基于WIFI技術(shù)的礦井人員定位系統(tǒng)及定位方法的優(yōu)化研究

畢鐵丹

（山西潞安礦業(yè)集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司，山西長治 046605）

0 引言

煤炭資源為中國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)，隨著中國經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，對煤炭資源的需求量變得越來越大[1]。中國既是產(chǎn)煤大國，更是煤炭資源消耗大國。隨著煤炭領(lǐng)域的不斷發(fā)展，國家和社會對煤礦安全的關(guān)注程度越來越高。為確保礦井安全，國家出臺了很多政策法規(guī)，但這些政策法規(guī)只能起到引導(dǎo)的作用，不能從根本上解決礦井安全問題。能夠真正提升礦井安全的是先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，其中就包括井下人員定位技術(shù)[2-3]。通過礦井人員定位系統(tǒng)能實(shí)時掌握井下所有人員的行動軌跡和狀態(tài)，一旦發(fā)生井下安全事故時，非常有利于開展應(yīng)急救援工作[4-5]。WIFI 技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)非常廣泛，由于不需要網(wǎng)線就能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，在實(shí)際中表現(xiàn)出了非常大的優(yōu)勢[6]。考慮到WIFI 無線通信技術(shù)的優(yōu)勢，本文基于WIFI技術(shù)設(shè)計(jì)研究了煤礦井下人員的定位系統(tǒng)。

1 基于WIFI技術(shù)的定位原理及定位方法優(yōu)化研究

1.1 WIFI無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的定位基本原理

基于WIFI無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的定位系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成，分別為佩戴在人員身上能夠?qū)崿F(xiàn)WIFI通信的移動節(jié)點(diǎn)和安裝在礦井內(nèi)同樣可以實(shí)現(xiàn)WIFI通信的固定節(jié)點(diǎn)，兩個節(jié)點(diǎn)之間能夠?qū)崿F(xiàn)WIFI無線通信。移動節(jié)點(diǎn)的WIFI 通信范圍內(nèi)的固定節(jié)點(diǎn)數(shù)量越多，則人員定位精度越高。定位系統(tǒng)在工作過程中，固定節(jié)點(diǎn)會定期向外發(fā)射信號，移動節(jié)點(diǎn)在接收到信號后會進(jìn)行反饋，固定節(jié)點(diǎn)接收到反饋信號后對其進(jìn)行處理，并且將處理結(jié)果輸送到處理器中對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)人員定位算法計(jì)算得到具體位置坐標(biāo)。基于以上基本工作原理可以看出，WIFI技術(shù)在整個系統(tǒng)中不僅起到定位的作用，還起到了發(fā)射數(shù)據(jù)信號的作用。

1.2 人員定位方法優(yōu)化

三邊定位方法是定位系統(tǒng)中比較常用的定位方法。但這種方法在實(shí)踐中容易受到環(huán)境因素干擾，導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確。因此有必要結(jié)合實(shí)際情況對人員定位算法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。傳統(tǒng)的三邊定位方法中，固定節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送信號并接受反饋信號可以計(jì)算得到其與移動節(jié)點(diǎn)之間的距離。通過3 個固定節(jié)點(diǎn)的信號就能夠大致確定移動節(jié)點(diǎn)的區(qū)域，如圖1（a）中的陰影部分所示，將三角形abc的質(zhì)心作為移動節(jié)點(diǎn)的位置。

圖1 人員定位方法基本原理示意圖

為進(jìn)一步提高人員定位精度，本研究中選擇4 個強(qiáng)度最好的固定節(jié)點(diǎn)信號，每3 個信號進(jìn)行組合，然后根據(jù)傳統(tǒng)的三邊定位方法計(jì)算得到三角形區(qū)域。總共有4 個固定節(jié)點(diǎn)信號可以進(jìn)行4次組合，這樣可以得到4個三角形區(qū)域。認(rèn)為4個三角形區(qū)域疊加部分的質(zhì)心就是人員位置坐標(biāo)，如圖1（b）中的陰影部分所示。通過這樣的措施能夠顯著縮小人員定位的范圍，提高人員定位精度。

