基于無線傳感器網絡的礦井人員識別與定位系統

程金明　閔輝

摘要：無線傳感器網絡節點是一個微型化的嵌入式系統，在分析嵌入式系統特點和組成的基礎上，給出了無線傳感器網絡節點的設計要點和一個參考設計，構建實現了一個WSN試驗網絡，將無線傳感器網絡應用于礦井人員識別與定位系統，獲得了良好的應用前景。

關鍵詞：無線傳感器網絡 礦井人員識別與定位

目前國內有很多企業從事井下人員跟蹤系統的研究與開發，井下人員跟蹤系統大都采用RFID技術。這類方法存在下列幾個問題：（1）射頻卡讀寫系統讀寫距離非常有限，它只能用于上下礦井人員的考勤紀錄：（2）射頻卡讀寫系統使用的頻率都較低，抗干擾能力差：（3）這種系統讀卡速度十分有限，不能處理多人同時快速通過讀卡系統的情況，系統往往會出現漏讀；（4）如果使用遠距離射頻卡（RFID）系統，讀寫器價格都較貴。將無線傳感器試驗網絡的相關技術，應用于煤礦安全生產監控中，研制出一個礦井下人員識別與定位系統。

一、系統總體設計方案

首先鋪設分布式基站節點固定在巷道或者工作面上，建立及時采集環境信息的無線傳感器網絡；每個礦工佩戴安裝有射頻模塊的節點的安全帽，以自組織網絡方式加入網絡，并把身份信息、環境信息、礦燈電壓、以及突發事件報警信號通過網絡上傳地面監控中心；中心根據基站的區域定位功能感知礦工位置，方便動態管理與實時監控。

（1）工作人員的頭戴式安全帽中植入重量輕、體積小的無線傳感器節點，該節點由礦燈的充電電池供電，電源電壓為3.6～4V可調；設計電源轉換電路，將其轉換成3.3伏電壓向通信節點供電。另外，節點上還可以安裝體積較小的空氣質量傳感器；實時監控巷道內的瓦斯濃度，增加防爆報警功能。安全帽上除礦燈開關外，再增加一個按鍵，實現“一鍵報警”功能：此信號有最高優先級，由基站感應后，上傳地面控制中心，方便及時處理突發事件。

（2）巷道內安裝射頻基站，除了能完成與節點的射頻通信功能外，還能改變數據封裝，轉換成CAN總線或者LINE總線利用電纜直接將井下情況上傳地面監控中心。另外，還方便增加信號燈的無線識別功能。利用ZigBee低功耗和低成本的特點，使用電池供電；可以在需要定位的任何地方安裝，而無須擔心投資太大：也可以隨著坑道向前推進，靈活機動的安放在任意位置。

（3）地面監控中心的信息管理軟件，設置專門的數據庫，記錄當前時刻的工作人員井下分布圖。當意外情況發生時，查詢數據庫，即可了解事故前一時刻礦井人員分布，方便及時搶救。即使看不見，也可以檢測到。

二、系統詳細設計

（1）建立無線傳感器網絡

①根據現場實際需要，沿坑道每隔500M距離，工作面的距離則可降低為150M在坑道適當位置（例如頂部）；安裝一個基站模塊（可采用電池或連接式電源），同時在其它需要定位和網絡連接的地方，也安置相應的Zigbee網絡模塊；為了避免井下環境對無線信號的干擾，所有無線網絡模塊使用的都是抗干擾的直序擴頻通信方式，而且，每個模塊都有接收信號強弱指示功能（RSSI）。

②所安裝的基站將自動組成一個ZigBee通信網絡。這個通信網絡實際就是一個定位網絡，每一個網絡節點就是一個定位點，只不過比起使用RFID來定位的方法，我們的網絡節點還可通過讀取移動目標的信號強度，來確定移動目標的位置信息。

③ZigBee網絡節點體積要小得多，而且網絡節點之間的通信，不一定要使用額外的光纖或通信電纜來進行連接（當然，如果將有線網絡和無線網絡互為備份通信通道更好）。

（2）移動目標節點

①每個工作人員（即，需要定位的移動目標），都需要隨身攜帶一個無線身份卡模塊，或固定在安全帽上的一個全封閉的模塊約（40x19x8 mm）大小，每個模塊的發射功率小于1/1000W。

②為了增加電池使用壽命，傳感器節電每隔5～30s發射一個身份碼信號。為了避免井下環境對無線信號的干擾，所有m—node模塊使用的都是抗干擾的直序擴頻通信方式；同時，在緊急情況時，還可以通過m.node上的按鈕，隨時發出緊急求救信息。

③該無線身份模塊還可與瓦斯探測等傳感器相連，這樣，不僅可以根據需要，機動靈活的在不同位置（特別是采掘面）采集各種安全生產所需的信息（例如瓦斯濃度，風壓風速等），同時自動地將采集點的位置信息和相關信息傳給監控中心。當瓦斯濃度超標時，該無線模塊可以立即通過ZigBee網絡，將濃度信息，位置信息和報警信號傳往監控中心，必要時，將同時啟動其它聯動的應急設備；

（3）移動目標位置的確定

當利用信號強度改進定位精度時，某個節點接收到的某個移動身份卡的信號強弱，還可用來決定該移動目標距離這個定位節點遠近，信號越強，則離開這個定位節點越近，信號強度與到該定位點距離的函數關系，可以通過預先的簡單實際測量獲得。當有兩個節點同時接收到某一個移動目標的信號時，就可以確定，移動目標必定位于這兩個定位節點之間的某處，其具體的位置，可以利用這兩個節點所接收到的該移動目標信號強度的具體值，通過簡單計算和現場實測校正來得到。值得注意的是，在環境較為復雜的地方，特別是定位區域并非線狀的地方，例如某些作業面，我們需要通過增加定位節點數量的方法來提高定位精度。

利用ZigBee無線通訊技術，射頻區域定位技術，數字化礦井相關技術來研制井下人員定位與數字化機車裝置，能提供井下人員定位，機車綜合管理，井下人員身份管理等多種服務，可以廣泛應用于各種礦井，尤其是人員流動大，井下坑道復雜的大中型礦井。系統在ZigBee網絡和嵌入式技術的基礎上完成無線定位和人員身份及機車信息的傳輸，具有定位精度高、速度快，傳輸及時、保密性強等特點。

參考文獻

[1]邵鵬.無線傳感器網絡的研究與以數據為中心的應用系統的實現[D].2003-1

[2]任豐原，黃海寧，林闖，無線傳感器網絡[M]軟件學報，2003.1

作者簡介：

程金明，本科，研究方向：自動控制。