基于WiFi技術的煤礦井下人員定位系統(tǒng)研究

(神華包頭能源有限責任公司李家壕煤礦 內蒙古 鄂爾多斯 017000)

前言

隨著現(xiàn)代機械化開采技術在煤礦地下開采中廣泛使用，開采深度隨之增加，使得井下的安全問題更加嚴峻，當井下出現(xiàn)突發(fā)事故時，可以通過人員定位系統(tǒng)知道井下被困人員的具體位置，方便實施有效的搜救。因此，本文提出一種基于wifi技術的煤礦井下人員定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用低成本的定位設備和高精度的定位技術，實現(xiàn)井下人員位置信息的采集和傳輸，這將有助于煤礦的安全生產和管理，具有很強的實用性。

一、WiFi定位

WiFi(WiReless Fidelity)是一種短程無線網絡傳輸技術，它可以通過一定的協(xié)議和認證實現(xiàn)PC、智能手機、Pad等終端產品以無線方式相互連接訪問。經過多年的技術革新和實踐改善，目前使用的版本為IEEE802.11系列標準，基于此標準下的WiFi技術采用5.8GHz頻段，最大輸送速度可達54bit/s，并且發(fā)射信號功率小于100mw，滿足我國煤礦安全技術標準的規(guī)定[1]。

二、系統(tǒng)網絡拓撲結構

該系統(tǒng)結構分為井上地面和井下兩部分，如圖1所示。地面部分主要由監(jiān)控管理中心、服務器和轉換器組成，井上部分主要有以太網、WiFi智能終端設備和AP(Access point)基站組成。地面監(jiān)控管理中心通過無線網絡實現(xiàn)對智能終端的管理和監(jiān)測。

圖1 系統(tǒng)結構

三、定位原理

根據(jù)煤礦井下的具體情況，通過在巷道中合理的設置WiFi熱點(AP基站)，確保WiFi無線網絡能夠覆蓋井下每個角落,基站之間以支線光纖連接。每個下井的人員隨身攜帶一個記錄著人員身份信息的WiFi智能終端設備，在井下該設備會自動的選擇與礦工最近的AP基站連接，并結合每個信號的強弱程度，經過定位算法計算確定出煤礦井下人員的實際位置。

四、人員定位算法

根據(jù)具體的定位機制，現(xiàn)有的無線網絡定位方法可分為三邊定位算法和位置指紋識別算法。相比于室內定位應用較廣泛的三邊定位算法，位置指紋識別算法更能實現(xiàn)定位的準確度。為了估算測試節(jié)點的坐標，選用最近鄰法NN(Nearest Neighbor)作為匹配位置指紋識別算法的匹配算法，該方法在匹配時首先采用式(1)中的方法，計算得到接受信號強度矢量與數(shù)據(jù)庫中各指紋數(shù)據(jù)矢量之間的距離，然后選取最小距離對應的數(shù)據(jù)庫矢量，并以其位置坐標作為當前移動終端的定位結果。

(1)

五、系統(tǒng)功能設計與實現(xiàn)

(一)系統(tǒng)功能設計。煤礦井下人員定位系統(tǒng)主要用來實時檢測井下工作人員的動態(tài)信息，如人員具體位置、各個區(qū)域內人數(shù)等，以便井下發(fā)生事故能夠進行有效地制定搜救方案。同時其還具備的主要功能有：井下人員考勤管理、實時監(jiān)測、實時定位、信息查詢、歷史軌跡查詢、動態(tài)地圖顯示等各項功能。

(二)基于Android平臺的實現(xiàn)。本文在Android平臺上設計并實現(xiàn)基于WiFi技術的煤礦井下人員定位系統(tǒng)，采用Java語言在eclipse開發(fā)軟件上開發(fā)Android客戶端，系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)庫選用SQL Server 2012數(shù)據(jù)庫。通過Socket編程建立客戶端與wifi信道雙向的通信連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交換。

1.系統(tǒng)定位的實現(xiàn)。基于Android平臺從網絡層面上來實現(xiàn)整個離線數(shù)據(jù)采集階段和在線定位階段。離線數(shù)據(jù)采集階段，首先收集每個WiFi接入點(AP基站)的具體位置，對每個基站進行唯一的標示，在數(shù)據(jù)庫中注明這些接入點的具體位置。圖2、圖3分別是服務于該定位系統(tǒng)所設計的井下人員手持移動設備應用界面和地面監(jiān)測管理中心應用界面。

圖2井下人員手持設備定位界面圖3定位系統(tǒng)地面監(jiān)控界面

2.系統(tǒng)測試。在煤礦井下巷道內選取100個測試點，采用同種布置網絡節(jié)點的方式，分別通過WiFi定位系統(tǒng)、ZigBee定位系統(tǒng)和RFID定位系統(tǒng)，對這100個點從定位成功率、響應時間范圍和平均誤差等指標進行測試，測試結果見表1.

表1 網絡定位測試

由上表測試結果表明，基于WiFi技術的煤礦井下人員定位系統(tǒng)，可以有效地提高定位的準確度和可靠性，同時也克服了傳統(tǒng)定位系統(tǒng)響應時間較慢的缺陷。

六、結語

基于WiFi技術的煤礦井下人員定位系統(tǒng)采用新興的WiFi無線網絡通信技術，克服了煤礦井下復雜環(huán)境所造成通訊的干擾，解決了傳統(tǒng)定位系統(tǒng)響應時間長、定位精度差的問題，顯著提高了系統(tǒng)定位的可靠性和精確度，將該定位系統(tǒng)應用到煤礦井下特殊的環(huán)境中，對進一步優(yōu)化井下安全生產管理和提高工作效率有著十分重要的作用，具有很好的應用價值。