2 基于WIFI技術(shù)的人員定位系統(tǒng)總體架構(gòu)

設(shè)計(jì)的人員定位系統(tǒng)總體上可以劃分為兩大部分，分別為井下人員定位部分和井上狀態(tài)監(jiān)測部分。下面分別對這兩大部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 井下人員定位部分

在整個人員定位系統(tǒng)中，井下人員定位部分是其中最為核心的環(huán)節(jié)。主要作用是對人員位置信息進(jìn)行采集，并作簡要處理后通過WIFI無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄媳O(jiān)測管理部分，為人員的準(zhǔn)確定位提供數(shù)據(jù)支持。

（1）供電部分。井下人員定位部分在正常工作時，需要電能作為支撐。供電部分的作用就是為井下所有工作元件提供電力供應(yīng)。對供電部分的要求主要有兩點(diǎn)，一是提供的電能必須穩(wěn)定可靠；二是能夠?qū)崿F(xiàn)不間斷供電。

（2）WIFI無線接入點(diǎn)。接入點(diǎn)的作用是將有線網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)換成為無線網(wǎng)絡(luò)，并對外發(fā)送，確保礦井內(nèi)所有的WIFI移動節(jié)點(diǎn)全部在信號覆蓋范圍內(nèi)，構(gòu)建全范圍無死點(diǎn)的WIFI無線網(wǎng)絡(luò)。無線節(jié)點(diǎn)不僅要求能夠發(fā)射無線信號，同時還必須可以接受無線網(wǎng)絡(luò)信號。

（3）光纖。系統(tǒng)中不僅包含有WIFI 無線網(wǎng)絡(luò)，同時還需要通過光纖實(shí)現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸。在煤礦井下每條巷道中都需要布置光纖網(wǎng)絡(luò)。考慮到井下布置光纖的長度非常長，所以通過單模傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

（4）WIFI移動終端。設(shè)計(jì)的井下人員定位系統(tǒng)中需要在每個人員身上配備WIFI移動終端作為移動節(jié)點(diǎn)。安裝在礦井內(nèi)部的WIFI固定節(jié)點(diǎn)不斷地向外發(fā)射信號，移動節(jié)點(diǎn)在接收到信號后馬上發(fā)射一個反饋信號，固定節(jié)點(diǎn)基于反饋信號就可以判斷兩者之間的距離。可以作為WIFI移動終端的設(shè)備類型很多，結(jié)合礦井實(shí)際情況可以選擇支持WIFI功能的手機(jī)作為移動終端。

2.2 井上監(jiān)測管理部分

井下人員定位系統(tǒng)中，該部分的作用是對井下部分傳輸上來的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和處理，基于人員定位算法計(jì)算得到所有井下人員的準(zhǔn)確位置，并將計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)給現(xiàn)場工作人員，讓井上人員能實(shí)時掌握井下人員的具體狀態(tài)。

（1）系統(tǒng)服務(wù)器。作用就是對井下人員的具體位置進(jìn)行計(jì)算分析，為了提升人員定位的實(shí)時性，對服務(wù)器的性能要求相對較高。

（2）電腦及顯示屏。系統(tǒng)服務(wù)器計(jì)算得到的結(jié)果可以顯示在管理人員的電腦和顯示屏上，通過這樣的方式，井上人員就能實(shí)時掌握井下人員的具體情況。一旦井下出現(xiàn)安全事故，就能夠馬上根據(jù)井下人員具體位置做出正確的救援決策。

3 定位系統(tǒng)主要硬件選型與設(shè)計(jì)

