物聯網技術在井下人員定位系統中的應用

(雞西大學電氣與信息工程系，黑龍江 雞西158100）

隨著我國煤炭開采深度和強度的提高，物聯網技術在井下人員定位系統中的應用成為一個研究的新的方向[1]。目前，煤炭開采中還有很多尚未破解的難點，煤炭行業科技水平有待進一步提高。由于井下事故具有很強的不確定性，在事故發生之后，依照現場的實際情況對井下人員進行救援。我國目前的煤礦多是一些技術相對傳統的老企業，井上對井下的實時監控因受到地理、生產環境、人員等多方面因素的限制，經常會出現事故發生后無法及時明確井下人員信息，影響做出正確決策，導致搶險不及時貽誤生命搶救。如何應用現代化的技術和裝備，對井下人員進行科學的管理，以保證搶險救災、安全救護的高效運作以及如何更好地解決煤礦井下人員定位問題，就顯得尤為重要和緊迫。隨著RFID(射頻識別）技術[2-3]的興起，出現了一種基于物聯網技術的煤礦安全井下人員定位系統，在一定程度上可以實現地面對井下人員動態實時監控，從而為煤礦企業安全生產提供有力的支持。

1 基于物聯網技術的井下人員定位系統的主要研究內容

1．1 井下RFID頻段的選擇

目前通常將射頻識別標簽的工作頻率從高到低分為3類：低頻段射頻標簽(30～300KHz）、中高頻段射頻標簽(3～30MHz）和超高頻與微波標簽(典型433MHz，2．45GHz，5．8GHz）。國內有學者結合不同頻率的無線電波在煤礦井下巷道中的傳輸特性，對30多家企業生產的人員定位系統中的射頻收發系統進行了歸類比較，得出2．4GHz的中心頻率在抗衰減、提高速率、可用信道、傳輸距離等方面更容易滿足煤礦安全需要的結論，并在此基礎上研制了基于2．4GHz的射頻收發系統。

1．2 基于RFID的礦工身份識別定位和環境監測

由于煤炭行業生產環境的特殊性，監管系統就需要應對并監測井下的惡劣環境。目前已有設計成功的基于RFID技術設計的煤礦安全智能化監控系統。該系統可以實時檢測井中甲烷等有害氣體的濃度，對攜帶RFID的井下工作人員和重要設備進行自動位置檢測、身份識別和信息管理。系統使用總線型拓撲結構的網絡進行數據的采集和傳送，并利用監管中心的遠端PC實現顯示及存儲等功能，適用于各類環境下煤礦的安全管理。另外，基于GIS和RFID的煤礦井下人員跟蹤定位與監控系統能夠很好的解決井下人員的實時定位與監控管理等問題，為井下救援與管理帶來極大方便，從而使我國的煤礦安全生產與事故救護更加規范與科學。

1．3 基于Zigbee的煤礦無線傳感網

Zigbee是基于IEEE802．15．4協議的全球性通信標準，根據這個協議規定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術，能夠解決當前煤礦安全管理系統中存在的問題，具有一定的市場前景。目前，有不少研究基于Zigbee技術的無線傳感網絡與光纖通信網相結合的煤礦安全監測及人員定位的系統。這些系統實現了井上人員實時監測井下區域的瓦斯濃度，并實時跟蹤定位井下人員，方便工作人員有效地管理礦井的安全工作。

1．4 UWB技術

UWB（Ultra Wide Band，超高速無線接入技術）是一種利用ns級寬度極窄脈沖作載體的無線傳輸技術，其射頻(RF）傳輸帶寬通常超過1GHz。這種超寬帶傳輸方式相對常規窄帶傳輸方式有低功率譜、低截獲、抗干擾能力強、可高速數據傳輸等優點，用途非常廣泛，在精確定位、雷達、無線檢測、無線通信等諸多方面都有重要應用。在礦井中，UWB技術具有低功耗、高數據率、抗多徑能力強、系統復雜性低等特點，針對煤礦井下頻譜的使用限制不是很嚴格、對數據速率的要求也不很高的情況，在煤礦井下應用UWB技術具有很強的現實意義。

