基于無線網(wǎng)絡技術的礦井人員定位系統(tǒng)研究與應用

張 帥

(中煤鄭州能源開發(fā)有限公司，河南 登封 452470)

近年來，我國很多地區(qū)出現(xiàn)了重大的礦井安全事故，引起了社會各界高度關注，對于煤礦領域的可持續(xù)發(fā)展造成了不良影響。煤礦開采比較特殊，需要在礦井內部完成相關作業(yè)工作，而礦井內部工作環(huán)境復雜，特別容易出現(xiàn)各種類型的安全事故[1]。一旦出現(xiàn)爆炸、坍塌等安全事故，就會對井下作業(yè)人員的生命安全構成嚴重威脅。為了提升井下人員的安全系數(shù)，煤礦企業(yè)采取了很多措施，其中對礦井人員進行定位是比較有效的措施之一[2]。在人員定位系統(tǒng)的輔助作用下，如果礦井出現(xiàn)安全事故，可以快速定位人員位置，并積極采取營救措施，在黃金救援時間內把被困礦井人員營救出來，保障他們的生命安全[3]。本文充分結合礦井實際情況，設計研究了一種基于無線網(wǎng)絡技術的井下人員定位系統(tǒng)，將其應用到工程實踐中，取得了較好的效果，值得其他煤礦企業(yè)借鑒。

1 基于無線網(wǎng)絡技術的定位方法

1.1 基于RSSI的定位原理分析

當前基于RSSI(基于接收信號強度指示)的定位技術在很多領域都得到了廣泛的應用。在具體應用過程中，其測距步驟可以分為2步[4]。

第1步是計算參考節(jié)點與待測節(jié)點之間的距離。根據(jù)距離來確定位置時，需要同時計算兩個參數(shù)，分別為兩者之間的距離和兩者之間的角度關系?；赗SSI技術測距時，RSSI可以是不同的信號，常見的包括無線RF信號、超聲波信號等。本系統(tǒng)主要使用ZigBee無線網(wǎng)絡實現(xiàn)井下人員定位，因此使用的是無線RF信號。在ZigBee無線網(wǎng)絡系統(tǒng)中，接收節(jié)點在獲得發(fā)射節(jié)點的信號時，能夠檢測到發(fā)射信號的衰減情況，根據(jù)信號衰減程度推算得到兩者之間的距離。

第2步是根據(jù)參考節(jié)點坐標計算得到待測節(jié)點的坐標?；赗SSI技術的測距原理如圖1所示。圖1(a)中，A、B、C均為接收節(jié)點，X為發(fā)射節(jié)點，在ZigBee無線網(wǎng)絡系統(tǒng)中，基于RSSI技術可以測量得到d1、d2、d3的大小。理想狀態(tài)下，以3個接收節(jié)點為圓心、以3個距離為半徑分別畫圓，3個圓交匯于一點，該點就是待測節(jié)點的坐標位置。

圖1 基于RSSI技術的測距原理示意Fig.1 Schematic diagram of the ranging principle based on RSSI technology

1.2 RSSI算法改進分析

以上是基于理想狀態(tài)得到的待測節(jié)點位置，但實際操作過程中，由于不同接收節(jié)點在接收時間上存在差異，且在計算距離時難免存在一定的誤差，最終出現(xiàn)的情況通常如圖1(b)所示，3個圓無法交匯于一點，而是形成一個重疊區(qū)域，即圖中的陰影部分。

為了克服以上缺陷問題，本定位系統(tǒng)在設計定位算法時，在上述算法的基礎上進行優(yōu)化改進。根據(jù)圖1(b)所示，3個圓在交匯時會形成a、b、c3個點，3個交點形成一個三角形abc。求得三角形abc的質心，將該質心作為待測節(jié)點的坐標位置。

2 人員定位系統(tǒng)整體方案設計

2.1 系統(tǒng)整體方案

基于ZigBee無線網(wǎng)絡技術的礦井人員定位系統(tǒng)整體方案框架如圖2所示。從圖中可以看出，定位系統(tǒng)可以劃分為2大部分：第1部分為位于地面的監(jiān)控調度中心；第2部分為位于井下的位置定位中心。網(wǎng)絡方面既包含有線網(wǎng)絡，也包含無線網(wǎng)絡。ZigBee子網(wǎng)絡內部、子網(wǎng)絡與定位分站之間都是通過無線信號進行數(shù)據(jù)傳輸。定位分站與光纖數(shù)據(jù)傳輸接口、定位分站與地面之間通過光纖網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳輸，充分利用了有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡各自的優(yōu)勢，既保證了人員定位系統(tǒng)的靈活性，又保證了數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。

