一種低功耗綜采工作面人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 賢 ，周 澍

（1.中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司，江蘇 常州 213015；2.天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 常州 213015）

采煤工作面是煤礦井下最重要、最危險(xiǎn)的第一生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)綜采工作面內(nèi)人員位置準(zhǔn)確監(jiān)控，可以有效提高危險(xiǎn)區(qū)域的安全管控能力，保障工作面自動(dòng)化作業(yè)時(shí)的生產(chǎn)安全。隨著UWB 無線定位技術(shù)的逐步成熟，已在礦用人員精確定位系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，采用人員定位卡作為標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)，定位分站作為錨節(jié)點(diǎn)的布局模式，可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的高精度定位[1-2]，使得井下工作面精確定位成為可能。在綜采工作面布置定位系統(tǒng)時(shí)，由于工作面有大范圍的金屬物遮擋，大多采取增加定位分站數(shù)量的方法來避免遮擋物對(duì)定位精度造成的影響，實(shí)現(xiàn)二維定位，但該策略在實(shí)施過程中還會(huì)遇到其他諸多不利因素。其一，綜采工作面環(huán)境復(fù)雜，由于工作面并不是簡(jiǎn)單的平直環(huán)境，且工作面液壓支護(hù)位置會(huì)隨著采煤作業(yè)不斷變化，導(dǎo)致液壓支架上安裝的分站位置變化對(duì)定位效果產(chǎn)生影響，加上大量金屬物遮擋，實(shí)現(xiàn)工作面的高精度二維定位難度極大，如果大密度地安裝定位分站，那么又面臨成本，供電，通信等問題；其二，現(xiàn)場(chǎng)安裝的難度極大，雖然液壓支架間隔通常只有1.8 m 左右，但是相鄰的液壓支架之間又是相互獨(dú)立的，相鄰的液壓支架現(xiàn)場(chǎng)布線長(zhǎng)度實(shí)際不低于7 m，從而導(dǎo)致從進(jìn)風(fēng)巷一端引入通信線纜總長(zhǎng)有上千米，且多定位分站的布局，無論采用以太網(wǎng)、RS485、CAN 等常用通信方式，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都極其復(fù)雜，后期維護(hù)困難[3-4]。綜上所述，基于人員定位卡+定位分站的布局模式難以在工作面定位應(yīng)用中實(shí)施，工作面定位需求的本身并不是人員位置的準(zhǔn)確坐標(biāo)，而是對(duì)人員在綜采工作面危險(xiǎn)區(qū)域的準(zhǔn)確識(shí)別?？紤]到工作面同時(shí)作業(yè)人員數(shù)量有限，那么設(shè)計(jì)一種采用基于藍(lán)牙的低功耗定位與LoRa 低功耗遠(yuǎn)距離無線技術(shù)的綜采工作面定位系統(tǒng)，施工無需拉線，定位無需定標(biāo)，可以很好地滿足工作面定位的現(xiàn)有需求。

1 系統(tǒng)原理

藍(lán)牙信號(hào)在傳播過程中，會(huì)出現(xiàn)衰減現(xiàn)象，且隨著距離的增加，信號(hào)的衰減程度也會(huì)加深?；赗SSI 的測(cè)距算法與距離存在一定的函數(shù)關(guān)系，通過此函數(shù)關(guān)系可測(cè)量出發(fā)送端與接收端的距離。此函數(shù)關(guān)系可用對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型表示，表達(dá)式如下：

式中：RSSI 為信號(hào)強(qiáng)度；PL（d） 為發(fā)送端與接收端之間的距離d為時(shí)RSSI 的值；d為發(fā)送端與接收端之間的距離；PL（d0） 為發(fā)送端與接收端之間的距離為1 m 時(shí)RSSI 的值；d0=1 m；n為路徑損失比例系數(shù)；ε為隨著距離的增加，信號(hào)的損失程度，與定位環(huán)境有關(guān)，表示均值為0 時(shí)的高斯分布隨機(jī)變量。

令A(yù)=PL（d0），根據(jù)式（1）可求出d值：

在部署設(shè)備前，PL（d0）和n的值需要根據(jù)工作面真實(shí)環(huán)境進(jìn)行測(cè)量并擬合[5-6]。藍(lán)牙RSSI 定位精度一般在2～5 m，根據(jù)鋪設(shè)定位信標(biāo)的鋪設(shè)密度，越密定位精度越高。在工作面人員到達(dá)區(qū)域合理布置藍(lán)牙發(fā)射端，人員攜帶的接收端實(shí)時(shí)掃描周圍的藍(lán)牙信號(hào)，根據(jù)藍(lán)牙信號(hào)強(qiáng)度測(cè)算具體位置，從而識(shí)別人員在綜采工作面的準(zhǔn)確位置。

