基于WiFi 無線網絡技術的新型礦井人員定位系統的設計研究

劉光遠

（同煤集團晉華宮礦，山西大同 037016）

0 引言

煤礦安全問題一直以來都受到社會各界的廣泛關注。雖然我國現在非常重視煤礦安全，但是在實踐過程中偶爾還是會出現煤礦安全事故相關的報道［1]。說明煤礦安全問題并沒有得到徹底解決，煤礦生產仍然存在很多安全隱患［2]。煤礦環境特殊，一旦發生安全事故，開展救援工作存在很大的難度［3]。在以往開展礦井應急救援工作時，由于不掌握井下具體情況，在做各項決策時就沒有依據可循，往往會耽誤黃金救援時間［4]。如果煤礦企業能夠實時掌握井下所有人員的具體位置坐標，那么在開展救援工作時就會非常方便，具有很強的針對性。可見，根據礦井實際情況建立井下人員定位系統非常重要，在關鍵時刻能夠挽救更多人的生命［5-6]。本文基于先進的WiFi無線網絡技術設計研究了新型礦井人員定位系統，系統具有非常高的定位精度，在保障井下人員生命安全方面發揮著重要作用。

1 新型礦井人員定位系統總體結構分析

設計礦井人員定位系統的目的在于對井下人員的位置進行跟蹤定位。系統主要由3 大部分構成，分別為井下位置信息采集部分、井上位置信息分析部分、數據信息傳輸部分。圖1 所示為新型礦井人員定位系統總體結構示意圖。

圖1 新型礦井人員定位系統總體結構示意圖

（1）井下人員定位信息采集部分

數據信息采集部分主要由兩部分構成，分別為定位終端和定位標簽。定位標簽安裝在煤礦巷道壁中，結合煤礦具體情況，將相鄰兩個定位標簽間的距離設置為5 m。定位終端由井下人員攜帶，定位終端內部包含有WiFi模塊和讀卡器模塊。系統工作時，定位標簽會向外發出無方向性的信號，定位終端中的讀卡器模塊可以接收信號，經過處理后通過WiFi模塊將包含有位置信息、時間信息以及人員ID信息的數據信息返回給定位標簽。

（2）井上位置信息分析部分

井上部分主要由服務器以及安裝在服務器中的定位軟件、顯示器等部分構成。井下部分采集得到的數據信息傳輸到井上部分后，利用安裝在服務器中的軟件對數據進行分析，具體的定位算法為三邊定位方法。計算得到人員具體位置坐標，然后將結果顯示在顯示器中供工作人員查看。

（3）數據信息傳輸部分

系統中的數據信息傳輸主要有兩部分。其一為定位標簽和定位終端之間的數據傳輸，通過WiFi無線網絡實現；其二為接入點與井上位置分析部分之間的數據傳輸，通過工業以太網實現。定位標簽將接收到的數據信息輸送至接入點，然后由接入點通過工業以太網傳輸到井上部分。

2 定位終端硬件的設計

2.1 硬件總體結構

在整個礦井人員定位系統中，定位終端是其中非常關鍵和核心的部分。因此這里主要對定位終端的硬件進行設計。圖2所示為定位終端硬件部分的結構示意圖。從圖中可以看出定位終端硬件主要由3 部分構成，分別為CPU處理器、讀卡器模塊和WiFi模塊。CPU的主要作用是下達指令對讀卡器模塊進行控制，確保讀卡器能夠準確的讀取定位標簽發射的信號。同時還需要對WiFi模塊進行控制，確保能夠準確地將相關數據信息進行打包后發送出去。

圖2 定位終端結構示意圖

各個硬件模塊之間的工作流程如下：CPU模塊對讀卡器模塊下達指令讀取定位標簽信息；讀卡器模塊接收到指令后按照指令內容對相關信息進行讀取，然后將讀取到的信息反饋給CPU；CPU將獲得的標簽數據信息傳遞至WiFi模塊，并對WiFi模塊下達指令將相關數據信息發送出去。

2.2 各模塊的設計

（1）讀卡器模塊設計

該模塊的作用是按照CPU 下達的指令準確讀取標簽終端的數據信息并將結果反饋給CPU。讀卡器模塊內部又包含有兩個模塊，其中一個模塊的作用是對附近的定位標簽進行有效識別，另一個模塊的作用是讀取識別到的定位標簽發射出的信號。讀卡器模塊選用的是AS3990型芯片，內部集成有功率放大器，能夠使整個系統變得更加簡化，可通過編程的方式對其功能進行自定義，以滿足各種實際使用場景。該型號該讀卡器讀取范圍超過5 m，能滿足系統實際使用需要。

