基于RSSI的煤礦井下人員定位系統(tǒng)研究

郝維來(lái)　白潔

摘 要： 目前我國(guó)煤礦井下人員定位系統(tǒng)主要采用區(qū)域定位方法，存在著定位精度不高，出現(xiàn)事故后反映不及時(shí)等現(xiàn)象。為了解決如上問(wèn)題，根據(jù)煤礦井下的特殊作業(yè)環(huán)境，建立了一種基于RSSI技術(shù)的煤礦井下精確定位模型，利用收到信號(hào)的強(qiáng)度計(jì)算被測(cè)人員到雙接收節(jié)點(diǎn)距離，進(jìn)行人員精確定位。結(jié)合煤礦井下的特殊應(yīng)用環(huán)境，建立RSSI通信模型，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)追蹤定位功能，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞： 人員精確定位； 定位技術(shù)； 接收信號(hào)強(qiáng)度指示； 煤礦

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）04?0048?03

Abstract： Now the regional location method is mainly used in personnel positioning system in Chinese underground coal mine. The method not only has low positioning accuracy， but also can't respond in time when accident occurs. To solve all these problems， a personnel precise location model based on RSSI technology is established according to the special working environment in underground coal mine， which locates the persons accurately by the distance of the quizzee to the double receiving nodes which is calculated by signal strength. According to the specific applications environment in underground coal mine， the RSSI communication system model was built and the real?time tracking positioning function was realized. The method has the significantly social and economic benefits on the safety of the coal mine production.

Keywords： personnel precise positioning； positioning technology； RSSI； coal mine

我國(guó)的煤礦生產(chǎn)多是地下作業(yè)，空間狹窄、環(huán)境惡劣，巷道交錯(cuò)，人員分布復(fù)雜，因此實(shí)現(xiàn)人員精確定位管理十分困難。尤其是在突發(fā)事故后無(wú)法對(duì)井下人員精確定位，實(shí)施有效的救援[1]。因此如何精確定位工作人員，進(jìn)行高效管理和應(yīng)急救援成為亟待解決的問(wèn)題。

目前，大多煤礦所用井下人員定位系統(tǒng)多采用射頻識(shí)別技術(shù)，通過(guò)設(shè)置在煤礦入口和一些重要通道的射頻讀卡器，讀取井下人員隨身攜帶寫有自身信息的射頻標(biāo)簽，從而登記井下人員工作狀態(tài)。此類人員定位系統(tǒng)在輔助人員考勤管理作用比較好，卻不能實(shí)現(xiàn)對(duì)井下人員的實(shí)時(shí)定位，具有區(qū)域定位的局限[2]。本文設(shè)計(jì)了一種基于RSSI的煤礦井下人員定位系統(tǒng)；系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定可靠性高、人員定位準(zhǔn)確等特點(diǎn)，對(duì)煤礦業(yè)安全生產(chǎn)具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

井下人員定位系統(tǒng)對(duì)高效協(xié)調(diào)日常工作、加強(qiáng)井下人員管理水平、事故發(fā)生后提供人員位置信息、及時(shí)進(jìn)行救援起到重要作用。但是井下巷道是一個(gè)受限空間，無(wú)線信號(hào)的傳播過(guò)程與地面相比更為復(fù)雜，讀卡器接收到的信號(hào)會(huì)受到很大的影響，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量的人員位置信息誤差較大，達(dá)不到精度定位要求[3]。因此，定位算法和井下巷道模型的選擇，直接關(guān)系到位置數(shù)據(jù)的可靠性，嚴(yán)重影響到井下定位的精度。

1.1 巷道模型

地下礦井是電磁波受限的狹長(zhǎng)空間，地形錯(cuò)綜復(fù)雜，巷道的截面和形狀隨礦藏的形狀不斷變化，這些給井下信號(hào)傳輸、移動(dòng)通信和人員定位都帶來(lái)很大不便。經(jīng)過(guò)分析可以把井下信道環(huán)境分為3類：巷道，開(kāi)闊的平面，傾斜、分支或拐彎的特殊區(qū)域[4]。在我國(guó)煤礦井下，大多是巷道，人員和機(jī)車主要是在巷道中進(jìn)行工作，特殊區(qū)域與開(kāi)闊的平面相對(duì)較少。在建立井下模型時(shí)，采取在巷道的傾斜、分支或拐彎等特殊區(qū)域設(shè)置一個(gè)位置已知的錨節(jié)點(diǎn)的方法，將其分成兩個(gè)巷道以減小誤差。本設(shè)計(jì)根據(jù)煤礦巷道狹長(zhǎng)的特點(diǎn)，采用雙機(jī)接收信號(hào)，再根據(jù)接收到的RSSI值判定待定節(jié)點(diǎn)的位置，其中雙機(jī)測(cè)位如圖1所示。

圖1中，黑圓點(diǎn)表示已知坐標(biāo)的射頻讀卡器；黑三角號(hào)表示待定位井下人員即射頻標(biāo)簽。圖1（a）為理想狀態(tài)下雙機(jī)測(cè)量待定節(jié)點(diǎn)的情況。圖1（b）為受環(huán)境等因素影響下雙機(jī)測(cè)量情況，陰影部分未知節(jié)點(diǎn)可能存在的區(qū)域。把RSSI測(cè)距原理應(yīng)用到井下巷道，其巷道模型如圖2所示。

