基于無線網絡技術的煤礦井下人員定位系統研究

高麗聰

（霍州煤電集團呂梁山煤電公司方山木瓜煤礦， 山西 方山 033100）

引言

隨著煤礦領域的快速發展，人們越來越關注煤礦安全問題。人員定位系統是保障煤礦井下工作人員安全的重要措施，由于煤礦作業環境的特殊性決定了對人員定位系統具有相對較高的要求[1-2]。隨著科學技術的不斷發展，越來越多的先進技術被應用到煤礦井下人員定位系統中，顯著提升了定位系統運行的穩定性和可靠性，以及定位精度[3-4]。當前階段Wifi 無線網絡技術以其顯著的優勢在很多領域得到了非常廣泛的應用，包括煤礦領域[5-6]。

1 煤礦井下人員定位系統總體設計

圖1 所示為煤礦井下人員定位系統總體結構示意圖。定位系統總體上可以劃分成為兩大部分，第一部分為井下數據信息采集，第二部分為井上數據信息處理。數據信息采集過程中需要用到Wifi技術，采集得到的數據信息通過Wifi無線傳輸技術和光纖網絡傳輸到井上部分。

1.1 井下人員跟蹤定位部分

這部分主要包括Wifi接入節點（AP）和Wifi移動節點、直流供電電源、交換機、光纖等。井下人員跟蹤定位部分的主要作用是對整個礦井區域內部的所有工作人員位置信息進行收集與傳輸。移動節點基于Wifi無線網絡技術向接入節點發送位置信息，接入節點將相關信息傳輸至交換機，最終傳輸至地面部分。系統中配備了直流供電電源，作用是在緊急情況下為人員定位系統提供電力供應，確保系統運行的可靠性。地面部分和井下部分之間通過光纖進行數據傳輸，以提升數據傳輸的效率和可靠性。系統中的Wifi移動節點包含多種類型，從圖1 中可以看出主要包括Wifi手機、Wifi PAD、Wifi標簽等。

1.2 地面集中控制中心

圖1 煤礦井下人員定位系統總體結構示意圖

地面集中控制中心將井下采集得到的人員信息，通過光纖網絡傳輸至地面集中控制中心，由服務器對數據信息進行處理，判斷得到人員的位置坐標，并且可以將分析所得結果顯示在顯示屏中，以供工作人員隨時查看。此外所有的數據信息會存儲在數據庫中，以便后續調取使用。

2 煤礦井下Wifi 無線網絡的規劃研究

煤礦井下環境復雜，如何布置Wifi無線網絡是系統設計中的關鍵問題，Wifi 無線網絡規劃質量好壞直接決定著人員定位系統定位效果和精度。但是煤礦井下空間較小、各個巷道之間相互交錯，整體環境比較復雜，這對無線網絡規劃提出了較高要求。設計的人員定位系統需要傳輸的數據類型主要以文字和語音數據為主，因此對傳輸速度和數據量的要求不是非常高。基于相關理論和實踐經驗，并考慮煤礦井下實際情況，最終將相鄰兩個Wifi接入點的距離設置為300 m，能夠實現礦井全區域覆蓋。但是在一些特殊區域需要對Wifi接入點進行特殊處理，以保障人員定位系統沒有盲區。如下頁圖2 所示為幾種常見位置的Wifi接入點布置情況。

3 人員定位系統主要硬件的選型

在對人員定位系統的主要硬件進行選型時，不僅要考慮到當前階段煤礦的實際使用需要，同時還要考慮到煤礦在未來一段時間的發展需要，下面對主要的硬件選型進行介紹。

圖2 煤礦井下特殊位置的WiFi 無線網絡布置示意圖

3.1 建立Wifi 無線網絡時用到的硬件

用到的光纖為兩根12 芯單模光纖，通過該光纖實現井上部分和井下部分之間的數據信息傳輸。Wifi 無線網絡中使用的硬件主要包含兩個方面，分別為交換機和Wifi 接入點。

1）交換機。從上頁圖1 中可以看出，交換機是實現井下與工業以太網連接的重要部分，Wifi 無線接入點采集得到的數據信息，需要傳輸至交換機中，然后通過光纖傳輸至地面集中監控中心。考慮到煤礦企業未來的發展，所以在選用交換機型號時，要求交換機的性能較高。具體而言，必須要有較高的轉發率、超過100 m/s 的傳輸速度等。系統中最終選用的交換機型號為CISCOWS-C3560G-24PS-S。該型號交換機具有良好的環境適應性，當環境濕度和溫度分別在10%～85%和-5～45 ℃范圍內時，均能夠正常穩定工作[5-6]。

