井下人員定位系統設計

胡 勁，鞠 波，楊 素，田海燕

（1.綿陽市維博電子有限責任公司，綿陽 621000；2. 中國兵器裝備集團自動化研究所，綿陽 621000）

0 引言

井下人員定位系統是通過建立一個完整、靈活和實時的井下網絡系統，對巷道人員分布信息進行管理，來實現井下人員管理的信息化和可視化，同時提高礦井開采生產管理和安全作業的水平，為發生緊急情況的救援活動提供幫助，其主要功能有：1）實時監控：能實時采樣，并顯示井下人員位置、區域人員數量，實現人員定位功能；2）數據查詢：可以查詢井下人員的活動軌跡；3）統計報表：提供人員定位實時信息表、日報表和月報表，并進行打印。

1 系統結構

本系統采用電力線載波通訊技術，將遍布于井下坑道內的照明輸電線路作為數據傳輸總線，在坑道中放置信息采集傳輸節點，完成無線、電力線通訊的轉換接收工作，形成一個遍布于整個井下坑道內的通訊網絡。當井下工作人員攜帶身份識別器進入坑道內后，可通過網絡獲取工作人員所在的位置，并可根據身份識別器確定人員身份；同時信息處理中心站可對網絡中的身份識別器進行通訊報警等操作，當發生安全隱患時可通知井下工作人員快速撤離。

整個井下人員定位系統由以下三個部分組成：1）身份識別器：由工作人員攜帶，標明了人員的身份；2）信息采集傳輸節點：安置于井下坑道內，通過無線方式與身份識別器進行數據交換，并通過電力載波模塊接入井下網絡中；3）信息綜合處理中心站：由一臺PC機或服務器構成，它通過電力載波通訊模塊接入通訊網絡中，獲取通訊網絡中的數據，進行系統總體控制。

圖1 系統總體結構圖

2 系統設計

2.1 身份識別器

圖2 身份識別器組成示意圖

身份識別器通過無線方式發送人員編號信息和人員報警信息，并接收信息綜合處理中心站通過信息采集傳輸節點發送的系統報警信息、輪詢信息。

考慮到井下工作的實際情況，身份識別器的設計重在兩方面：一是體積小，便于攜帶；二是功耗小，可持續工作時間長，使用電池供電，不能頻繁更換電池。因此，如何減小體積和節省電能是身份識別器設計的首要問題。

身份識別器由電池、報警按鈕、控制核心、無線收發模塊、報警指示燈和蜂鳴器組成。本設計采用MSP430F1611控制芯片為控制核心，它是具有超低功耗特點的16位單片機，可以在低電壓下以超低功耗狀態工作，并且在惡劣條件下工作性能穩定；采用CC2500芯片為核心組成無線收發模塊，通過SPI方式與控制核心通信，該芯片體積小、功耗低，非常適合于低功耗的應用系統，并在本設計中使用PCB引線天線來減小設備體積；報警按鈕用于人員輸入報警信號，報警指示燈和蜂鳴器用于收到廣播告警信號后，提示人員進行撤離。

身份識別器嵌入式控制軟件編程語言為C語言，編譯環境為IAR Embedded Workbench，開發工具為MSPFET430UIF。軟件編程的基本思路是：先對控制核心的SPI、CC2500控制端口初始化；使能SPI端口，對CC2500芯片初始化；開啟接收機后，就可以運行任務程序了，以實現接收或發送數據。軟件工作流程如圖3所示。

圖3 身份識別器軟件處理流程圖

2.2 信息采集傳輸節點

信息采集傳輸節點分布在井下坑道內，通過電力線接收信息綜合處理中心站發送的詢問、對時和告警命令，再將詢問和告警信息通過無線方式發送給身份識別器。身份識別器通過無線方式將應答信息和報警信息發送給信息采集傳輸節點，信息采集傳輸節點再將無線接收到的信息通過電力線傳輸到信息綜合處理中心站進行處理。