由于巷道內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，射頻讀卡器選中安裝在巷道壁上。設(shè)巷道的寬度為d，相鄰兩射頻讀卡器的距離為s，讀卡器與射頻標(biāo)簽的數(shù)據(jù)傳輸距離為l，則在安裝射頻讀卡器時(shí)應(yīng)滿足：[s<2l，l>d]。

1.2 RSSI定位算法

RSSI算法是指根據(jù)無(wú)線傳感器接收到的待定節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信號(hào)指示強(qiáng)度，根據(jù)公式計(jì)算出待測(cè)信號(hào)在傳播路徑中的損耗，然后根據(jù)理論或經(jīng)驗(yàn)的信號(hào)傳播模型，把信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成距離[5]。作為一個(gè)基本的測(cè)距方法RSSI定位方法具有外圍硬件設(shè)備少、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)，在定位系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。在本設(shè)計(jì)中，已知射頻讀卡器（已知節(jié)點(diǎn)）發(fā)射的信號(hào)強(qiáng)度，礦井人員隨身攜帶射頻標(biāo)簽（待測(cè)節(jié)點(diǎn)）接收讀卡器發(fā)射的信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算出信號(hào)的傳播損耗，利用理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ桶褌鞑ミ^(guò)程中的損耗轉(zhuǎn)換為距離，然后再利用已知的射頻讀卡器間的實(shí)際距離，根據(jù)雙機(jī)測(cè)位模型通過(guò)一定的算法計(jì)算出射頻標(biāo)簽的移動(dòng)位置。根據(jù)所測(cè)得位置實(shí)現(xiàn)井下人員定位。

RSSI是無(wú)線信號(hào)，在運(yùn)用到井下人員定位時(shí)，像其他信號(hào)一樣，容易受到反射、散射和衍射的影響，極大地影響了RSSI數(shù)據(jù)的接收。為了減少上述誤差，使用時(shí)常采用將發(fā)射功率調(diào)至最大和選擇精度較高的理論公式。

2 井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)用來(lái)解決井下工作人員實(shí)時(shí)跟蹤定位的問(wèn)題。系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要滿足以下三個(gè)條件：

（1） 為了在安全性能上得到保證，整個(gè)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都依據(jù)煤礦安全規(guī)程與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

（2） 在誤差允許范圍內(nèi)，該系統(tǒng)能對(duì)井下工作人員的具體位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；能對(duì)工作人員進(jìn)行考勤；能統(tǒng)計(jì)人員下井的時(shí)間和地點(diǎn)；能夠顯示何時(shí)下井、何時(shí)離井、具體位置等信息。

（3） 在滿足了安全要求和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的定位功基礎(chǔ)上，提高了系統(tǒng)的可靠性，并且數(shù)據(jù)傳輸更加完整、及時(shí)和準(zhǔn)確。

為了實(shí)現(xiàn)上述定位系統(tǒng)的功能，把整個(gè)系統(tǒng)分成硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分[7]。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

井下人員定位系統(tǒng)是由井下定位部分與井上監(jiān)測(cè)部分組成的。井下定位部分由CAN總線連接的眾多井下人員定位單元組成；井上部分由中繼器把井下部分測(cè)得數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心；如圖3所示。

2.2 系統(tǒng)的主要硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要由射頻標(biāo)簽、射頻讀卡器分站、CAN總線、中繼器和地面監(jiān)測(cè)中心的監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)5部分組成。

圖3所示的定位單元是實(shí)現(xiàn)人員定位的核心部分，由射頻讀卡器分站和射頻標(biāo)簽兩部分組成。作為連接地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)和射頻識(shí)別定位系統(tǒng)的橋梁，射頻讀卡器的硬件電路主要由4個(gè)功能模塊組成：C8051F020主控制模塊、由主控制模塊中的單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)的NRF2401信號(hào)收發(fā)模塊、LCD顯示模塊、串行通信和下載模塊。硬件電路中的NRF2401信號(hào)收發(fā)模塊在接收到單片機(jī)的指令后，通過(guò)射頻讀卡器的天線發(fā)送信息給標(biāo)簽并能從標(biāo)簽天線接收信息，單片機(jī)將接收到的有用信息顯示在LCD上[6]，并且通過(guò)串口CAN總線經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后發(fā)送給地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)。

射頻標(biāo)簽的核心電路結(jié)構(gòu)為：C8051F020控制模塊和CC2500無(wú)線模塊。射頻標(biāo)簽為有源標(biāo)簽，用礦燈電池對(duì)其供電，上電后C8051F020單片機(jī)首先要讀取E2PROM中的程序和相關(guān)的數(shù)據(jù)放進(jìn)自身的存儲(chǔ)器中，然后運(yùn)行調(diào)入單片機(jī)的程序并開(kāi)始運(yùn)行射頻標(biāo)簽的通信協(xié)議，通過(guò)單片機(jī)對(duì)無(wú)線模塊的控制，實(shí)現(xiàn)信息從天線的發(fā)射或接收。同時(shí)CC2500無(wú)線模塊設(shè)置成RX模式，從RSSI狀態(tài)寄存器中連續(xù)讀取RSSI值。