LoRa 技術(shù)在低速數(shù)據(jù)的無線傳輸方面具有低功耗、長(zhǎng)距離、抗干擾、多連接等優(yōu)勢(shì)，特別適合空間狹小、設(shè)備較多的工作面應(yīng)用,可以保證人員定位數(shù)據(jù)的可靠傳輸[7-8]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜采工作面定位系統(tǒng)主要由工作面定位分站、區(qū)域定位器、信息礦燈、礦用智能手機(jī)、交換機(jī)等組成，系統(tǒng)框架如圖1。

圖1 工作面定位系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of positioning system for coal face

在工作面液壓支架的人行通道和架前區(qū)域合理布置區(qū)域定位器，人員攜帶的信息礦燈持續(xù)掃描定位器廣播的藍(lán)牙廣播信號(hào)，信息礦燈將單位時(shí)間內(nèi)接收到藍(lán)牙RSSI 最強(qiáng)的定位器信息通過LoRa 無線模塊發(fā)送給工作面兩端的定位分站，分站通過光纖環(huán)網(wǎng)將信息礦燈的位置信息上報(bào)至上層分析系統(tǒng)，分析系統(tǒng)處理完畢后將最終軌跡展示在定位系統(tǒng)界面上。

2.1 區(qū)域定位器

區(qū)域定位器作為定位信標(biāo)，采用大容量一次性鋰電池供電，結(jié)構(gòu)抗壓可靠，設(shè)計(jì)磁吸安裝和底板焊接2 種安裝方式。區(qū)域定位器原理框圖如圖2。

圖2 區(qū)域定位器原理框圖Fig.2 Schematic diagram of area locator

主控采用NORDIC nRF52832 芯片，作為發(fā)送端工作在藍(lán)牙從機(jī)模式，beacon 信標(biāo)幀按設(shè)定的間隔持續(xù)廣播，功耗極低，若按1 s 1 次的廣播間隔，平均工作電流小于1 mA，工作時(shí)長(zhǎng)達(dá)3 年以上。通過礦用智能手機(jī)藍(lán)牙近距離掃描區(qū)域定位器的廣播信息，可通過配套的APP 軟件直接采集定位器的識(shí)別信息，電量信息等，以便錄入人員定位系統(tǒng)。同時(shí)手機(jī)與定位器藍(lán)牙連接后，可通過APP 對(duì)廣播內(nèi)容，發(fā)送間隔，發(fā)送信號(hào)強(qiáng)度，設(shè)備MAC 地址等信息進(jìn)行配置。

2.2 信息礦燈

2.2.1 原理及功能

人員定位卡在現(xiàn)有RFID 區(qū)域定位與UWB 精確定位功能的基礎(chǔ)上，針對(duì)工作面定位的特殊性，融合藍(lán)牙定位技術(shù)和LoRa 無線技術(shù)，與礦燈結(jié)合組成信息礦燈。礦燈電池選用單節(jié)3.7 V、6 000 mAh 錳酸鋰電池，保證≥11 h 照明時(shí)長(zhǎng)的同時(shí)，仍有足夠電量供人員定位卡使用。人員定位卡硬件部分主控采用NORDICnRF52832 芯片，外圍由UWB 射頻模塊、3 軸加速度計(jì)、LoRa 模組、按鍵、蜂鳴器、指示燈、單色OLED 屏等部分組成，人員定位卡原理框圖圖如圖3。

圖3 人員定位卡原理框圖Fig.3 Schematic diagram of personnel positioning card

1）UWB 射頻模塊。用于與精確定位系統(tǒng)下UWB 定位分站通信，實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)有精確定位系統(tǒng)下的定位功能兼容。

2）藍(lán)牙射頻電路。nRF52832 是一顆超低功耗藍(lán)牙SoC，支持多種協(xié)議，并且在運(yùn)行時(shí)按需切換，其中2.4G ESD 功能可與基于nRF24L01 的RFID 區(qū)域定位兼容，藍(lán)牙定位時(shí)定位卡作為接收端工作在藍(lán)牙主機(jī)模式[9-10]。

3）LoRa 無線模塊。與定位分站的LoRa 模組通信，主要負(fù)責(zé)發(fā)送人員定位卡的藍(lán)牙定位信息和接收定位系統(tǒng)的下行消息。設(shè)計(jì)采用基于SEMTECH 射頻集成芯片SX1276 的射頻模塊，中心頻率為860～935 MHz，接收電流≤13 mA，睡眠電流≤2 μA，有效通信距離5 km@250 bps，可以很好地勝任工作面的低速數(shù)據(jù)無線傳輸。

