(tǒng)的有效定位率均低于90%，因此在井下人員的有效定位方面，本文系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢。

同時(shí)，本文系統(tǒng)的定位失誤率也很低，較傳統(tǒng)系統(tǒng)的定位失誤率平均低3.5%，計(jì)算可知，本文系統(tǒng)的井下定位精度比傳統(tǒng)系統(tǒng)的井下定位精度高27.1%。

因此可以得出結(jié)論，本文設(shè)計(jì)的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的井下定位系統(tǒng)具備可行性和有效性，能夠同時(shí)兼顧井下人員定位與位置信息傳輸?shù)慕y(tǒng)一，最終的井下定位效果較為理想。

4 結(jié)語

本文利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種井下定位系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定本文系統(tǒng)的有效性。但在本次研究中，還存在一系列的不足，例如實(shí)驗(yàn)環(huán)境的模擬、系統(tǒng)硬件的優(yōu)化設(shè)計(jì)等，希望在下次的研究中能夠?qū)⒗碚摻Y(jié)合實(shí)際，進(jìn)一步增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的說明性，以為我國井下定位系統(tǒng)的研究與發(fā)展提供基礎(chǔ)。