關于WiFi 通信技術的煤礦井下人員定位系統改進的研究

李治錦

（山西陽城陽泰集團西馮街煤業有限公司，山西 陽城 048100）

0 引 言

眾所周知，煤礦開采環境非常惡劣，安全事故時有發生。且煤礦事故發生往往具有很強的隨機性、不可預測性，同時井下通信條件差，傳統的電纜傳輸技術手段無法有效地保障井下與地面之間高效的信息傳輸。目前主流的無線通信技術是井下定位系統研究熱點，其擁有眾多優勢，可以快速布置、適應性好、可擴展性強等[1]。

基于無線傳輸WiFi 通信技術的煤礦井下人員定位系統，管理人員可實現對井下人員、設備動態情況的實時查詢。一旦發生安全事故，系統可以自動報警，并提交人員位置信息，為第一時間施救提供了有效保障。本文基于WiFi 通信技術對現有的煤礦人員定位系統進行了改進，提升了系統的監測能力、定位精度以及可擴展性，對于對于煤礦井下監控系統的升級改造具有良好的借鑒意義[2]。

1 井下定位系統需求分析

煤礦開采的井下作業一直也來都是一項比較危險的工作，為了盡可能降低事故對工作人員的傷害，需建立和完善一套人員定位系統，以助于咋事故發生時能夠第一時間了解人員所在位置并實施救助。

井下環境復雜，地面通信設備信號無法傳輸到下端，且在相對密閉的環境中容易出現瓦斯濃度偏高、環境溫度、空氣質量等問題。在設計人員定位系統時，為了滿足定位精確、信息傳輸能力強、操作方便的要求，對系統的設計需求進行分析。

1.1 功能需求

為了最大限度的保護井下作業人員的安全，應確保萬無一失，在突發的安全事故發生時，能夠發揮系統各項功能，解救被困人員，因此就要求井下人員定位系統具備如下幾個功能[3]：

1）能夠實現對井下所有人員位置的定位、顯示。

2）能夠實現對位置信號的記錄，并最終以軌跡的形式，顯示于地圖之中。

3）能夠查詢指定區域內，在一段時間內所有定位對象的分布情況。

4）當發生安全事故，系統能進行報警，并準確提供人員位置信息。

1.2 系統性能需求

礦井人員定位應用WiFi 技術，并結合企業自身的實際需求，以及通信特點，要求系統應具備如下的性能要求[4]：

1）高定位精度要求。理論上定位精度越高，越有利于實現對人員的準確定位，從而減少不必要的信息誤判。基于WiFi 技術實現的人員定位系統，結合高效準確的定位算法，可以有效提高其定位精度。

2）時效性。要求定位系統數據傳輸應具有較好的實時性，適當提高信號傳輸網絡通量，提升系統響應時間，確保人員在移動位置時，系統能及時更新。

3）系統的容量。系統容量大，可擴展性好；相反，如果系統容量小，當礦井規模不斷擴大的時候，系統可能不發兼容那么多設備，考慮到后期可擴展的要求，應保證系統容量足夠大[5]。

2 系統總體設計

定位系統以WiFi 通信技術為基礎實現對井下人員信息與相關設備的監控，系統通過終端節點與信號器之間的通信傳輸，采集井下工人的位置信息。并將采集的信息經路由器無線傳回地面服務器。定位系統初步設定目標是對工人位置的實時監控，對井下魚人考勤，以及活動軌跡的記錄，同時具備災害事故報警能力。如圖1 所示，為該系統架構示意圖。

圖1 井下人員定位系統架構圖

根據WiFi 通信技術的特點以及系統的應用需求，系統需要滿足相應的技術條件，如：低成本、低功耗、小型化、可拓展性、精度高，根據設計目標對系統硬件與軟件進行設計，確保系統性能達到使用要求。

2.1 系統硬件設計

WiFi 通信技術定位系統中節點通常由定位傳感器、處理器模塊、無線通信模塊、能量供應4 個模塊組成（見圖2），下面對主要的硬件設備進行說明[6]。

圖2 WiFi 通信網絡節點硬件模型

1）定位終端。如圖3 所示，選擇了M201A 型定位終端，其具有支持多種頻道WiFi 網絡信號的特點，且能夠自動上傳位置信息。具備緊急呼救功能，設置了報警按鈕，可實現人員的主動報警，和被動監測，對于作業人員的定位具有重要意義。

圖3 M201A 型定位終端

2）處理器。選擇了德州儀器公司生產SC2380 處理器，具有較好的使用性能，硬件支持CSMA/CA 功能，且具有較低的功耗，系統在處于休眠模式下僅0.5

uA 的流耗。集成適用于IEEE 802.1.2 標準的信號收發器，可以保障定位系統通信性能以及無線接收靈敏度，同時具有較強的抗干擾能力。

2.2 系統軟件設計

圖4 Wi-Fi 技術煤礦井下人員定位安全系統

圖4 為井下人員定位系統主界面，軟件操作系統主要基于IAR Embedded Workbench（又稱EW）開發工具，對煤礦井下人員定位管理系統進行了開發設計，結合煤礦自身特點，改進系統硬件配置，網絡傳輸硬件設備以及服務器。EW 用于對匯編的最大特點在于能夠兼容C 語言，易學容易上手。對原有操作界面上進行了集約化設計，創建將新增設的事故報警欄。

左側設置工具欄包括：人員監測、統計查詢、報警查詢、設備信息、人員管理、系統設置六大模塊。

3 人員定位系統測試運行

在完成人員定位系統的搭建后，需對系統性能進行實驗測試。根據系統布置到位后先期的運行情況來看。系統達到了設計目標，可以實現信息的及時交互、人員定位精度最大值不超過4 m。實現了對人員定位位置信息的記錄，并繪制人員運動軌跡如圖5 所示，為系統所記錄某人員在一段時間內在煤礦巷道中的軌跡圖。由于篇幅所限在此不再對每個功能實現的界面進行展示。

圖5 井下人員定位系統歷史軌跡界面

煤礦井下人員定位安全系統軟硬件的設計搭建成功，為煤礦礦井人員監測，提供了可靠有力的措施。在系統后期的使用中也證實達到了預期設定目標，系統在硬件、軟件層面均得到了改進優化。保障了企業的安全生產，很好地滿足了煤礦井下人員定位的實際需求。

4 結 論

1）針對現有定位系統存在定位精度低、硬件性能差等情況，對定位系統進行優化設計。首先，分析了系統的設計需求，并根據需求選擇相應的硬件，改進服務器、通信系統、定位終端，最后基于EW 開發工具對軟件操作系統進行了簡約化設計，改進軟件界面，提高實用性，最終完成對定位系統的構建。

2）對井下人員定位系統進行實驗測試分析，驗證了系統升級達到了預期設定目標，系統在硬件、軟件層面均得到了改進優化，提高了系統的精度與可靠性。能夠較好實現對井下人員軌跡追蹤，可為后續深入研究提供參考。