基于無線傳感網絡的井下定位系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

胡建宏

（武威職業(yè)學院，甘肅 武威 733000）

隨著礦產資源應用范圍的不斷擴大，我國對礦產資源生產安全的重視程度也逐漸提升，由于礦井內部環(huán)境復雜，且采礦過程中存在大量的安全隱患[1]，因此對井下人員進行準確的定位具有重要的現(xiàn)實意義。現(xiàn)階段，我國對井下人員的定位多采用遺傳定位系統(tǒng)，雖能完成常規(guī)的定位活動，但定位精度不高，且常出現(xiàn)定位偏差等問題，為此，本文提出并設計了一種基于無線傳感網絡的井下定位系統(tǒng)。所謂無線傳感網絡，就是一種分布式數據通信網絡，它的末梢是可以感知和檢測外部數據環(huán)境的，并通過無線通信的方式，與系統(tǒng)終端進行直接交流，以隨時更改系統(tǒng)的定位設置。最后在IAR EW8051環(huán)境內進行系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)，驗證了本文系統(tǒng)的可行性，實驗結果表明，基于無線傳感網絡的定位系統(tǒng)較傳統(tǒng)定位系統(tǒng)的井下定位精度高27.1%，具備極高的有效性。

1 井下定位系統(tǒng)硬件設計

（1）無線傳感器。傳感器的優(yōu)化設計主要利用無線傳感網絡技術，對系統(tǒng)網關功能進行發(fā)起的同時，組建通信網絡，并利用系統(tǒng)的最小外圍器件構建傳感器的射頻輸入與輸出電路。射頻電路接口采用CC2530F64芯片為主要控制載體，能夠同時接收多個定位信息，并對系統(tǒng)的封裝尺寸、引腳等規(guī)格進行有效調整，實現(xiàn)井下定位信息的快速通信過程。接收天線選擇PCB天線，當系統(tǒng)下發(fā)定位指令后，PCB天線會立即將定位指令傳輸至各個功能模塊[2]，結合無線傳感網絡，該優(yōu)化設計的傳感器能夠全方位輻射每個方向上的傳輸信號，將定位指令進行準確傳輸。

（2）I/O控制器。I/O控制器負責定位線上的所有引腳，當系統(tǒng)CPU檢測模塊的其他控制單元被占用時，控制器便自動打開刀閘開關，對CPU進行I/O轉換，使被占用的檢測模塊立即停止運行，對定位數據進行重新獲取。若系統(tǒng)CPU處于空閑狀態(tài)，控制器便對定位信息進行重新判斷，判斷過程將定位數據進行輸入或輸出，實現(xiàn)靈活、準確的定位控制。控制器內部引入8051單片機芯片，同時配置8GB內存的隨機存儲器與868MHz的工作頻段，實現(xiàn)控制器內部引腳與外部引腳間的隨機選擇，進而為系統(tǒng)的軟件運行提供較為強大的控制載體。

2 井下定位系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件在IAR EW8051環(huán)境下開發(fā)，由于井下環(huán)境惡劣，因此用調試器驗證了該系統(tǒng)的可行性，同時引入C+語言對系統(tǒng)的運行代碼進行編寫，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行。

對無線網絡定位信號的強度值進行接收并記錄，將接收到的信號按照強度由高到低的順序進行排列，將所有定位信號控制在一個接收矩陣內，以降低無線通信過程中的信號損耗。定位信息的控制計算如下：

式中，F(xiàn)代表定位信息的控制矩陣；G1、G2分別代表接收與發(fā)射天線的增益結果；λ代表無線傳感器傳輸過程中出現(xiàn)的通信波長；P代表線路總功率；l代表通信過程中的信號損耗。

通過對定位信息矩陣的確定，將傳輸過程的損耗值換算為歐式距離，再將質心算法引入井下人員位置的獲取過程，得出井下人員的定位節(jié)點坐標：

其中，Rx、Ry、Rz代表井下作業(yè)人員的空間坐標，Rx代表橫坐標，Ry代表縱坐標；Rz代表高度坐標；d代表井下作業(yè)人員的實際位置；d0代表定位過程中的參考位置；L代表定位信息傳輸過程中的歐氏距離計算系數，此次計算不做定向分析。

經過上述定義，將基于無線傳感網絡的井下定位系統(tǒng)在IAR EW8051環(huán)境下進行開發(fā)，將定位節(jié)點接收到的各個參考值進行權值對比后，若對比結果的偏差范圍在10以內，則實現(xiàn)對井下作業(yè)人員的精準定位，完成基于無線傳感網絡的井下定位系統(tǒng)的設計過程。

3 實驗

實驗在Matlat平臺內模擬井下巷道環(huán)境，巷道長60m，寬1.9m，高4m。同時，將無線傳感網絡設置在巷道兩側，其間隔設置15m，引用4個參考節(jié)點對實驗結果進行校正，利用本文系統(tǒng)對井下巷道人員的位置信息進行定位測試，以驗證本文系統(tǒng)的可行性。為了保證實驗的嚴謹性，采用傳統(tǒng)定位系統(tǒng)作為參照，在改變作業(yè)人員位置、井深的條件下，對兩系統(tǒng)的井下定位精度進行統(tǒng)計與分析。其實驗結果如表1所示。

表1 井下定位精度對比結果

分析表1數據可知，在相同的定位條件下，本文系統(tǒng)的有效定位率均不低于95%；而傳統(tǒng)系統(tǒng)的有效定位率均低于90%，因此在井下人員的有效定位方面，本文系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢。

同時，本文系統(tǒng)的定位失誤率也很低，較傳統(tǒng)系統(tǒng)的定位失誤率平均低3.5%，計算可知，本文系統(tǒng)的井下定位精度比傳統(tǒng)系統(tǒng)的井下定位精度高27.1%。

因此可以得出結論，本文設計的基于無線傳感網絡的井下定位系統(tǒng)具備可行性和有效性，能夠同時兼顧井下人員定位與位置信息傳輸的統(tǒng)一，最終的井下定位效果較為理想。

4 結語

本文利用無線傳感網絡技術，設計了一種井下定位系統(tǒng)，經實驗驗證，確定本文系統(tǒng)的有效性。但在本次研究中，還存在一系列的不足，例如實驗環(huán)境的模擬、系統(tǒng)硬件的優(yōu)化設計等，希望在下次的研究中能夠將理論結合實際，進一步增強實驗結果的說明性，以為我國井下定位系統(tǒng)的研究與發(fā)展提供基礎。