圖2 礦井人員定位系統(tǒng)的整體方案框架Fig.2 Block diagram of the overall scheme of mine personnel positioning system

地面監(jiān)控調度中心主要包括數(shù)據(jù)傳輸接口、數(shù)據(jù)處理服務器、數(shù)據(jù)存儲服務器、人員活動軌跡顯示終端等。井下部分主要包括ZigBee子網(wǎng)絡、定位分站、光纖數(shù)據(jù)傳輸接口等，其中，ZigBee子網(wǎng)絡的作用是確定人員與已知節(jié)點之間的距離，并將相關的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)椒掌髦羞M行分析處理，根據(jù)內置的定位算法獲得人員的位置信息。

2.2 ZigBee子網(wǎng)絡

基于ZigBee無線網(wǎng)絡技術的子網(wǎng)絡如圖3所示。由圖3可知，ZigBee子網(wǎng)絡主要包括路由器、定位終端和定位分站。其中路由器屬于已知節(jié)點，安裝在巷道固定位置，定位終端屬于待測節(jié)點，配置在井下人員身上。根據(jù)礦井實際情況，可以在巷道內設置多個定位分站，附近所有路由器接收的數(shù)據(jù)信息都通過ZigBee無線網(wǎng)絡傳輸?shù)蕉ㄎ环终局?。定位分站再通過光纖網(wǎng)絡將所有匯總的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控調度中心進行分析和處理。

圖3 基于ZigBee無線網(wǎng)絡技術的子網(wǎng)絡示意Fig.3 Schematic diagram of sub-network based on ZigBee wireless network technology

為確保無線信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，避免信號在傳輸過程中出現(xiàn)過度衰減的現(xiàn)象，定位系統(tǒng)中使用的是功率增強型ZigBee模塊[5]。此類型模塊的無線信號傳輸距離可達50～200 m。在配置ZigBee無線網(wǎng)絡時，路由器與定位分站，定位分站與定位分站之間的距離都控制在50～100 m范圍內。因此，可以確保無線信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。所有路由器的位置是已知的，位于人員身上的定位終端位置是未知的，定位終端會不斷向外發(fā)射信號，路由器接收信號，并根據(jù)上文所述的定位原理獲得人員的位置坐標。

2.3 光纖傳輸網(wǎng)絡

由于礦井深度較深，因此數(shù)據(jù)傳輸距離非常長，為確保數(shù)據(jù)傳輸過程的可靠性，采用光纖傳輸網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸。光纖網(wǎng)絡傳輸速度完全能夠達到人員定位系統(tǒng)的實際使用需要，不管是語音信息、視頻信息、還是圖片信息，都能夠快速地從井下傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控調度中心。定位系統(tǒng)在配置網(wǎng)絡時全部采用TCP/IP協(xié)議，保證所有分站網(wǎng)絡的兼容性。光纖網(wǎng)絡中設置有多個數(shù)據(jù)傳輸接口，所有定位分站采集到的信息都通過有線網(wǎng)絡接入這些接口，定位分站與光纖數(shù)據(jù)傳輸接口之間通過RS232實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

3 人員定位系統(tǒng)硬件選型設計

3.1 ZigBee無線芯片的選型

當前ZigBee無線網(wǎng)絡技術已經(jīng)發(fā)展非常成熟，很多公司對ZigBee無線芯片進行了大量研究，開發(fā)了很多產(chǎn)品，市場上有很多種無線芯片可供選擇。在分析不同芯片優(yōu)勢和劣勢、結合實際情況的基礎上，最終選用的是CC2530芯片[6]。此芯片不僅造價低，并且性能穩(wěn)定、功耗較低。使用的處理器為增強型的8015型微處理器，可以同時完成信號的發(fā)射與接收工作。接口豐富，可以和多種類型的外設進行連接，具有良好的拓展性。閃存空間和RAM空間大小分別為256 kB和8 kB，其中閃存空間主要用于常規(guī)任務處理，RAM空間主要用于復雜ZigBee任務的處理。

