基于無線網絡技術的礦井人員定位系統研究與應用

張 帥

(中煤鄭州能源開發有限公司，河南 登封 452470)

近年來，我國很多地區出現了重大的礦井安全事故，引起了社會各界高度關注，對于煤礦領域的可持續發展造成了不良影響。煤礦開采比較特殊，需要在礦井內部完成相關作業工作，而礦井內部工作環境復雜，特別容易出現各種類型的安全事故[1]。一旦出現爆炸、坍塌等安全事故，就會對井下作業人員的生命安全構成嚴重威脅。為了提升井下人員的安全系數，煤礦企業采取了很多措施，其中對礦井人員進行定位是比較有效的措施之一[2]。在人員定位系統的輔助作用下，如果礦井出現安全事故，可以快速定位人員位置，并積極采取營救措施，在黃金救援時間內把被困礦井人員營救出來，保障他們的生命安全[3]。本文充分結合礦井實際情況，設計研究了一種基于無線網絡技術的井下人員定位系統，將其應用到工程實踐中，取得了較好的效果，值得其他煤礦企業借鑒。

1 基于無線網絡技術的定位方法

1.1 基于RSSI的定位原理分析

當前基于RSSI(基于接收信號強度指示)的定位技術在很多領域都得到了廣泛的應用。在具體應用過程中，其測距步驟可以分為2步[4]。

第1步是計算參考節點與待測節點之間的距離。根據距離來確定位置時，需要同時計算兩個參數，分別為兩者之間的距離和兩者之間的角度關系。基于RSSI技術測距時，RSSI可以是不同的信號，常見的包括無線RF信號、超聲波信號等。本系統主要使用ZigBee無線網絡實現井下人員定位，因此使用的是無線RF信號。在ZigBee無線網絡系統中，接收節點在獲得發射節點的信號時，能夠檢測到發射信號的衰減情況，根據信號衰減程度推算得到兩者之間的距離。

第2步是根據參考節點坐標計算得到待測節點的坐標。基于RSSI技術的測距原理如圖1所示。圖1(a)中，A、B、C均為接收節點，X為發射節點，在ZigBee無線網絡系統中，基于RSSI技術可以測量得到d1、d2、d3的大小。理想狀態下，以3個接收節點為圓心、以3個距離為半徑分別畫圓，3個圓交匯于一點，該點就是待測節點的坐標位置。

圖1 基于RSSI技術的測距原理示意Fig.1 Schematic diagram of the ranging principle based on RSSI technology

1.2 RSSI算法改進分析

以上是基于理想狀態得到的待測節點位置，但實際操作過程中，由于不同接收節點在接收時間上存在差異，且在計算距離時難免存在一定的誤差，最終出現的情況通常如圖1(b)所示，3個圓無法交匯于一點，而是形成一個重疊區域，即圖中的陰影部分。

為了克服以上缺陷問題，本定位系統在設計定位算法時，在上述算法的基礎上進行優化改進。根據圖1(b)所示，3個圓在交匯時會形成a、b、c3個點，3個交點形成一個三角形abc。求得三角形abc的質心，將該質心作為待測節點的坐標位置。

2 人員定位系統整體方案設計

2.1 系統整體方案

基于ZigBee無線網絡技術的礦井人員定位系統整體方案框架如圖2所示。從圖中可以看出，定位系統可以劃分為2大部分：第1部分為位于地面的監控調度中心；第2部分為位于井下的位置定位中心。網絡方面既包含有線網絡，也包含無線網絡。ZigBee子網絡內部、子網絡與定位分站之間都是通過無線信號進行數據傳輸。定位分站與光纖數據傳輸接口、定位分站與地面之間通過光纖網絡實現數據信息傳輸，充分利用了有線網絡和無線網絡各自的優勢，既保證了人員定位系統的靈活性，又保證了數據信息傳輸的可靠性和穩定性。

圖2 礦井人員定位系統的整體方案框架Fig.2 Block diagram of the overall scheme of mine personnel positioning system

地面監控調度中心主要包括數據傳輸接口、數據處理服務器、數據存儲服務器、人員活動軌跡顯示終端等。井下部分主要包括ZigBee子網絡、定位分站、光纖數據傳輸接口等，其中，ZigBee子網絡的作用是確定人員與已知節點之間的距離，并將相關的數據信息傳輸到服務器中進行分析處理，根據內置的定位算法獲得人員的位置信息。

2.2 ZigBee子網絡

基于ZigBee無線網絡技術的子網絡如圖3所示。由圖3可知，ZigBee子網絡主要包括路由器、定位終端和定位分站。其中路由器屬于已知節點，安裝在巷道固定位置，定位終端屬于待測節點，配置在井下人員身上。根據礦井實際情況，可以在巷道內設置多個定位分站，附近所有路由器接收的數據信息都通過ZigBee無線網絡傳輸到定位分站中。定位分站再通過光纖網絡將所有匯總的數據信息傳輸到地面監控調度中心進行分析和處理。

