盧宇帥

(廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州510520)

基于改進(jìn)加權(quán)質(zhì)心算法的煤礦井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盧宇帥

(廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州510520)

針對(duì)目前大多井下監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)法實(shí)時(shí)準(zhǔn)確提供井下人員動(dòng)態(tài)分布與作業(yè)情況以及傳統(tǒng)定位算法的定位精度低等問(wèn)題，結(jié)合井下施工的具體要求，設(shè)計(jì)出一種基于改進(jìn)加權(quán)質(zhì)心算法的人員定位系統(tǒng)。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，同時(shí)針對(duì)普通質(zhì)心算法及傳統(tǒng)加權(quán)質(zhì)心算法的缺點(diǎn)設(shè)計(jì)了改進(jìn)加權(quán)質(zhì)心算法，運(yùn)用該算法來(lái)求解位置點(diǎn)的坐標(biāo)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，證明了該算法在很大程度上提升了定位精度。

井下人員定位；無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)；加權(quán)質(zhì)心算法；定位技術(shù)

面對(duì)煤礦突發(fā)事故，井上監(jiān)控中心能否及時(shí)有效的提供井下作業(yè)人員的數(shù)量、人員的分布情況以及巷道損毀程度等的有效信息，將決定能否及時(shí)有效地制定科學(xué)的救援方案，最大程度的保證人員生命安全，并最大程度減少財(cái)產(chǎn)損失。所以，研究并開(kāi)發(fā)有效的井下定位系統(tǒng)，不僅僅是響應(yīng)國(guó)家的生態(tài)文明建設(shè)的號(hào)召，更是我國(guó)礦業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)工業(yè)信息化、管理現(xiàn)代化所必須的。高瓦斯、稀氧氣、高潮濕等復(fù)雜多變的環(huán)境因素直接影響了無(wú)線(xiàn)通訊的質(zhì)量，而要想實(shí)現(xiàn)對(duì)井下人員實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)控又需要獲得實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，這些都是傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，這就對(duì)礦用無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)的理論研究提出了新的挑戰(zhàn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于ZigBee 設(shè)計(jì)的井下人員定位系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)包括協(xié)調(diào)器、路由器以及終端設(shè)備，另外也可將它們分別叫做網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、參考節(jié)點(diǎn)以及定位節(jié)點(diǎn)其功能分別如下所示。

1)協(xié)調(diào)器(網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn))。起控制和協(xié)調(diào)的作用，它決定著無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能否正常組建。

2)路由器(參考節(jié))。起中轉(zhuǎn)的作用，另外也可發(fā)揮協(xié)調(diào)器的一些功能。

3)終端設(shè)備(定位節(jié)點(diǎn))。它是集成了特定功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，既可以作FFD設(shè)備也可以做精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)。

定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

運(yùn)用芯片CC2530F64作為模塊核心，該芯片能夠供給各樣的外部設(shè)備很多I/O引腳接口，這也就使得其能設(shè)計(jì)研發(fā)高級(jí)應(yīng)用程序以滿(mǎn)足不同用戶(hù)需求；其還具備有完善的5通道DMA功能以及在理論前提下的ADC能夠?qū)崿F(xiàn)7～12位的分辨率，與此同時(shí)還具有溫度傳感器通道、自動(dòng)完成定期采樣或切換通道以及2個(gè)USART來(lái)實(shí)現(xiàn)各種串行通信協(xié)議等功能。CC2530F64芯片具備多個(gè)工作方式以及完善的通信協(xié)議，這也使得其能夠在惡劣工作環(huán)境下保持很低的能耗。

2.1 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)是ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器及全無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息的中樞。ZigBee協(xié)議技術(shù)規(guī)范內(nèi)給出網(wǎng)絡(luò)主要包含網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、參考節(jié)點(diǎn)及定位節(jié)點(diǎn)三種類(lèi)別的設(shè)備，其中網(wǎng)關(guān)電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖1 井下人員定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)框圖

