基于RSS技術(shù)的煤礦井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘婷 吳倩 鄭超群

摘 要：為了減少煤礦事故的發(fā)生，加強(qiáng)煤礦安全的管理，該文基于RSS的定位技術(shù)，設(shè)計(jì)了煤礦井下人員定位系統(tǒng)，可對煤礦入井人員進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測和定位，可為工作人員提供礦井巷道網(wǎng)絡(luò)、人員位置、危險(xiǎn)區(qū)域及相應(yīng)提示的動(dòng)態(tài)信息。并從工程和原理兩個(gè)方面進(jìn)行論證此設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的盲節(jié)發(fā)射器可以滿足井下定位要求，并且該系統(tǒng)在定位精度、定位失效率和系統(tǒng)抗干擾能力方面有明顯優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：射頻地圖 井下定位 接入點(diǎn) 動(dòng)態(tài)校正

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）03（c）-0012-04

Abstract：In order to reduce coal mine accidents and strengthen the management of coal mine safety， Based on RSS positioning technology， this article designed the coal mine personnel positioning system，which can real-time track， monitor and locate coal mine personners and provide mine roadway network ，the danger zone and the corresponding dynamic information for staff.It from two aspects of engineering and the principle to demonstrate this design. Experimental results show that the design of the transmitter can meet the requirements of downhole positioning blind section， and this system has obvious advantages in the positioning accuracy， the failure rate and the anti-interference ability of system.

Key Words：Radio map；Underground localization；Access point；Dynamic correction

近年來我國礦難頻發(fā)，而且存在的技術(shù)問題使得災(zāi)后搜救普遍存在以下困難：地面救援人員不能及時(shí)與井下被困人員進(jìn)行通信；無法實(shí)時(shí)掌握井下人員的位置信息[1]；難以使用大型救援機(jī)械進(jìn)行作業(yè)。這對國家造成的經(jīng)濟(jì)損失[2]和對遇難者家庭造成的精神損失不可估量。因此，井下安全、可靠、實(shí)用的定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)已成為礦難救護(hù)亟待解決的問題之一。該課題旨在研究克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)WiFi定位方法。該方法能夠提供定位估算，并提供準(zhǔn)確的整體性檢測參數(shù)作為定位估算的參考。

1 基于RSS的定位原理

基于測距的RSS[3]定位技術(shù)有兩種實(shí)現(xiàn)方法來計(jì)算RSS值與距離之間的關(guān)系：徑損法和功率指紋法[4]。但考慮到徑損法在收發(fā)雙方的直接LOS要求在井下環(huán)境無法滿足和在井下由于多徑效應(yīng)及信號(hào)衰落等因素的存在，使得其無法適用井下人員定位。

功率指紋法由兩階段組成：離線位置射頻測量的訓(xùn)練階段和在線實(shí)時(shí)估算階段。訓(xùn)練階段需要建立一個(gè)指示信號(hào)強(qiáng)度的Radio Map數(shù)據(jù)庫。在線實(shí)時(shí)估算階段將盲點(diǎn)上測得的RSS值與Radio Map數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行模式匹配。

為了盡量減少過多的AP會(huì)對Radio Map造成操作冗余[5]，我們利用基于快速正交搜索的快捷特征減少法來同時(shí)擬合多個(gè)觀測值，從而實(shí)現(xiàn)AP的快速智能選擇。

2 定位網(wǎng)絡(luò)部署與盲節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

功率指紋法能夠提供井下定位1～2 m的定位精度，在完成離線位置射頻調(diào)查的訓(xùn)練階段和在線實(shí)時(shí)估算階段的情況下，該方法還需要一個(gè)能夠正確復(fù)制那些復(fù)雜的室內(nèi)信號(hào)功率特征的Radio Map。

該文將設(shè)計(jì)一個(gè)基于WLAN網(wǎng)絡(luò)的井下定位方法。該方法能夠提供定位估算，并提供準(zhǔn)確的整體性監(jiān)測參數(shù)作為定位估算的參考。解決的問題包括以下幾方面。

（1）C/S型井下定位網(wǎng)絡(luò)部署方案。

（2）盲節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

（3）基于貝葉斯回歸算法的AP的RSS分析。

（4）基于該分析的在線動(dòng)態(tài)校正Radio Map的方法。

井下定位系統(tǒng)的總體構(gòu)成包括相關(guān)算法模塊、數(shù)據(jù)庫和定位對象。算法模塊涉及的算法包括貝葉斯回歸算法、模式分類算法、定位算法；數(shù)據(jù)庫主要有Radio Map數(shù)據(jù)庫和在線RSS觀測數(shù)據(jù)庫[6]。

定位過程執(zhí)行的操作主要有功率指紋計(jì)算、模式分類、定位、當(dāng)前功率模式計(jì)算、噪聲過濾、AP的RSS預(yù)測、Radio Map在線動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)/校正。

圖1為C/S型定位網(wǎng)絡(luò)部署圖。定位客戶端（盲節(jié)點(diǎn)）和定位服務(wù)器分別發(fā)出定位請求和定位響應(yīng)，后者由中心計(jì)算機(jī)承擔(dān)定位計(jì)算任務(wù)[7]。IEEE802.3局域網(wǎng)介于定位服務(wù)器和WiFi網(wǎng)絡(luò)之間，充當(dāng)通信媒介的角色。此外，該定位網(wǎng)絡(luò)還提供到Internet的連接。可滿足國家應(yīng)援救災(zāi)指揮中心等遠(yuǎn)程安全監(jiān)控部門的需求[8]。