3.2 定位終端設計

定位終端即定位系統(tǒng)中的待測節(jié)點，需要攜帶在井下工作人員的身上。因此在設計時需要充分考慮攜帶的便捷性，必須體積小、質量輕。由于定位終端需要攜帶在人員身上進行移動，所以供電方面只能采用電池進行供電。定位終端選用的是CC2530模塊[7]。定位系統(tǒng)中定位終端的基本結構如圖4所示。由圖4可知，CC2530模塊除了電池外，還包括LED指示燈、報警模塊、緊急求救按鈕。CC2530模塊工作時需要的電源電壓為2.0～3.6 V，因此該模塊配備的電池為3.3 V，同時利用二極管進行串聯(lián)供電，防止電流反向流動。定位終端能夠正常工作時，LED指示燈以每秒一次的頻率進行閃爍，如果LED指示燈常亮不滅，說明電池電壓不足，需要更換電池。如果LED指示燈以很快的頻率閃爍，說明地面監(jiān)控調度中心提示井下存在安全隱患。井下工作人員遇到特殊情況需要救援時，可以按下緊急求救按鈕，CC2530模塊立即向外發(fā)出求救信號。

圖4 定位終端的基本結構Fig.4 Basic structure of positioning terminal

3.3 路由器的設計

路由器是井下人員定位系統(tǒng)中的參考節(jié)點，安裝在巷道中的規(guī)定位置，且位置坐標是已知的，理論上講，CC2530模塊在發(fā)射無線RF信號時，其功率可達4.5 dBm，但礦井工作環(huán)境復雜，實際發(fā)射功率可能達不到理論值，為確保CC2530模塊的發(fā)射功率達到相關要求，可增加設置1臺功率放大器。路由器需要隨時接收來自定位終端發(fā)射的無線RF信號，需24 h連續(xù)工作?？紤]到路由器位置比較固定，采用本安型不間斷電源對其進行供電[8]。

根據(jù)我國煤礦領域相關規(guī)范標準，井下使用的電源電壓等級為127 V交流電，而定位系統(tǒng)中使用的路由器需用2.0～3.6 V的電壓供電。系統(tǒng)設計了專門的供電電路，將127 V交流電轉換成為3.3 V直流電對路由器進行供電。路由器還配備了3.3 V的電池，以備特殊情況下不間斷電源無法正常工作，可以緊急啟用電池進行供電。本安型不間斷電源的原理框圖如圖5所示。

圖5 本安型不間斷電源的原理Fig.5 Principle of intrinsically safe uninterruptible power supply

4 定位過程軟件設計研究

4.1 協(xié)調器軟件設計

協(xié)調器是ZigBee子網(wǎng)絡中的重要構成部分，其重要作用是構建基于ZigBee無線網(wǎng)絡的定位網(wǎng)絡系統(tǒng)，自動對井下各定位分站和路由器分配網(wǎng)絡地址。此外，還需要接收地面調度監(jiān)控中心下達的任務，對節(jié)點的數(shù)據(jù)進行科學配置[9]。各節(jié)點運行過程中產(chǎn)生的網(wǎng)絡相關數(shù)據(jù)同樣需要通過協(xié)調器反饋到地面監(jiān)控中心。如圖6所示為ZigBee子網(wǎng)絡協(xié)調器工作流程圖。由圖可知，協(xié)調器需要同時接收來自地面PC機的數(shù)據(jù)和井下各個節(jié)點的數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)綄慕K端。

圖6 ZigBee子網(wǎng)絡協(xié)調器工作流程Fig.6 ZigBee sub-network coordinator work flow chart

4.2 參考節(jié)點軟件設計

設計的礦井人員定位系統(tǒng)中參考節(jié)點就是路由器，參考節(jié)點是安裝固定在巷道對應位置上的，其位置信息是已知的。參考節(jié)點在整個ZigBee無線網(wǎng)絡系統(tǒng)中需要不斷地接收來自待測節(jié)點向外發(fā)出的信號，通常向外發(fā)出的信號中包含有人員編號ID，以便識別具體人員。參考節(jié)點將信號強度值進行初步分析處理后，通過ZigBee無線網(wǎng)絡將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到井下定位分站，打包發(fā)送的還包括該參考節(jié)點的坐標信息。人員定位系統(tǒng)中參考節(jié)點的工作流程如圖7所示。

圖7 人員定位系統(tǒng)中參考節(jié)點的工作流程Fig.7 Work flow chart of the reference node in personnel positioning system

