關(guān)于WiFi 通信技術(shù)的煤礦井下人員定位系統(tǒng)改進(jìn)的研究

李治錦

（山西陽(yáng)城陽(yáng)泰集團(tuán)西馮街煤業(yè)有限公司，山西 陽(yáng)城 048100）

0 引 言

眾所周知，煤礦開采環(huán)境非常惡劣，安全事故時(shí)有發(fā)生。且煤礦事故發(fā)生往往具有很強(qiáng)的隨機(jī)性、不可預(yù)測(cè)性，同時(shí)井下通信條件差，傳統(tǒng)的電纜傳輸技術(shù)手段無(wú)法有效地保障井下與地面之間高效的信息傳輸。目前主流的無(wú)線通信技術(shù)是井下定位系統(tǒng)研究熱點(diǎn)，其擁有眾多優(yōu)勢(shì)，可以快速布置、適應(yīng)性好、可擴(kuò)展性強(qiáng)等[1]。

基于無(wú)線傳輸WiFi 通信技術(shù)的煤礦井下人員定位系統(tǒng)，管理人員可實(shí)現(xiàn)對(duì)井下人員、設(shè)備動(dòng)態(tài)情況的實(shí)時(shí)查詢。一旦發(fā)生安全事故，系統(tǒng)可以自動(dòng)報(bào)警，并提交人員位置信息，為第一時(shí)間施救提供了有效保障。本文基于WiFi 通信技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的煤礦人員定位系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，提升了系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)能力、定位精度以及可擴(kuò)展性，對(duì)于對(duì)于煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)改造具有良好的借鑒意義[2]。

1 井下定位系統(tǒng)需求分析

煤礦開采的井下作業(yè)一直也來(lái)都是一項(xiàng)比較危險(xiǎn)的工作，為了盡可能降低事故對(duì)工作人員的傷害，需建立和完善一套人員定位系統(tǒng)，以助于咋事故發(fā)生時(shí)能夠第一時(shí)間了解人員所在位置并實(shí)施救助。

井下環(huán)境復(fù)雜，地面通信設(shè)備信號(hào)無(wú)法傳輸?shù)较露耍以谙鄬?duì)密閉的環(huán)境中容易出現(xiàn)瓦斯?jié)舛绕?、環(huán)境溫度、空氣質(zhì)量等問題。在設(shè)計(jì)人員定位系統(tǒng)時(shí)，為了滿足定位精確、信息傳輸能力強(qiáng)、操作方便的要求，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行分析。

1.1 功能需求

為了最大限度的保護(hù)井下作業(yè)人員的安全，應(yīng)確保萬(wàn)無(wú)一失，在突發(fā)的安全事故發(fā)生時(shí)，能夠發(fā)揮系統(tǒng)各項(xiàng)功能，解救被困人員，因此就要求井下人員定位系統(tǒng)具備如下幾個(gè)功能[3]：

1）能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)井下所有人員位置的定位、顯示。

2）能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)位置信號(hào)的記錄，并最終以軌跡的形式，顯示于地圖之中。

3）能夠查詢指定區(qū)域內(nèi)，在一段時(shí)間內(nèi)所有定位對(duì)象的分布情況。

4）當(dāng)發(fā)生安全事故，系統(tǒng)能進(jìn)行報(bào)警，并準(zhǔn)確提供人員位置信息。

1.2 系統(tǒng)性能需求

礦井人員定位應(yīng)用WiFi 技術(shù)，并結(jié)合企業(yè)自身的實(shí)際需求，以及通信特點(diǎn)，要求系統(tǒng)應(yīng)具備如下的性能要求[4]：

1）高定位精度要求。理論上定位精度越高，越有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)人員的準(zhǔn)確定位，從而減少不必要的信息誤判?；赪iFi 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的人員定位系統(tǒng)，結(jié)合高效準(zhǔn)確的定位算法，可以有效提高其定位精度。

2）時(shí)效性。要求定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)具有較好的實(shí)時(shí)性，適當(dāng)提高信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)通量，提升系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，確保人員在移動(dòng)位置時(shí)，系統(tǒng)能及時(shí)更新。

3）系統(tǒng)的容量。系統(tǒng)容量大，可擴(kuò)展性好；相反，如果系統(tǒng)容量小，當(dāng)?shù)V井規(guī)模不斷擴(kuò)大的時(shí)候，系統(tǒng)可能不發(fā)兼容那么多設(shè)備，考慮到后期可擴(kuò)展的要求，應(yīng)保證系統(tǒng)容量足夠大[5]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

定位系統(tǒng)以WiFi 通信技術(shù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)對(duì)井下人員信息與相關(guān)設(shè)備的監(jiān)控，系統(tǒng)通過終端節(jié)點(diǎn)與信號(hào)器之間的通信傳輸，采集井下工人的位置信息。并將采集的信息經(jīng)路由器無(wú)線傳回地面服務(wù)器。定位系統(tǒng)初步設(shè)定目標(biāo)是對(duì)工人位置的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)井下魚人考勤，以及活動(dòng)軌跡的記錄，同時(shí)具備災(zāi)害事故報(bào)警能力。如圖1 所示，為該系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。