該定位系統(tǒng)在井下部分采用Zigbee網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)移動(dòng)盲節(jié)點(diǎn)通過射頻天線發(fā)射2.4 GHz信號(hào)，AP接收器部署在井下的固定位置，這使得設(shè)計(jì)符合系統(tǒng)要求盲節(jié)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)定位的重要環(huán)節(jié)。

3 電路和軟件

該文利用ZigBee技術(shù)的多節(jié)點(diǎn)、自組網(wǎng)、傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種無線信號(hào)盲節(jié)點(diǎn)發(fā)射器。盲節(jié)點(diǎn)發(fā)射器主要由以下幾部分組成：電源模塊、無線射頻收發(fā)模塊、傳感器模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)如圖2所示。

盲節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的核心器件是射頻CC2430芯片，除了包括的最基本的RF收發(fā)器外，系統(tǒng)集成了增強(qiáng)型8051MCU、32/64/128KB的Flash內(nèi)存、8 kB的RAM、DMA以及看門狗等。CC2430工作的頻段為2.4 GHz，采用底電壓（2.0～3.6 V）供電且功耗很低（工作電源接受數(shù)據(jù)時(shí)為27 mA，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)為25 mA），其靈敏度高達(dá) -91dBm、最大輸出功率為+0.8 dBm、最大傳送速率為250 kbps。

盲節(jié)點(diǎn)發(fā)射器的設(shè)計(jì)首先要考慮便攜和低功耗，以便長時(shí)間內(nèi)使用。為了簡化系統(tǒng)，采用4.2 V鋰電池18650供電，CC2430的工作電壓需要維持在2.0～3.6 V，因此，需要使用一個(gè)電壓差為0.7 V的二級(jí)管對電壓模塊進(jìn)行降壓處理來保護(hù)芯片不受損壞。

傳感器模塊主要作用是收集井下的環(huán)境數(shù)據(jù)，監(jiān)控井下工作環(huán)境，在環(huán)境數(shù)據(jù)超出安全域值做出危險(xiǎn)預(yù)警并保存數(shù)據(jù)。在此，我們在硬件設(shè)計(jì)中僅使用CH4傳感器（MH-440V/D紅外氣體傳感器）模擬之。MH-440V/D紅外氣體傳感器利用非色散紅外原理對空氣中存在的CH4進(jìn)行探測，具有很好地選擇性和無氧氣依賴性。并且，其內(nèi)置溫度傳感器，可進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

天線模塊可以有多種選擇，差動(dòng)天線、單級(jí)天線、螺旋天線、環(huán)形天線都可使用。該文采用了單級(jí)天線WAN5020D245M04。

盲節(jié)點(diǎn)發(fā)射器外圍電路一些核心參數(shù)如下：電路使用一個(gè)非平衡單級(jí)天線，連接非平衡變壓器，可使天線性能更好；電路中的非平衡單級(jí)天線由電容C341和電感L341、L321、L31以及一個(gè)PCB微波傳輸線組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足RF輸入、輸出匹配電阻的要求：內(nèi)部T/R交換電路完成LNA和PA之間交換；R221和R261為偏置電阻，電阻R221主要為32 MHz的晶振提供合適的工作電流；用1個(gè)32.768 kHz的石英諧振器（XTAL2）和2個(gè)電容（C441和C431）構(gòu)成一個(gè)32.768 kHz的晶振電路；電壓調(diào)節(jié)器為所要求 2.0～3.6 V電壓引腳和內(nèi)部電源供電；C241和C421電容是去耦電容，用作電源濾波，可提高芯片工作的穩(wěn)定性。

而另一方面，盲節(jié)點(diǎn)發(fā)射器的軟件系統(tǒng)主要控制CC2430芯片的工作。首先，傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，在進(jìn)行信號(hào)發(fā)射的時(shí)候，初始化CC2430的各個(gè)功能模塊，并由晶振電路產(chǎn)生高頻振蕩信號(hào)，再由芯片內(nèi)部的信號(hào)調(diào)制器調(diào)制產(chǎn)生2.4 GHz的無線信號(hào)，經(jīng)系統(tǒng)發(fā)射電路輸出到單級(jí)天線，從而完成信號(hào)的發(fā)射。為了保證信號(hào)發(fā)射器的時(shí)效性，我們在系統(tǒng)內(nèi)部加入了休眠電路，當(dāng)信號(hào)發(fā)射完成后，系統(tǒng)將進(jìn)入休眠的低功耗狀態(tài)。圖3顯示了盲節(jié)點(diǎn)發(fā)射器2.4 GHz信號(hào)發(fā)射控制軟件流程圖。

盲節(jié)點(diǎn)信號(hào)發(fā)射器數(shù)據(jù)采集功能的軟件控制流程如圖4所示，采集模塊啟動(dòng)后，首先設(shè)置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址，然后打開中斷控制設(shè)置采集時(shí)間，等待信號(hào)采集結(jié)束，將采集到的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波，并將處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中。

4 結(jié)語

為了確保定位性能，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)的可靠性，用2臺(tái)發(fā)射器作為測試對象，采用R&S公司的FSH3型手持式頻譜儀（測試頻段9 kHz～8 GHz）觀測無線發(fā)射器輸出信號(hào)功率，連續(xù)24小時(shí)每分鐘采集一次數(shù)據(jù)。測試結(jié)果說明了盲節(jié)點(diǎn)發(fā)射器的可靠性、功耗和輸出信號(hào)的穩(wěn)定性均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可以進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn)。

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