基于WIFI技術(shù)的井下人員定位系統(tǒng)涉及到的硬件非常多，上述已對一些普通的硬件作了簡要介紹。WIFI無線接入點(diǎn)是本系統(tǒng)中的核心部分，因此這里只對接入點(diǎn)中涉及到的主要硬件進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)。系統(tǒng)中使用的硬件主要包括STM32F103單片機(jī)以及ATK-ESP8266 WIFI模塊。

3.1 STM32F103 單片機(jī)

該型號單片機(jī)屬于32位處理器，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。其工作溫度范圍在-40～80 ℃，存儲器的內(nèi)存達(dá)到512 kb，寄存器內(nèi)包含有非常多的資源可供使用，使用便捷。最重要的是該單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)WIFI無線通信，且具有非常豐富的拓展性能，可以對WIFI 功能進(jìn)行進(jìn)一步拓展。總之，STM32F103單片機(jī)完全能夠滿足井下人員定位系統(tǒng)的實(shí)際使用需要。

3.2 ATK-ESP8266 WIFI模塊

選擇的WIFI模塊具備有非常強(qiáng)大的性能，可以與不同電壓等級的單片機(jī)進(jìn)行配合使用。整個模塊的規(guī)格尺寸很小，長度和寬度分別只有29 mm和19 mm，可以通過接口與單片機(jī)進(jìn)行連接。單片機(jī)與WIFI模塊的配合使用能夠向外發(fā)射無線信號，同時接收外部發(fā)射過來的信號。還能將接收到的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行打包后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄媳O(jiān)測管理部分。

4 定位系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

4.4 移動節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

配備在井下人員身上的移動節(jié)點(diǎn)為具有WIFI 功能的手機(jī)，軟件程序通過Keil 5 實(shí)現(xiàn)，軟件程序的工作流程如下：開機(jī)后進(jìn)行初始化，測試是否能接受和發(fā)射WIFI無線信號。正常情況下處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)接收到固定節(jié)點(diǎn)發(fā)射過來的WIFI信號后，馬上反饋當(dāng)前所在的位置以及時間數(shù)據(jù)信息。完成本次任務(wù)后，將寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行清理，進(jìn)入下一個循環(huán)。如圖2所示為移動節(jié)點(diǎn)軟件程序流程圖。

圖2 移動節(jié)點(diǎn)軟件程序流程圖

4.2 固定節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

固定節(jié)點(diǎn)的作用是定時向外發(fā)射無線信號，接受來自移動節(jié)點(diǎn)的包含位置和時間的數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)信息經(jīng)過簡單處理打包傳輸至井上監(jiān)測管理部分。如圖3 所示為井下固定節(jié)點(diǎn)軟件程序工作流程圖。

圖3 固定節(jié)點(diǎn)軟件程序工作流程圖

4.3 井上監(jiān)測管理部分軟件設(shè)計(jì)

井上監(jiān)測管理部分需要對井下人員的具體位置進(jìn)行分析計(jì)算，定位算法利用本文提出的優(yōu)化方法，可以提升人員定位精度。還需要對井下安全狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，一旦出現(xiàn)安全事故時，就需要通過系統(tǒng)向井下人員發(fā)出警報(bào)并基于人員位置信息開展應(yīng)急救援工作。如圖4 所示為井上監(jiān)測管理部分軟件程序工作流程圖。

圖4 井上監(jiān)測管理部分軟件程序工作流程圖

5 結(jié)束語

井下人員定位系統(tǒng)在保障煤礦安全方面發(fā)揮著不可替代的作用，本文基于WIFI無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建了井下人員定位系統(tǒng)。考慮到傳統(tǒng)的三邊定位方法存在的缺陷，提出了精度更高的井下人員定位算法。將設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)用到工程實(shí)踐中，取得了較好的應(yīng)用效果。實(shí)際檢測發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地對井下人員進(jìn)行定位，定位精度可以達(dá)到厘米級，顯著提升了人員定位精度。系統(tǒng)在保障井下人員安全、維系礦井正常運(yùn)行方面具有重要的作用。