2）WiFi 無線接入點。為了實現整個礦井區域WiFi 無線網絡的全覆蓋，采用的是雙模Wifi 無線接入點，并且要求接入點符合802.11 b 標準。要求無線網絡接入點具有良好的網絡穩定性，避免出現盲區。系統使用的是Cisco Small Business Model WAP200型Wifi 無線網絡接入點。此外，無線接入點中還使用了RangeBooster 技術，該項技術的使用能夠顯著提升接入點的覆蓋范圍以及每個接入點的數據容量。接入點可以通過直流供電電源進行供電，在外部供電線路出現故障問題，無法正常供電時，可以調用直流電源進行供電，顯著提升了系統的可靠性。所選擇的硬件設備在濕度和溫度分別在10%～85%和0～45 ℃范圍內都能夠安全穩定工作，完全能夠滿足礦井實際使用需要。

3.2 Wifi 定位節點硬件選型

人員定位系統中Wifi定位節點佩戴在工作人員身上，所選擇的硬件設施必須要具備Wifi功能，可以實現與Wifi接入點之間的無線網絡通信。可以作為定位節點的硬件設施類型比較多，常見的包括Wifi手機、Wifi PAD、Wifi筆記本、Wifi標簽等，設計的人員定位系統中最終選用的Wifi定位節點硬件設施主要包含兩種，分別為Wifi手機和Wifi標簽。

1）Wifi 標簽。可供選用的Wifi標簽類型有很多種，但考慮到煤礦企業未來的發展，系統最終選用的Wifi標簽型號為EkahauT 301，該型號Wifi標簽具有良好的兼容性和拓展性，可以滿足人員定位系統后續的升級改造。不僅需要符合Wifi通信協議，同時還需要符合Ekahau 串口協議。

2）Wifi 手機。同樣的，選用的Wifi手機也要符合Wifi通信協議和Ekahau 串口協議。當前市場上很多手機都能夠滿足以上這些基本的要求，最終選用的是HTC 品牌手機，需要在手機內安裝相關的軟件程序。

3.3 地面集中監控中心服務器的選型

井下部分采集得到的人員位置信息需要傳輸到地面集中監控中心，然后利用服務器對數據進行分析和處理。因此服務器的質量對數據分析效果和速度有非常重要的影響，這對服務器的性能提出了很高的要求，只有計算速度快才能滿足系統的實時性要求。選用的服務器為英特爾i5 處理器，工作頻率超過1.86 GHz，內存為32 GB。另外，監控中心還配備了LED 顯示屏，主要作用是對井下人員定位處理結果進行實時顯示，以供工作人員查看。選用的是科泰公司設計加工的P8.0 型工業顯示器。為提升系統的可拓展性，還可以直接將筆記本電腦與系統進行連接，實現數據的處理分析與查看。

4 人員定位系統的軟件程序設計

對于煤礦井下人員定位系統而言，井下人員信息的采集與傳輸是最為關鍵和核心的內容。Wifi接入節點可以對Wifi移動節點進行偵聽，Wifi 移動節點也可以主動向外發射位置信息，并被接入節點接收，通過這樣的方式實現井下人員位置信息的采集。數據信息傳輸方面，Wifi 接入節點通過無線網絡的形式將信息傳輸至交換機，然后利用光纖網絡輸送至地面集中監控中心進行處理。下頁圖3 所示為人員定位系統的軟件工作流程圖。

Wifi移動節點在向外發送位置信息時需要一同發送對應的人員編號，以便處理系統能夠識別位置信息對應的工作人員。地面集中監控中心在接收得到人員位置信息后，基于系統內部已經設定的人員定位算法，對數據進行處理，可以得到具體的人員位置坐標，從而達到煤礦井下工作人員定位的目的。

5 結論

1）將Wifi 無線網絡技術應用到礦井人員定位系統中，不僅能夠大大簡化整個系統，而且能夠提升數據傳輸的效率和質量。

圖3 人員定位系統的軟件工作流程圖

2）基于無線網絡傳輸技術的煤礦井下人員定位系統可將人員定位精度可達到2 m，完全能夠滿足實際使用需要。