圖1 井下人員定位系統(tǒng)架構(gòu)圖

根據(jù)WiFi 通信技術(shù)的特點(diǎn)以及系統(tǒng)的應(yīng)用需求，系統(tǒng)需要滿足相應(yīng)的技術(shù)條件，如：低成本、低功耗、小型化、可拓展性、精度高，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)系統(tǒng)硬件與軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)性能達(dá)到使用要求。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

WiFi 通信技術(shù)定位系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)通常由定位傳感器、處理器模塊、無(wú)線通信模塊、能量供應(yīng)4 個(gè)模塊組成（見圖2），下面對(duì)主要的硬件設(shè)備進(jìn)行說明[6]。

圖2 WiFi 通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件模型

1）定位終端。如圖3 所示，選擇了M201A 型定位終端，其具有支持多種頻道WiFi 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的特點(diǎn)，且能夠自動(dòng)上傳位置信息。具備緊急呼救功能，設(shè)置了報(bào)警按鈕，可實(shí)現(xiàn)人員的主動(dòng)報(bào)警，和被動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)于作業(yè)人員的定位具有重要意義。

圖3 M201A 型定位終端

2）處理器。選擇了德州儀器公司生產(chǎn)SC2380 處理器，具有較好的使用性能，硬件支持CSMA/CA 功能，且具有較低的功耗，系統(tǒng)在處于休眠模式下僅0.5

uA 的流耗。集成適用于IEEE 802.1.2 標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)收發(fā)器，可以保障定位系統(tǒng)通信性能以及無(wú)線接收靈敏度，同時(shí)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖4 Wi-Fi 技術(shù)煤礦井下人員定位安全系統(tǒng)

圖4 為井下人員定位系統(tǒng)主界面，軟件操作系統(tǒng)主要基于IAR Embedded Workbench（又稱EW）開發(fā)工具，對(duì)煤礦井下人員定位管理系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)設(shè)計(jì)，結(jié)合煤礦自身特點(diǎn)，改進(jìn)系統(tǒng)硬件配置，網(wǎng)絡(luò)傳輸硬件設(shè)備以及服務(wù)器。EW 用于對(duì)匯編的最大特點(diǎn)在于能夠兼容C 語(yǔ)言，易學(xué)容易上手。對(duì)原有操作界面上進(jìn)行了集約化設(shè)計(jì)，創(chuàng)建將新增設(shè)的事故報(bào)警欄。

左側(cè)設(shè)置工具欄包括：人員監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)查詢、報(bào)警查詢、設(shè)備信息、人員管理、系統(tǒng)設(shè)置六大模塊。

3 人員定位系統(tǒng)測(cè)試運(yùn)行

在完成人員定位系統(tǒng)的搭建后，需對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。根據(jù)系統(tǒng)布置到位后先期的運(yùn)行情況來(lái)看。系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)信息的及時(shí)交互、人員定位精度最大值不超過4 m。實(shí)現(xiàn)了對(duì)人員定位位置信息的記錄，并繪制人員運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5 所示，為系統(tǒng)所記錄某人員在一段時(shí)間內(nèi)在煤礦巷道中的軌跡圖。由于篇幅所限在此不再對(duì)每個(gè)功能實(shí)現(xiàn)的界面進(jìn)行展示。

圖5 井下人員定位系統(tǒng)歷史軌跡界面

煤礦井下人員定位安全系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)搭建成功，為煤礦礦井人員監(jiān)測(cè)，提供了可靠有力的措施。在系統(tǒng)后期的使用中也證實(shí)達(dá)到了預(yù)期設(shè)定目標(biāo)，系統(tǒng)在硬件、軟件層面均得到了改進(jìn)優(yōu)化。保障了企業(yè)的安全生產(chǎn)，很好地滿足了煤礦井下人員定位的實(shí)際需求。

4 結(jié) 論

1）針對(duì)現(xiàn)有定位系統(tǒng)存在定位精度低、硬件性能差等情況，對(duì)定位系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先，分析了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，并根據(jù)需求選擇相應(yīng)的硬件，改進(jìn)服務(wù)器、通信系統(tǒng)、定位終端，最后基于EW 開發(fā)工具對(duì)軟件操作系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)約化設(shè)計(jì)，改進(jìn)軟件界面，提高實(shí)用性，最終完成對(duì)定位系統(tǒng)的構(gòu)建。

2）對(duì)井下人員定位系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)升級(jí)達(dá)到了預(yù)期設(shè)定目標(biāo)，系統(tǒng)在硬件、軟件層面均得到了改進(jìn)優(yōu)化，提高了系統(tǒng)的精度與可靠性。能夠較好實(shí)現(xiàn)對(duì)井下人員軌跡追蹤，可為后續(xù)深入研究提供參考。