4.3 待測節(jié)點軟件設計

待測節(jié)點直接配置在井下工作人員的身上，人員在移動過程中會攜帶待測節(jié)點發(fā)生對應的移動。為了確定人員的位置信息，待測節(jié)點會不斷地向周圍發(fā)射位置請求，即不斷向外發(fā)送無線RF信號，信號中包含有該人員的編號ID[10]。無線RF信號會同時被周圍的多個參考節(jié)點接收，由于無線RF信號在空氣中傳播時會逐漸衰減，參考節(jié)點接收到信號后會判斷信號衰減的程度，即得到RSSI值。人員定位系統(tǒng)接收到3個以上參考節(jié)點關于某個待測節(jié)點在相同時刻的數(shù)據(jù)后，就可以根據(jù)內置算法計算得到該待測節(jié)點的坐標。井下人員定位系統(tǒng)待測節(jié)點的工作流程如圖8所示。

圖8 井下人員定位系統(tǒng)待測節(jié)點的工作流程Fig.8 Work flow chart of node to be tested in underground personnel positioning system

5 礦井人員定位系統(tǒng)的應用研究

根據(jù)以上設計方案，完成了基于無線網(wǎng)絡技術的礦井人員定位系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應用到煤礦工程實踐中。為了檢驗系統(tǒng)的實踐運用效果，對其運行情況進行了連續(xù)3個月的測試。

在礦井人員定位系統(tǒng)搭建完成初期，為了檢驗系統(tǒng)的定位精度，開展了一次檢驗實驗工作。實驗過程中安排50名實驗人員同時在礦井內部移動，所有實驗人員的具體位置信息已知。利用定位系統(tǒng)對50名實驗人員的位置信息進行檢測。將實驗檢測結果與實際位置進行對比分析，以檢驗系統(tǒng)的檢測精度。通過此次實驗發(fā)現(xiàn)，所有人員的檢測結果數(shù)據(jù)很快反饋到地面監(jiān)控調度中心的監(jiān)控大屏上，說明檢測過程速度非常快，結果反饋比較及時。如圖9所示為基于ZigBee無線網(wǎng)絡技術的礦井人員定位系統(tǒng)定位結果精度的實驗統(tǒng)計情況，由圖中數(shù)據(jù)可以看出，50位實驗人員的位置定位結果精度誤差全部控制在了0.45 m范圍內，可見，該定位系統(tǒng)的定位精度非常高，完全能夠滿足礦井人員定位的基本需求。

圖9 礦井人員定位系統(tǒng)定位精度實驗結果Fig.9 Experimental results of positioning accuracy of mine personnel positioning system

在連續(xù)3個月的測試過程中，礦井人員定位系統(tǒng)的整體運行比較穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)明顯的故障問題。礦井中使用人員定位系統(tǒng)以后，管理人員以及調度人員可以在地面監(jiān)控調度中心的監(jiān)控大屏上，隨時掌握井下的人員數(shù)量、所有人員的位置信息以及他們的行動軌跡。特殊情況下還可以對井下人員的位置進行調度，極大地提升了人員調度效率，降低了管理人員的工作量。一旦礦井中出現(xiàn)各種類型的安全事故，救援人員可以在地面監(jiān)控大屏上實時掌握井下所有人員的位置信息，并根據(jù)不同人員的位置針對性地開展應急救援工作，為救援爭取更多的寶貴時間，將事故次生災害控制在最低水平。

綜上所述，設計的基于ZigBee無線網(wǎng)絡技術的礦井人員定位系統(tǒng)具有很高的定位精度，并且系統(tǒng)運行穩(wěn)定。定位系統(tǒng)的成功應用，顯著提升了礦井的自動化和智能化水平，礦井的安全系數(shù)也有了顯著提升，為礦井人員的生命安全提供了堅實的后盾。獲得了礦井人員的一致好評，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的安全效益。

6 結論

主要研究了基于ZigBee無線網(wǎng)絡技術的礦井人員定位系統(tǒng)，并將其應用到工程實踐中，所得結論主要包含以下幾個方面：

(1)考慮到傳統(tǒng)的基于RSSI的人員定位原理在實踐中存在的缺陷問題，對定位算法進行了優(yōu)化改進，改進后的算法更加切合實際情況，所得結果更加精確。

(2)設計的人員定位系統(tǒng)分為兩大部分，分別為地面監(jiān)控調度中心和井下人員定位中心。井下部分主要利用ZigBee無線網(wǎng)絡技術進行數(shù)據(jù)信息交互，井下和地面之間由于距離較遠，為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，通過光纖網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸。

(3)將礦井人員定位系統(tǒng)運用到煤礦工程實踐中，對其實際使用效果進行了實驗測試，發(fā)現(xiàn)定位精度可以控制在0.45 m范圍以內，精度較高，且定位時間很短。此次設計基本達到了預期效果，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了較好的安全效益。