基于WIFI技術井下人員定位系統設計與研究

1.引言

我國是世界第一產煤大國，煤礦礦山近3萬多個，其中大中型煤礦500多個，小煤礦2萬多個，井下工作人員超過100萬人。[1]但我國的煤炭生產安全形勢不容樂觀，百萬噸死亡率居高不下，給社會造成不安定因素，給國家造成巨大損失。究其原因，一方面是由于我國現有的煤礦開采管理以及法律法規約束性不夠；但另一方面也顯示出我國現有的井下救援工作的不利。而井下人員定位系統則能夠通過對井下人員的精確定位提升地上的救援速率，從而更好地改善我國現有的井下救援工作。

本文基于WiFi技術[5]，整個系統采用無線數據采集與傳輸的方式，采用多種抗干擾措施，以保證無線數據可靠的傳輸。本系統主要用于實時監測人員流動、流動車輛的數量、方向、區域、時間等，為人員、車輛的管理、考勤統計、安全保障提供可靠依據。本系統為礦用本質安全型，適用于瓦斯、煤塵爆炸危險的礦井中。系統的核心識別設備采用了具有國際先進水平的SUPER-RFID技術[4]。解決了中低頻電磁波技術感應距離短防沖突能力差的致命弱點。

2.井下人員定位系統完整結構

井下無線通信的特點是整個的無線信號的傳播都是在井下的巷道，是一個封閉的環境，與地面無線通信無相互干擾。考慮到井下通信狀況以及對于通信設備本身的要求以及現代科學技術的進步同時結合所設計系統的實際情況，本系統采用WiFi作為無線通信的主要傳輸手段，人員位置信息獲取和信息傳輸都通過WiFi無線網絡技術進行。在通道內設置WiFi基站，設置中轉站向地面傳輸地下信號以及員工具體的所在位置。具體如圖1所示，整個系統主要由標識卡、讀卡器、中繼器、避雷器以及傳輸接口和交換機以及UPS等等組成。井下每個工作人員攜帶WiFi身份碼或WiFi手機，通過存有人員信息的WiFi終端與基站(BS)進行信息交流。

整個系統主要組成部分包括：

(1)硬件構成：電子標簽(身份碼)、識別器、中繼器、傳輸接口、系統主機、避雷器等；

(2)可視化軟件平臺：整合企業現有的軟件，通過一個圖形化的操作界面，在顯示資產分布或人員移動區域地圖上能夠迅速檢測、找尋到目標對象，操作清晰簡單。

3.系統工作原理

首先在煤礦生產基地鋪設好無線局域網，同時在每個工作人員佩帶的礦燈上安置一個電子標簽，當工作人員進入井下以后，無線BS馬上能感應到電子標簽的信號，同時立即上傳到控制中心的計算機上，計算機馬上就可判斷出具體信息(如：是誰，在哪個位置，具體時間)，管理者也可以根據大屏幕上或電腦上的分布示意圖點擊井下某一位置，計算機即會把這一區域的人員情況統計并顯示出來。同時，發生事故也能保證人員的及時搜救欲尋找。

4.電子標簽(標識卡)

電子標簽主要用在井下人員和資產的監控和跟蹤定位方面。目前，用于煤礦企業的電子標簽主要有人員標簽和資產標簽。人員標簽可以安裝在安全帽上，井下工作人員必須佩戴裝有電子標簽的安全帽。通過WIFI實時定位系統可以對井下工作人員進行實時的跟蹤，隨時了解其狀況和具體位置。身份碼發送器，也可以稱做移動臺Mobile Station(MS)，每一位井下人員都有一個自己的身份碼，通過這一發射器能夠幫助救援人員及時了解不同員工在井下的位置，從而保證救援人員的及時到達，減少救援時間。系統的結構及組成如圖2所示。