4）3 軸加速度計(jì)。主要用于振動(dòng)及放置方向檢測(cè)，當(dāng)信息礦燈長(zhǎng)時(shí)間靜止時(shí)人員定位卡進(jìn)入低功耗模式，避免電池?zé)o效的能量損耗，保證礦燈更長(zhǎng)的待機(jī)時(shí)間。

2.2.2 人員定位卡定位工作模式

人員定位卡定位工作模式由UWB 定位模式和藍(lán)牙定位模式2 種工作模式組成。

1）UWB 定位模式。UWB 定位模式下LoRa 無線模塊處于睡眠狀態(tài)，藍(lán)牙射頻電路使用2.4G ESB 通信功能，工作在RFID 區(qū)域定位標(biāo)簽?zāi)Ｊ?，?shí)現(xiàn)對(duì)原有RFID 區(qū)域定位的兼容。UWB 射頻模塊工作在標(biāo)簽?zāi)Ｊ?，按照設(shè)定時(shí)間間隔與周圍的定位分站UWB 定位模組完成測(cè)距工作，兩次測(cè)距之間主控關(guān)閉外圍電路，使定位卡處于休眠狀態(tài)以降低功耗。當(dāng)定位卡與安裝在工作面兩端的工作面定位分站測(cè)距成功，且距離小于一定值時(shí)，定位卡切換到藍(lán)牙定位模式。

2）藍(lán)牙定位模式。進(jìn)入藍(lán)牙定位模式時(shí)LoRa無線模塊退出休眠，主動(dòng)與上級(jí)設(shè)備通信申請(qǐng)信道，防止節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并發(fā)發(fā)生丟包。在該模式下藍(lán)牙射頻電路關(guān)閉2.4G ESB 通信功能，工作在藍(lán)牙主機(jī)模式，接收常開，實(shí)時(shí)嗅探掃描周邊從機(jī)設(shè)備的MAC 地址、接收信號(hào)強(qiáng)度RSSI 值等信息，并將單位時(shí)間內(nèi)RSSI 值最大的從機(jī)設(shè)備信息通過LoRa 無線模塊打包發(fā)送給工作面定位分站，LoRa 無線模塊發(fā)送成功后，打開一定時(shí)間的接收窗口，用于接收分站下發(fā)的消息。該模式下，UWB 定位功能按正常的間隔正常工作。當(dāng)藍(lán)牙超過規(guī)定時(shí)間都掃描不到從機(jī)信息時(shí)，定位卡退出藍(lán)牙定位模式。

定位卡工作模式切換流程如圖4。

圖4 定位卡工作模式切換流程Fig.4 Positioning card working mode switching process

2.3 工作面定位分站

工作面定位分站以原有UWB 定位分站為基礎(chǔ)，將原有的2 個(gè)UWB 定位模組的改為L(zhǎng)oRa 網(wǎng)關(guān)模組與UWB 定位模組的方式，工作面定位分站原理框圖如圖5。

圖5 工作面定位分站原理框圖Fig.5 Schematic diagram of positioning substation for coal face

UWB 定位模組負(fù)責(zé)與人員定位卡的UWB 射頻模塊測(cè)距通信，當(dāng)小于一定距離時(shí)，指示人員定位卡進(jìn)入工作面定位模式，LoRa 網(wǎng)關(guān)模組主要負(fù)責(zé)接收工作面人員定位卡上傳的定位數(shù)據(jù)和發(fā)送人員定位系統(tǒng)下發(fā)的報(bào)警信息。

按區(qū)域定位器藍(lán)牙廣播周期200 ms,信息礦燈定位信息上報(bào)周期500 ms 進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，人員進(jìn)入液壓支架人行通道，所在支架數(shù)與定位主機(jī)界面上顯示支架數(shù)基本一致，定位誤差不大于1 架，定位延時(shí)不大于2 s。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著基于UWB 定位技術(shù)的礦用人員精確定位系統(tǒng)逐步普及，對(duì)煤礦井下最后1 km 的人員定位提出了新的要求。針對(duì)現(xiàn)有UWB 定位模式在工作面實(shí)施的困難，設(shè)計(jì)了一種采用基于藍(lán)牙定位與LoRa 無線技術(shù)的綜采工作面定位系統(tǒng)，成本低，施工簡(jiǎn)單，運(yùn)維方便，能滿足工作面定位的現(xiàn)有需求，同時(shí)人員定位卡與現(xiàn)有人員定位系統(tǒng)兼容。但工作面區(qū)域定位器不具備聲光報(bào)警功能和急停開關(guān)控制，后期需要完善與液壓支架控制器之間的聯(lián)動(dòng)通信。