2.3 系統(tǒng)的主要軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)軟件主要由井下定位子系統(tǒng)和井下人員定位管理系統(tǒng)兩部分組成。主要用到的開(kāi)發(fā)工具有Keil Vision 2.0和 Microsoft Visual C++ 6.0[8]。其中，井下定位子系統(tǒng)主要用來(lái)獲取和處理現(xiàn)場(chǎng)人員的信息并且發(fā)送出去，人員定位管理系統(tǒng)主要用來(lái)收集、顯示、查詢井下人員的信息。

2.3.1 井下定位子系統(tǒng)

井下定位子系統(tǒng)主要由三部分組成：定位分站軟件設(shè)計(jì)、已知節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)和待測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)。

定位分站的主要功能：建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)管理和維護(hù)、接收無(wú)線信息與負(fù)責(zé)CAN總線的數(shù)據(jù)交換。

已知節(jié)點(diǎn)的主要功能：為待測(cè)節(jié)點(diǎn)和定位分站提供自身位置信息和RSSI值的定位信息。

待測(cè)節(jié)點(diǎn)的主要功能：接收定位命令、向已知節(jié)點(diǎn)廣播RSSI值、接收返回的RSSI值、利用自身定位引擎計(jì)算位置并上傳、突發(fā)情況緊急報(bào)警。

2.3.2 井下人員定位管理系統(tǒng)

煤礦井下人員定位管理系統(tǒng)是人員定位系統(tǒng)中提供給用戶操作的部分，它以友好的界面形式實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，并且能夠把巷道內(nèi)人員分布情況直接展示出來(lái)[9]。人員定位管理系統(tǒng)主要由三部分組成，如圖4所示。

人員定位管理系統(tǒng)完成的功能有：

（1） 日常考勤。自動(dòng)統(tǒng)計(jì)下井人員的下井時(shí)間，當(dāng)前位置，生成考勤報(bào)表。

（2） 人員定位與跟蹤。把礦井圖按比例顯示在此用戶圖形界面上，標(biāo)注各已知節(jié)點(diǎn)和讀卡分站的位置，用動(dòng)態(tài)的圖標(biāo)表示井下人員的移動(dòng)。

（3） 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢、打印。存儲(chǔ)井下人員的出勤和活動(dòng)軌跡，設(shè)置查詢和打印功能。

（4） 安防救護(hù)。定期對(duì)人員定位系統(tǒng)和井下緊急避難設(shè)備進(jìn)行檢查，遇到緊急情況實(shí)時(shí)顯示井下人員的數(shù)量、身份、位置。

（5） 其他功能。管理軟件有聯(lián)網(wǎng)功能，提供遠(yuǎn)程登陸和訪問(wèn)；針對(duì)礦井可能的人員變化和定位節(jié)點(diǎn)變化設(shè)置了擴(kuò)容功能；為解決日后對(duì)更多功能的需求問(wèn)題設(shè)置了升級(jí)功能。

3 結(jié) 語(yǔ)

基于RSSI的井下人員定位系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量RSSI的值，結(jié)合雙機(jī)測(cè)定待測(cè)節(jié)點(diǎn)的算法計(jì)算出人員的位置。通過(guò)這種測(cè)距方法進(jìn)行定位，成本低、易實(shí)現(xiàn)。所設(shè)計(jì)的定位軟件采用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有抗干擾能力強(qiáng)和傳輸實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。系統(tǒng)對(duì)煤礦井下人員的實(shí)時(shí)追蹤定位的應(yīng)用上，有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉偉.井下移動(dòng)目標(biāo)無(wú)線定位技術(shù)研究[D].北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2014：23?25.

[2] 劉志高，李春文，邢智鵬，等.巷道網(wǎng)絡(luò)全局定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析與實(shí)驗(yàn)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2011（3）：519?526.

[3] JAUFFRET C， BARRERE J， CHABRIEL G. Array shape observability from time differences of arrival [J]. IEEE transactions on aerospace and electronic systems， 2011， 47（2）： 1515?1520.

[4] 孫利民，李建中，陳渝，等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[5] 譚志，張卉.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)RSSI定位技術(shù)的研究與改進(jìn)[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，36（3）：88?91.

[6] 韓東升，楊維，劉洋，等.煤礦井下基于RSSI的加權(quán)質(zhì)心定位算法[J].煤炭學(xué)報(bào)，2013，38（3）：522?528.

[7] HU Zhen， GU Dongbing. Localization in wireless sensor networks using a mobile anchor node [J]. Computer society， IEEE， 2008， 26 （7）： 602?607.

[8] 孫波，劉冬陽(yáng)，徐奉，等.基于RSSI的煤礦井下巷道定位技術(shù)誤差分析[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，39（z2）：609?614.

[9] 劉亞秋，李鵬，景維鵬.基于RSSI的井下人員定位技術(shù)研究[J].煤炭技術(shù)，2013，32（5）：96?97.