（2）WiFi模塊設計

定位終端中的WiFi 模塊作用是將CPU 發送過來的數據信號，按照CPU下達的指令發射出去，最終讓這些數據傳遞到井上位置信息分析部分。另一方面，WiFi模塊還需要接收來自井上服務器發送的指令。CPU模塊和WiFi模塊之間通過串口實現通信，CPU 模塊基于使能引腳對WiFi 模塊進行控制。WiFi模塊選用的是GS1010 芯片，由美國公司設計生產，其傳輸速度超過2 Mb/s。該型號芯片的閃存大小為380 kb，內部包含有2個ARM7 微控制器，需要1.8 V的直流電源對其進行供電。體積很小，縮小了整個定位終端的規格。WiFi模塊工作原理示意圖如圖3所示。

圖3 WiFi模塊工作原理示意圖

（3）CPU模塊設計

定位終端是配備在井下人員身上的，CPU 模塊內部寫入了對應人員的相關信息。CPU模塊的作用是對讀卡器模塊和WiFi模塊進行有效控制，將讀取到的定位標簽數據信息轉發給WiFi模塊時會一并發送人員ID信息。

2.3 終端接口設計

本系統中的定位終端接口主要包含兩部分，分別為CPU模塊和讀卡器模塊間的接口、WiFi 模塊和CPU 模塊間的接口。第一個接口的作用是CPU向讀卡器模塊下達指令、讀卡器模塊將讀取到的信號傳遞給CPU，接口通過8 位并行口實現通信。第二個接口的作用是CPU將標簽終端中的數據信息以及人員ID信息傳輸給WiFi 模塊、WiFi 模塊將接收到的井上部分下達的指令傳遞給CPU，該接口通過串口實現通信。

3 定位系統軟件程序設計

3.1 定位終端軟件程序設計

圖4所示為井下人員定位系統定位終端的軟件程序工作流程圖。

圖4 定位終端的軟件程序工作流程圖

定位系統會無時無刻地在整個礦井范圍內搜索定位終端信號。當攜帶定位終端的工作人員進入礦井內部時，其中的讀卡器模塊就會掃描附近的定位標簽，如果沒有則會定期進行再次掃描，直到發現有定位標簽為止。如果發現有定位標簽，則還需要對定位標簽進行識別，確保識別到的定位標簽為唯一標簽，然后才會與該標簽進行信號傳遞。如果發現不是唯一標簽則需要通過設定的防沖突算法進行處理后再進行訪問。定位終端中的讀卡器模塊讀取定位標簽中的數據信息，然后通過WiFi模塊將信號數據打包發送至接入點。接入點將所有的信號數據通過工業以太網傳輸到井上部分，通過服務器計算分析得到井下人員的具體位置坐標。

3.2 井上部分定位算法研究

本研究中通過三邊定位算法實現井下人員位置的確定。圖5所示為三邊定位算法基本原理示意圖。定位終端和定位標簽之間在進行通信過程中，系統可以根據兩者之間信號通信的強弱來判斷它們之間的距離，但是無法有效判斷方向。定位終端可以同時和礦井內的多個定位標簽實現通訊。理想狀態下，只需要知道定位終端與其中三個定位標簽之間的距離就可以通過如圖5（a）所示的基本原理定位得到定位終端的具體位置，即可實現井下人員的精確定位。

圖5 三邊定位算法原理示意圖

但是在實踐過程中，不管是在數據讀取還是數據傳輸過程中都會存在一定程度的誤差，導致在計算定位終端和定位標簽之間距離時會產生誤差。系統在實際使用過程中很難達到圖5（a）所示的理想狀態，更多情況下是得到圖5（b）所示的結果。圖中陰影部分是定位終端的位置區域，通常情況下取該部分的質心，認為就是井下人員的具體位置坐標。

4 結束語

隨著煤礦領域的發展，人們越來越關注煤礦安全問題。在這樣的大背景下，越來越多的礦井都建設了井下人員定位系統，該系統在保障井下人員安全方面具有重要的作用。WiFi技術以其顯著的通信優勢，當前在各行各業都有廣泛的應用。本文就是基于WiFi無線網絡通信技術搭建了煤礦井下人員定位系統，該系統投入使用后發揮了重要作用，能夠通過井上的顯示器實時查看井下人員的位置信息和狀態。對于提升礦井的安全性具有重要的實踐意義。