RSSI與步長估算的井下人員定位裝置研究

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(中國礦業大學(北京) 機電與信息工程學院，北京100083)

引 言

由于基礎薄弱，再加上煤礦井下作業深入地下、環境惡劣、設備簡陋、地形復雜等種種客觀原因，近年來，煤炭業生產安全事故頻頻發生。這已經成為限制煤炭企業發展的重要因素，直接造成重大的經濟損失和不良的社會影響[1]。

煤礦開采擁有其特殊性，有線通信設備并不適用，RSSI、WiFi、ZigBee等一批具有優勢性的無線通信技術在國內外的煤礦行業得到了廣泛的應用。無線通信技術作為井下通信、以及定位等方面的有益補充，在煤炭企被廣泛應用。WiFi無線通信技術以其容易組網、傳輸速度快等優勢被廣泛應用，具有廣闊的發展前景。Ekahau公司開發了一套基于WiFi的實時定位系統，該系統由管理器、服務器和客戶端構成，管理器收集WLAN信號，并構建一個位置數據庫；服務器根據客戶端的定位計算模型來計算位置信息；系統的準確性是收集到的信號數據數量的函數。中國煤礦行業有著地質條件復雜，井下空間狹小等一系列特點，導致信號衰減速度快，不能準確傳輸數據、無法達到定位精度等一系列問題[2]。

本課題結合WiFi定位技術與計步技術進一步提高井下人員定位精確度，且擴展了面向煤礦井下人員安全的綜合功能，將井下人員誤入危險區域檢測、井下人員摔倒狀態檢測結合。把傳統煤礦安全系統獨立的檢測井下人員各方面安全信息統一管理，綜合分析。

該裝置統一獲取井下人員精確定位信息、誤入危險區域檢測信息、井下人員摔倒狀態信息。該裝置利用計步技術與步長估計算法提高井下人員的定位精確度。對誤入危險區域的井下人員進行報警提醒，警示人員已經進入危險區域，應立即安全撤離。該裝置實時監測井下人員是否摔倒，一旦發現井下人員有摔倒狀況，則重點監測，若發現摔倒情況嚴重者，及時進行安全救助。該裝置通過WiFi無線通信，與周圍基站以及井上系統保持信息通信，由于WiFi無線通信具有帶寬、無線電波覆蓋范圍廣、傳輸速度快、易組網、成本低、發射功率低、終點便捷、兼容性好等特點，能保障地面與井下人員信息溝通的及時性以及對井下人員管理的便捷性[3]。

1 硬件設計

本裝置由單片機STM32F103、WiFi模塊DS0047CN-EMW3166、加速度傳感器MMA7260Q、液晶顯示屏LCD12864，4×4矩陣鍵盤以及電源管理模塊組成，其硬件連接如圖1所示。STM32F103屬于32位ARM微控制器，其內核是Cortex-M3，該系列芯片是意法半導體(ST)公司出品，低功耗、體積小，適合使用在可穿戴設備中。STM32F103連接各個模塊，是整個裝置的核心元件。它接收傳感器和WiFi模塊的信號，然后經過事先存儲好的程序進行運算，得出結果，再把信號導出到顯示屏上。

圖1 硬件連接圖

DS0047CN-EMW3166是低功耗、小體積、高性能嵌入式WiFi模塊，內置高性能、低功耗Cortex-M4微控制器、256 KB SRAM+3 MB Flash，并具有多種模擬、數字外設接口，3.3 V單電源供電，工作溫度在-30～+85 ℃，郵票孔封裝形式，適合井下工作環境。攜帶WiFi模塊的人員定位裝置進行定位時，工作狀態WiFi 基站向所在空間發出信號, WiFi模塊接收附近基站發出的信號，通過比較接收到各基站信號的強弱完成數據處理，便可得知穿戴定位裝置人員的位置，并將結果傳送至單片機。

加速度傳感器MMA7260Q的內部模塊結構是在單一芯片上集成3個相互獨立、測量方向相互垂直的敏感元的測量模塊，其是由多晶硅微加工表面工藝制成的電容式加速度傳感器；由硅片表面的彈性結構支撐起的質量塊下面貼附電容的一個極板，電容的另一極板固定。當加速度引起質量塊的相對位置變化時，電容值也發生變化，然后經過電容電壓轉換電路和放大濾波電路后輸出與加速度成正比的電壓信號。可穿戴裝置實時采集三軸加速度數據，求得合加速度數據，結合合加速度幅值檢測算法以及時間差檢測算法，確定計步數據。根據步長模型算法得到對應步長數據，則可得到佩戴裝置人員的具體位置，可在原有定位基礎上提高定位的準確性。同時，可通過計算后的數據變化判斷人員是否摔倒。

2 軟件設計

2.1 定位功能軟件設計

基于WiFi的井下人員定位系統在井下原有的基站和分站上加以改造，建立多個無線基站，建立WiFi網絡實現井下巷道的無線覆蓋，系統通過帶有 WiFi模塊與三軸加速度傳感器的定位裝置來進行定位、通信。當一個攜帶裝置的井下人員進入工作區域之后，裝置的WiFi模塊自動掃描并選擇信號強度最強的WiFi基站連接,這種選擇是通過使用AP的MAC以及掃描到的信號強度指示RSSI值自動完成的。

當裝置移動到不同的WiFi信號區域時，WiFi會重新掃描，并與信號強度較強的WiFi基站重新建立關聯。關聯得到的RSSI值會與設定的RSSI閾值進行強度判定。如果RSSI值大于設定的RSSI閾值，就以該基站的坐標位置進行定位，否則，就利用計步算法進行定位。當信號強度正好為設定RSSI閾值時，把當時的實時位置作為當前裝置的初始坐標位置。同時，定位裝置實時采集三軸加速度傳感器數據，求得合加速度數據，結合合加速度賦值檢測算法以及時間差檢測算法，確定計步數據。根據步長模型算法得到對應步長數據，即攜帶裝備的井下人員的移動距離，這樣便可得到攜帶裝置的井下人員的精確定位。最后通過井上服務器的電子地圖得以顯示其具體位置[4]。定位功能流程圖如圖2所示。

圖2 定位功能流程圖

2.2 防摔倒檢測功能軟件設計

綜合功能定位裝置通過實時采集三軸加速度傳感器的數據，對得到的三軸加速度數據處理求得合加速度值，定位裝置內記錄一定時間內的加速度變化曲線，通過合加速度變化曲線判斷用戶摔倒狀態。當某時刻合加速度值大于預先設定的合加速度閾值(考慮下蹲和俯身與摔倒的關系設定)，并在一定時間內加速度處于零且沒有恢復正常的合加速度值時，判定該攜帶裝置的井下人員摔倒。此時設備向井上服務器傳達人員處于摔倒狀態的信息，通知井上人員對該井下人員采取相應急救措施。如果是誤報警，該攜帶裝置的人員可以通過誤報警按鈕取消。防摔倒檢測功能軟件設計流程如圖3所示。

圖3 防摔倒檢測功能軟件設計流程

結 語

[1] 于平.煤礦井下人員定位系統的現狀和發展[J].環球市場，2016(15)：41-43.

[2] 何偉剛，吳其琦.煤礦井下小型無線定位器的設計[J].煤礦機械，2013(10)：154-156.

[3] 蘇靜，吳桂義.煤礦井下人員定位系統現狀與發展趨勢[J].內蒙古煤炭經濟，2012(9):111-112.

[4] 季利佳.基于WiFi和ZigBee技術的無線通信及人員定位系統在礦山的應用[J].電子世界，2016(14).