圖4 信息采集傳輸節點組成示意圖

信息采集傳輸節點由濾波器、電源模塊、主板、電力線通信模塊和OLED屏組成。信息采集傳輸節點輸入220V交流電源，經濾波器后由電源模塊轉換為12V直流電源給主板和電力線通信模塊供電；主板通過無線方式接收身份識別器的編號信息和報警信息，并將信息綜合處理中心站發布的系統告警信息發送給身份識別器；電力線載波通信模塊與系統數據傳輸總線相連接，實現信息采集傳輸節點與信息綜合處理中心站之間的數據傳輸；OLED屏在調試維修時顯示關鍵數據，以方便調試。

信息采集傳輸節點嵌入式控制軟件基于TI公司的MSP430F5659MCU內核而寫，編程環境與身份識別器相同。軟件設計遵循軟件模塊化的設計理念，按照功能不同分為：信息顯示處理模塊、RF控制模塊和通信處理模塊。這三個模塊都是通過總控程序進行調度，總控程序流程圖如圖5所示。

圖5 總控程序流程圖

2.3 信息綜合處理中心站

信息綜合處理中心站軟件開發環境為Windows 2000/XP，采用Delphi、MSSQL Sever數據庫、MAPX數字地圖組件進行開發，運行環境為Windows NT/2000/XP。軟件通過電力線載波通訊模塊與信息采集傳輸節點和身份識別器進行通訊，獲取井下人員的信息；在軟件界面中使用GIS技術顯示煤礦井下結構，并顯示人員所處的位置等信息，便于井上操控人員直觀的掌握井下工作人員的位置等信息。信息綜合處理中心站軟件的結構如圖6所示。

圖6 信息綜合處理中心站軟件功能模塊框圖

信息綜合處理中心站軟件的各個模塊相互獨立，通過主程序進行調用。主模塊主要完成其它功能模塊的調用，根據其任務分析，其輸入信息就是鼠標或者鍵盤消息，輸出信息為各個模塊的調用觸發消息。基礎數據管理模塊主要針對系統運行的關鍵數據進行管理維護，這些數據包括：采掘區域信息、人員信息、班次信息、檢測站點即信息采集節點信息、便攜式無線收發器信息和生產作業信息。通訊管理模塊主要完成對各個信息采集點的輪訊、接收各個采集點的通訊及報警信號、下發報警指令等工作。數字地圖顯示處理模塊完成數字地圖的顯示，并標繪信息采集傳輸節點及身份識別器（人員）的位置，便于操作人員便捷直觀的確定井下工作狀況，當出現節點錯誤等狀況時，能及時顯示錯誤點信息，并進行醒目提醒，便于維護人員進行維護。數據庫管理模塊用于對數據庫資料進行備份及恢復。

3 系統應用實現

本系統能夠自動檢測井下坑道人員經過該信息采集傳輸節點的時間、地點信息，并自動實現對人員的考勤作業、統計及監測管理。安裝在井下各通道的信息采集傳輸節點，實時將采集到的信息傳送到信息綜合處理中心站，整個過程無需人為干預。系統軟件具備專用數據庫管理系統，包括工人通過坑道的信息采集和統計分析系統，考勤作業的統計與管理分析系統，顯示并打印各種統計報表資料，為高層管理人員的查詢與管理提供全方位的服務。

圖7為系統工作主界面，主界面列表顯示信息采集傳輸節點采集到的井下人員實時數據，并每隔5秒刷新一次。若需詳細了解井下人員活動的實時情況以及歷史軌跡回顯，可進入電子地圖人員定位瀏覽界面，其界面在地圖上標示出人員的實時信息，如圖8所示。

圖7 系統工作主界面

圖8 人員定位界面圖

4 結束語

井下人員定位系統采用有無線相結合的方式將信息綜合處理中心站、信息采集傳輸節點以及身份識別器緊密的聯系起來，構成了一個信息采集、處理和傳輸的動態網絡，具有操作簡單，功能完整，穩定可靠等優點，可以便捷的接收各種數據、發送工作指令、危險警告等信息，在發生井下事故等情況時可以快速、準確的確定人員所處的位置，便于進行相應的搶救，并大大提高生產的科學管理水平。

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