圖3 基于ZigBee無線網絡技術的子網絡示意Fig.3 Schematic diagram of sub-network based on ZigBee wireless network technology

為確保無線信號傳輸的穩定性，避免信號在傳輸過程中出現過度衰減的現象，定位系統中使用的是功率增強型ZigBee模塊[5]。此類型模塊的無線信號傳輸距離可達50～200 m。在配置ZigBee無線網絡時，路由器與定位分站，定位分站與定位分站之間的距離都控制在50～100 m范圍內。因此，可以確保無線信號傳輸的穩定性和可靠性。所有路由器的位置是已知的，位于人員身上的定位終端位置是未知的，定位終端會不斷向外發射信號，路由器接收信號，并根據上文所述的定位原理獲得人員的位置坐標。

2.3 光纖傳輸網絡

由于礦井深度較深，因此數據傳輸距離非常長，為確保數據傳輸過程的可靠性，采用光纖傳輸網絡實現數據信息的傳輸。光纖網絡傳輸速度完全能夠達到人員定位系統的實際使用需要，不管是語音信息、視頻信息、還是圖片信息，都能夠快速地從井下傳輸到地面監控調度中心。定位系統在配置網絡時全部采用TCP/IP協議，保證所有分站網絡的兼容性。光纖網絡中設置有多個數據傳輸接口，所有定位分站采集到的信息都通過有線網絡接入這些接口，定位分站與光纖數據傳輸接口之間通過RS232實現數據傳輸。

3 人員定位系統硬件選型設計

3.1 ZigBee無線芯片的選型

當前ZigBee無線網絡技術已經發展非常成熟，很多公司對ZigBee無線芯片進行了大量研究，開發了很多產品，市場上有很多種無線芯片可供選擇。在分析不同芯片優勢和劣勢、結合實際情況的基礎上，最終選用的是CC2530芯片[6]。此芯片不僅造價低，并且性能穩定、功耗較低。使用的處理器為增強型的8015型微處理器，可以同時完成信號的發射與接收工作。接口豐富，可以和多種類型的外設進行連接，具有良好的拓展性。閃存空間和RAM空間大小分別為256 kB和8 kB，其中閃存空間主要用于常規任務處理，RAM空間主要用于復雜ZigBee任務的處理。

3.2 定位終端設計

定位終端即定位系統中的待測節點，需要攜帶在井下工作人員的身上。因此在設計時需要充分考慮攜帶的便捷性，必須體積小、質量輕。由于定位終端需要攜帶在人員身上進行移動，所以供電方面只能采用電池進行供電。定位終端選用的是CC2530模塊[7]。定位系統中定位終端的基本結構如圖4所示。由圖4可知，CC2530模塊除了電池外，還包括LED指示燈、報警模塊、緊急求救按鈕。CC2530模塊工作時需要的電源電壓為2.0～3.6 V，因此該模塊配備的電池為3.3 V，同時利用二極管進行串聯供電，防止電流反向流動。定位終端能夠正常工作時，LED指示燈以每秒一次的頻率進行閃爍，如果LED指示燈常亮不滅，說明電池電壓不足，需要更換電池。如果LED指示燈以很快的頻率閃爍，說明地面監控調度中心提示井下存在安全隱患。井下工作人員遇到特殊情況需要救援時，可以按下緊急求救按鈕，CC2530模塊立即向外發出求救信號。

圖4 定位終端的基本結構Fig.4 Basic structure of positioning terminal

3.3 路由器的設計

路由器是井下人員定位系統中的參考節點，安裝在巷道中的規定位置，且位置坐標是已知的，理論上講，CC2530模塊在發射無線RF信號時，其功率可達4.5 dBm，但礦井工作環境復雜，實際發射功率可能達不到理論值，為確保CC2530模塊的發射功率達到相關要求，可增加設置1臺功率放大器。路由器需要隨時接收來自定位終端發射的無線RF信號，需24 h連續工作。考慮到路由器位置比較固定，采用本安型不間斷電源對其進行供電[8]。

根據我國煤礦領域相關規范標準，井下使用的電源電壓等級為127 V交流電，而定位系統中使用的路由器需用2.0～3.6 V的電壓供電。系統設計了專門的供電電路，將127 V交流電轉換成為3.3 V直流電對路由器進行供電。路由器還配備了3.3 V的電池，以備特殊情況下不間斷電源無法正常工作，可以緊急啟用電池進行供電。本安型不間斷電源的原理框圖如圖5所示。

圖5 本安型不間斷電源的原理Fig.5 Principle of intrinsically safe uninterruptible power supply

4 定位過程軟件設計研究

4.1 協調器軟件設計

協調器是ZigBee子網絡中的重要構成部分，其重要作用是構建基于ZigBee無線網絡的定位網絡系統，自動對井下各定位分站和路由器分配網絡地址。此外，還需要接收地面調度監控中心下達的任務，對節點的數據進行科學配置[9]。各節點運行過程中產生的網絡相關數據同樣需要通過協調器反饋到地面監控中心。如圖6所示為ZigBee子網絡協調器工作流程圖。由圖可知，協調器需要同時接收來自地面PC機的數據和井下各個節點的數據，并傳輸到對應的終端。

