基于改進加權質心算法的煤礦井下人員定位系統設計

盧宇帥

(廣東工程職業技術學院，廣東 廣州510520)

基于改進加權質心算法的煤礦井下人員定位系統設計

盧宇帥

(廣東工程職業技術學院，廣東 廣州510520)

針對目前大多井下監控系統無法實時準確提供井下人員動態分布與作業情況以及傳統定位算法的定位精度低等問題，結合井下施工的具體要求，設計出一種基于改進加權質心算法的人員定位系統。對整個系統的軟硬件設計進行了詳細說明，同時針對普通質心算法及傳統加權質心算法的缺點設計了改進加權質心算法，運用該算法來求解位置點的坐標，通過實驗對比分析，證明了該算法在很大程度上提升了定位精度。

井下人員定位；無線傳感器網絡；加權質心算法；定位技術

面對煤礦突發事故，井上監控中心能否及時有效的提供井下作業人員的數量、人員的分布情況以及巷道損毀程度等的有效信息，將決定能否及時有效地制定科學的救援方案，最大程度的保證人員生命安全，并最大程度減少財產損失。所以，研究并開發有效的井下定位系統，不僅僅是響應國家的生態文明建設的號召，更是我國礦業領域實現工業信息化、管理現代化所必須的。高瓦斯、稀氧氣、高潮濕等復雜多變的環境因素直接影響了無線通訊的質量，而要想實現對井下人員實時準確的監控又需要獲得實時準確的數據信息，這些都是傳統的無線傳感網絡所無法實現的，這就對礦用無線傳感技術的理論研究提出了新的挑戰。

1 系統總體設計

基于ZigBee 設計的井下人員定位系統的主要結構包括協調器、路由器以及終端設備，另外也可將它們分別叫做網關節點、參考節點以及定位節點其功能分別如下所示。

1)協調器(網關節點)。起控制和協調的作用，它決定著無線網絡能否正常組建。

2)路由器(參考節)。起中轉的作用，另外也可發揮協調器的一些功能。

3)終端設備(定位節點)。它是集成了特定功能的傳感器節點，既可以作FFD設備也可以做精簡功能設備(RFD)。

定位系統結構框圖見圖1。

2 系統硬件設計

運用芯片CC2530F64作為模塊核心，該芯片能夠供給各樣的外部設備很多I/O引腳接口，這也就使得其能設計研發高級應用程序以滿足不同用戶需求；其還具備有完善的5通道DMA功能以及在理論前提下的ADC能夠實現7～12位的分辨率，與此同時還具有溫度傳感器通道、自動完成定期采樣或切換通道以及2個USART來實現各種串行通信協議等功能。CC2530F64芯片具備多個工作方式以及完善的通信協議，這也使得其能夠在惡劣工作環境下保持很低的能耗。

2.1 網關設計

網關是ZigBee網絡中的協調器及全無線網絡信息的中樞。ZigBee協議技術規范內給出網絡主要包含網關節點、參考節點及定位節點三種類別的設備，其中網關電路設計結構見圖2。

圖1 井下人員定位系統結構圖

圖2 網關結構框圖

CC2530無線模塊設計：網關的主要包含無線接發數據與發起并建立網絡等功用。由CC2530F64芯片控制以及運用較少構件建立最小的開發系統，其主要包括射頻輸入/輸出、時鐘以及接口等電路，其系統電路見圖3。

3 軟件設計

硬件是定位系統完成工作的重要前提條件，軟件是每個設備相互聯通構成無線網絡完成定位功能的重要保障。

3.1 網關設計

網關是定位系統里最重要的一環，其主要工作是：①完成收發監控主機下達給各節點的任務信息；②采集結點反饋信息并轉述至主機。其工作流程見圖4。

3.2 參考節點設計

選用井下礦燈用鋰電池為參考節點供電，其位置坐標固定，在ZigBee網絡內的主要功能是將信號強度以及自身坐標置于數據包并輸送至待定位節點，待定位結點要憑借參考節點為前提加入網絡。參考節點安置在在巷道壁及其分岔點、直井等地方，其工作流程見圖5。

3.3 定位節點設計

定位節點通常情況由井下工作人員隨身佩戴，在ZigBee網絡通訊能夠覆蓋的區間內實現參考節點信息強度以及坐標位置，隨之根據輸入參數運用定位算法運算出位置坐標，并將該信息經過網關傳輸至監控主機，其工作流程見圖6。

3.4 改進的加權質心定位算法設計

假定N個參考節點B1(x1，y1)，B2(x2，y2)，…，BN(xN，yN)，定位節點M(x，y)采集到每個參考節點的信號強度分別是S1，S2，…，SN。

1)普通的質心算法見式(1)。

(1)

根據普通的質心算法公式能夠得出，該算法只是單純的利用坐標進行定位估計，一旦三個已知節點所接收的信號強度值不一樣，并且各節點所接收的信號強度值的誤差比較大時，那么其定位精度是很低的。

2)傳統的加權質心算法見式(2)。

(2)