圖1 系統整體結構

圖2 身份碼發送器系統結構

圖3 數據傳輸接口總體框圖

系統采用低功耗的CPU，以及低功耗的無線收發模塊。電池提供的電壓最高大約5.7V，隨著電池能量的消耗電壓會下降，正常使用時維持，在4.9V的時間最長。在系統正常過程中若出現意外導致電壓突然降低然后電壓回復正常值，由看門狗電路對系統進行監測復位。

5.識別器

本系統采用動態目標識別器，采用無線射頻識別技術（RFID），其是基于全球公認的局域網權威工作組IEEE802工作組所建立的802.1協議的2.4GHzDSSS直接順序擴屏技術，同時先進的校驗技術和無線防沖突算法，保證了數據的可靠性及較高的抗干擾能力。

6.傳輸接口與傳輸方式

圖3為數據傳輸接口的總體框圖。井下和井上之間的數據傳輸主要通過數據傳輸接口實現，讀卡分站通過CAN總線把井下的信息數據傳送給數據傳輸接口。傳輸接口與井下通信主站以及井下通信主站之間通過CAN總線，連接現場總線則是安裝在生產現場裝置與控制室內自動控制裝置之間的數字式、串行、多點通訊雙向傳輸的數據總線。[2]讀卡分站通過CAN總線把井下的信息數據傳送給數據傳輸接口，數據傳輸接口再通過MCP2515把數據傳送給單片機Atmegal6，單片機與上位機之間實現通信采用RS-232接口。

7.系統安全性設計

系統設計充分考慮到井下特殊情況以及操作人員自身的實際綜合素質，因此對于身份發射器以及相關WiFi基站的操作性與安全性設計方面，主要包括以及幾方面：

(1)外部采用全金屬外殼，結構牢固，防撞、防震。并且全密封設計，防水、防潮、防腐；

(2)設備的運行絕不能影響井下的安全問題。設備具備超低功耗，峰值功率小于1毫瓦；

(3)設備適應礦井上和井下各種不同的安裝環境問題。設備具有非常高度抗干擾性，對安裝現場基本無要求，即保證設備運行的高可靠性，又大大簡化了安裝個維護工作量；

(4)整個系統設計成為“傻瓜型”，對用戶的技術要求極低，具有簡易可調的功能、故障的自動巡檢功能等等；

(5)坑道內簡易施工和安裝問題：產品采用在井下直接壁掛式，接入直流電源及網線連接頭即可，同樣對今后井下檢測點的變更和添加一樣非常方便輕松；

(6)故障處理的簡單化：當有機器產生故障，用備用機器直接替換即可；

(7)系統內置了備份功能，可根據要求定時定期將數據進行儲存(最短每5分鐘保存一次)，同時系統設置了電源外接端口，可外接備份電源以保證系統在遇到突發狀況時的有效運轉。

8.結語

本研究將WiFi技術應用于煤礦井下人員定位系統中，借助Wifi本身信號傳輸快、信息傳輸準確以及具象化的特點，能夠幫助以后的救援人員更好地了解被困人員的實際情況以及所處位置，是救援人員能夠在最短時間內，根據被困人員實際所處環境采取更加有針對性的營救措施與策略，保證了被困人員的生面安全，為營救提供了更多的信息，從而在根本上降低了我國煤炭開采過程中公認的死亡率，在一定程度上提高了煤礦工人工作作業的安全性，在現階段具有重要現實意義。

[1]孫繼平.煤礦物聯網特點與關鍵技術研究[J].煤炭學報,2011,36(1):167-171.

[2]孫彥景,錢建生,李世銀等.煤礦物聯網絡系統理論與關鍵技術[J].煤炭科學技術,2011,39(2):69-72.

[3]蘇金明,張蓮花,劉波.MATLAB工具箱應用[M].北京:電子工業出版社,2004.

[4]盧恒惠,劉興川等.基于三角形與位置指紋識別算法的WiFi定位比較[J].移動通信,2010,34(10):72-76.

[5]張軍.基于WiFi技術的礦井無線救災通訊系統研究[J].礦業安全與環保,2009,36(S1):11-13.