2 基于物聯網技術的井下人員定位系統的要點

2．1 井下人員定位系統設計的主要思路

依照一般中型煤礦規模進行考慮設計，局域網絡設定有效的距離是30km左右；基站總數量約為100～400個；無線通信距離為5～10m；基站間距離為80～100m；通信器移動速度為0～5m／s；讀寫器最大射頻輸出功率為2．4GHz，較低的功率可以有效避免人為的安全隱患；讀卡速度為每32bit讀取時間6ms。在設計具體的方案時，井下的信號因為環境、障礙物、干擾等諸多因素，衰減很大。所以基站的設置不僅僅要考慮傳輸距離，同時還要考慮工作區域信號衰減度的問題。

2．2 井下人員定位系統的主要技術

定位系統主要的技術涉及到的有地面計算機與井下各個基站、各個基站與射頻識別卡之間的通信。其中井上計算機與井下基站屬于有線通信，這部分相對比較容易涉及，主要考慮好適用的標準接口即可，在設計中用的是CAN總線接口及CAN通信協議。各個基站與射頻識別卡之間的通信是系統中的無線通信部分，這部分是整個系統設計中的難點和重點。只有保證了無線數據采集可靠性，才能保證系統對井下人員的準確定位。

2．3 井下人員定位系統的工作原理

主要包含有基站和射頻識別卡的工作原理、硬件設計和軟件設計2個大方面。

1）基站和射頻識別卡的工作原理 基站在工作時，首先上電由控制器進行系統初始化。檢測系統狀態，是否可以進行信息的接受。若有信息的傳遞，就實時進行信息解碼和信息校驗。若信息有誤，為了減少系統數據的冗余、節約資源，可以直接考慮將錯誤數據刪除。若信息準確就可以直接將信息交給地面計算機處理。而射頻識別卡在工作時，首先上電由控制器初始化之后，選定頻率，通過射頻芯片編碼后將數據傳給基站。在這里要考慮數據傳順的延遲問題，通常不應該超過30s，超過可以重新發送數據。

2）硬件和軟件設計 井下人員定位系統的硬件環節設計主要考慮的是地面計算機、井下的基站和礦工所帶的射頻識別卡組成。射頻識別卡中的芯片要依據不同井下的地理環境調整就可以。而基站主要由CPU工作模塊、供電模塊、接口CAN模塊、時鐘模塊、地址設定模塊、JTAG接口電路模塊、無線數據接收電路模塊和數據存儲電路模塊組成。井下人員定位系統的軟件環節設計主要考慮基站與地面計算機，基站與射頻識別卡的軟件設計。基站與地面計算機之間主要是數據發送、接收和處理。主要工作原理和步驟為基站數據初始化，將數據送入緩沖區，按照確定的基站CAN協議，通過數據傳輸總線將數據寫入到緩沖區。如果緩沖區空閑可以直接接收到數據，但若是被占用則會出現一次數據傳輸失敗。基站與射頻識別卡之間的信息傳遞原理和步驟為，首先判斷信息是否有效，為了避免數據冗余和資源浪費，無效數據直接刪除。若數據有效則要先測試通信總線是否可以進行數據傳輸，成功就選擇頻率將數據發送。這個過程可以有30s的延遲，目的就是考慮到井下礦工在工作過程中可能出現地下環境信號屏蔽的可能。通常基站直接的有效距離可以在30s的延遲內相互信號覆蓋。

[1]王保云．物聯網技術研究綜述 [J]．電子測量與儀器學報，2009（12）：1-7．

[2]傅智河．基于RFID的礦山井下人員定位系統設計 [J]．龍巖學院學報，2007，25（6）：50-52．

[3]張書建，汪云甲，范忻．基于RFID技術的礦山物聯網關鍵問題及其仿真 [J]．金屬礦山，2011（5）：113-116．