圖6 ZigBee子網絡協調器工作流程Fig.6 ZigBee sub-network coordinator work flow chart

4.2 參考節點軟件設計

設計的礦井人員定位系統中參考節點就是路由器，參考節點是安裝固定在巷道對應位置上的，其位置信息是已知的。參考節點在整個ZigBee無線網絡系統中需要不斷地接收來自待測節點向外發出的信號，通常向外發出的信號中包含有人員編號ID，以便識別具體人員。參考節點將信號強度值進行初步分析處理后，通過ZigBee無線網絡將這些數據發送到井下定位分站，打包發送的還包括該參考節點的坐標信息。人員定位系統中參考節點的工作流程如圖7所示。

圖7 人員定位系統中參考節點的工作流程Fig.7 Work flow chart of the reference node in personnel positioning system

4.3 待測節點軟件設計

待測節點直接配置在井下工作人員的身上，人員在移動過程中會攜帶待測節點發生對應的移動。為了確定人員的位置信息，待測節點會不斷地向周圍發射位置請求，即不斷向外發送無線RF信號，信號中包含有該人員的編號ID[10]。無線RF信號會同時被周圍的多個參考節點接收，由于無線RF信號在空氣中傳播時會逐漸衰減，參考節點接收到信號后會判斷信號衰減的程度，即得到RSSI值。人員定位系統接收到3個以上參考節點關于某個待測節點在相同時刻的數據后，就可以根據內置算法計算得到該待測節點的坐標。井下人員定位系統待測節點的工作流程如圖8所示。

圖8 井下人員定位系統待測節點的工作流程Fig.8 Work flow chart of node to be tested in underground personnel positioning system

5 礦井人員定位系統的應用研究

根據以上設計方案，完成了基于無線網絡技術的礦井人員定位系統，并將該系統應用到煤礦工程實踐中。為了檢驗系統的實踐運用效果，對其運行情況進行了連續3個月的測試。

在礦井人員定位系統搭建完成初期，為了檢驗系統的定位精度，開展了一次檢驗實驗工作。實驗過程中安排50名實驗人員同時在礦井內部移動，所有實驗人員的具體位置信息已知。利用定位系統對50名實驗人員的位置信息進行檢測。將實驗檢測結果與實際位置進行對比分析，以檢驗系統的檢測精度。通過此次實驗發現，所有人員的檢測結果數據很快反饋到地面監控調度中心的監控大屏上，說明檢測過程速度非常快，結果反饋比較及時。如圖9所示為基于ZigBee無線網絡技術的礦井人員定位系統定位結果精度的實驗統計情況，由圖中數據可以看出，50位實驗人員的位置定位結果精度誤差全部控制在了0.45 m范圍內，可見，該定位系統的定位精度非常高，完全能夠滿足礦井人員定位的基本需求。

圖9 礦井人員定位系統定位精度實驗結果Fig.9 Experimental results of positioning accuracy of mine personnel positioning system

在連續3個月的測試過程中，礦井人員定位系統的整體運行比較穩定，沒有出現明顯的故障問題。礦井中使用人員定位系統以后，管理人員以及調度人員可以在地面監控調度中心的監控大屏上，隨時掌握井下的人員數量、所有人員的位置信息以及他們的行動軌跡。特殊情況下還可以對井下人員的位置進行調度，極大地提升了人員調度效率，降低了管理人員的工作量。一旦礦井中出現各種類型的安全事故，救援人員可以在地面監控大屏上實時掌握井下所有人員的位置信息，并根據不同人員的位置針對性地開展應急救援工作，為救援爭取更多的寶貴時間，將事故次生災害控制在最低水平。

綜上所述，設計的基于ZigBee無線網絡技術的礦井人員定位系統具有很高的定位精度，并且系統運行穩定。定位系統的成功應用，顯著提升了礦井的自動化和智能化水平，礦井的安全系數也有了顯著提升，為礦井人員的生命安全提供了堅實的后盾。獲得了礦井人員的一致好評，為煤礦企業創造了良好的安全效益。

6 結論

主要研究了基于ZigBee無線網絡技術的礦井人員定位系統，并將其應用到工程實踐中，所得結論主要包含以下幾個方面：

(1)考慮到傳統的基于RSSI的人員定位原理在實踐中存在的缺陷問題，對定位算法進行了優化改進，改進后的算法更加切合實際情況，所得結果更加精確。

(2)設計的人員定位系統分為兩大部分，分別為地面監控調度中心和井下人員定位中心。井下部分主要利用ZigBee無線網絡技術進行數據信息交互，井下和地面之間由于距離較遠，為了確保數據傳輸的可靠性和穩定性，通過光纖網絡進行數據傳輸。

(3)將礦井人員定位系統運用到煤礦工程實踐中，對其實際使用效果進行了實驗測試，發現定位精度可以控制在0.45 m范圍以內，精度較高，且定位時間很短。此次設計基本達到了預期效果，為煤礦企業創造了較好的安全效益。