式中，Wi表示定位機電與參考節點間的距離的函數。

對于無線網絡，接收信號強度受環境的干擾可能會產生極大的偏差。當定位節點進行位置計算時如果僅考慮定位節點到某個參考節點的接收信號強度值而不進行修正，那么會使得算法的誤差較大。

3)改進的加權質心算法設計。規定Rji是定位節點M于參考節點Bj、Bi采集獲得的信號強度的比值，其表達式見式(3)。權值計算見式(4)。最終運算獲得改進的加權質心算法公式，見式(5)。算法流程見表1。

(3)

圖3 CC2530F64系統電路圖

圖4 網關工作流程圖

圖5 參考節點工作流程

圖6 定位節點工作流程圖

(4)

(5)

4 實驗結果及分析

運用Matlab模擬一個4.2 m×200 m代表井下主巷道寬、長的大區域覆蓋的ZigBee網絡，并且任意安置參考及定位節點，分別設定參考節點通訊半徑以及未確知目標數目分別是100 m、100個，實驗中，所有的數據點都取100次實驗測量結果的平均值。該實驗假定了信號損耗的路徑衰減因子分別是n=2.2以及n=4.8兩種場景，分別實現改進的加權質心、普通質心以及傳統的加權質心這三種算法的對比分析，其實驗結果見圖7。

根據圖7可知，改進的加權質心算法定位精度在很大程度上均提升了很多。根據圖7(a)能夠看出隨著參考節點數目的改變，改進的加權質心算法的精度較普通質心及傳統的加權質心算法分別提升了56.23%～76.21%、8.79%～15.11%；根據圖7(b)能夠看出隨著參考節點數目的改變，改進的加權質心算法的精度較普通質心及傳統的加權質心算法分別提升了48.98%～51.89%、10.97%～13.46%。

改進的加權質心算法提高了定位結果的準確性，使得井上監控中心能夠準確掌握井下人員位置、工作狀態等信息，為提升井下作業人員科學管理和生產安全提供保障，不僅具有學術研究價值，也具有重要的經濟價值和深遠的社會意義。

表1 算法流程

圖7 定位誤差

5 結 論

本文以ZigBee網絡為基礎對煤礦井下人員定位系統進行了整體設計以及該系統的軟硬件設計，與此同時還設計了改進的加權質心定位算法，并通過實驗證明了該算法的準確性，其信號損耗的路徑衰減因子無論是n=2.2，還是n=4.8，該算法的定位精度在很大程度上都得到了提升。

[1] 方概.基于無線傳感器網絡的煤礦井下人員定位系統的研究與實現[D].北京：北京交通大學，2011.

[2] 李霞.無線傳感器網絡井下人員定位技術研究[D].太原：太原理工大學，2011.

[3] 趙正杰.基于無線傳感網絡的井下人員定位和瓦斯監測關鍵技術研究[D].太原：中北大學，2013.

[4] 胡純伏.井下無線傳感器網絡定位算法研究[D].太原：太原科技大學，2013.

[5] 李偉兵.基于無線傳感器網絡的礦井環境及人員監測系統研究[D].西安：長安大學，2009.

[6] 楊翠芳.基于無線傳感器網絡的煤礦井下人員定位系統的研究與實現[J].煤炭技術，2013(1)：160-161.

[7] 譚軍.基于無線傳感器網絡的井下人員定位系統研究[J].煤炭技術，2013(4)：56-58.

[8] 蔣磊，于雷，王振翀，等.基于WiFi和ZigBee的井下人員無線跟蹤與定位系統的設計[J].工礦自動化，2011(7)：1-6.

[9] 岳秋艷，王文學，郭霞.基于無線傳感器網絡的煤礦井下人員定位系統設計與實現[J].電腦知識與技術，2011，(15)：3725-3726.

[10] 孫碩.基于無線傳感器網絡的煤礦井下安全監控與人員定位系統研究[D].北京：北京工商大學，2011.

[11] 路憲志.井下人員定位無線傳感器網絡路由協議的研究[D].焦作：河南理工大學，2012.

[12] 李蕾.煤礦井下無線傳感器網絡的RSSI定位算法研究與實現[D].呼和浩特：內蒙古科技大學，2014.

Design of coal mine personnel positioning system based on the weighted centroid algorithm

LU Yushuai

(Guangdong Institute of Engineering Technology，Guangzhou 510520，China)

For most of the current underground monitoring system can not provide accurate real-time downhole dynamic distribution of personnel and operations as well as the traditional location algorithm positioning accuracy and low，combined with the specific requirements of underground construction，design personnel positioning system based on improved weighted centroid algorithm.Software and hardware design of the system is described in detail，but for the shortcomings common centroid algorithm and the traditional weighted centroid algorithm is designed to improve the weighted centroid algorithm，using this algorithm to solve the coordinates of the location of the point，the experiment comparative analysis proved that the algorithm in large part to enhance the positioning accuracy.

underground personnel positioning；wireless sensor networks；the weighted centroid algorithm；positioning technology

2016-08-08

盧宇帥(1985-)，山西神池人，講師，研究方向為控制工程。

TD76

A

1004-4051(2017)02-0169-05