CC2530無(wú)線(xiàn)模塊設(shè)計(jì)：網(wǎng)關(guān)的主要包含無(wú)線(xiàn)接發(fā)數(shù)據(jù)與發(fā)起并建立網(wǎng)絡(luò)等功用。由CC2530F64芯片控制以及運(yùn)用較少構(gòu)件建立最小的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，其主要包括射頻輸入/輸出、時(shí)鐘以及接口等電路，其系統(tǒng)電路見(jiàn)圖3。

3 軟件設(shè)計(jì)

硬件是定位系統(tǒng)完成工作的重要前提條件，軟件是每個(gè)設(shè)備相互聯(lián)通構(gòu)成無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)完成定位功能的重要保障。

3.1 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)是定位系統(tǒng)里最重要的一環(huán)，其主要工作是：①完成收發(fā)監(jiān)控主機(jī)下達(dá)給各節(jié)點(diǎn)的任務(wù)信息；②采集結(jié)點(diǎn)反饋信息并轉(zhuǎn)述至主機(jī)。其工作流程見(jiàn)圖4。

3.2 參考節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

選用井下礦燈用鋰電池為參考節(jié)點(diǎn)供電，其位置坐標(biāo)固定，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的主要功能是將信號(hào)強(qiáng)度以及自身坐標(biāo)置于數(shù)據(jù)包并輸送至待定位節(jié)點(diǎn)，待定位結(jié)點(diǎn)要憑借參考節(jié)點(diǎn)為前提加入網(wǎng)絡(luò)。參考節(jié)點(diǎn)安置在在巷道壁及其分岔點(diǎn)、直井等地方，其工作流程見(jiàn)圖5。

3.3 定位節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

定位節(jié)點(diǎn)通常情況由井下工作人員隨身佩戴，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)通訊能夠覆蓋的區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)參考節(jié)點(diǎn)信息強(qiáng)度以及坐標(biāo)位置，隨之根據(jù)輸入?yún)?shù)運(yùn)用定位算法運(yùn)算出位置坐標(biāo)，并將該信息經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)傳輸至監(jiān)控主機(jī)，其工作流程見(jiàn)圖6。

3.4 改進(jìn)的加權(quán)質(zhì)心定位算法設(shè)計(jì)

假定N個(gè)參考節(jié)點(diǎn)B1(x1，y1)，B2(x2，y2)，…，BN(xN，yN)，定位節(jié)點(diǎn)M(x，y)采集到每個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度分別是S1，S2，…，SN。

1)普通的質(zhì)心算法見(jiàn)式(1)。

(1)

根據(jù)普通的質(zhì)心算法公式能夠得出，該算法只是單純的利用坐標(biāo)進(jìn)行定位估計(jì)，一旦三個(gè)已知節(jié)點(diǎn)所接收的信號(hào)強(qiáng)度值不一樣，并且各節(jié)點(diǎn)所接收的信號(hào)強(qiáng)度值的誤差比較大時(shí)，那么其定位精度是很低的。

2)傳統(tǒng)的加權(quán)質(zhì)心算法見(jiàn)式(2)。

(2)

式中，Wi表示定位機(jī)電與參考節(jié)點(diǎn)間的距離的函數(shù)。

對(duì)于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，接收信號(hào)強(qiáng)度受環(huán)境的干擾可能會(huì)產(chǎn)生極大的偏差。當(dāng)定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位置計(jì)算時(shí)如果僅考慮定位節(jié)點(diǎn)到某個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的接收信號(hào)強(qiáng)度值而不進(jìn)行修正，那么會(huì)使得算法的誤差較大。

3)改進(jìn)的加權(quán)質(zhì)心算法設(shè)計(jì)。規(guī)定Rji是定位節(jié)點(diǎn)M于參考節(jié)點(diǎn)Bj、Bi采集獲得的信號(hào)強(qiáng)度的比值，其表達(dá)式見(jiàn)式(3)。權(quán)值計(jì)算見(jiàn)式(4)。最終運(yùn)算獲得改進(jìn)的加權(quán)質(zhì)心算法公式，見(jiàn)式(5)。算法流程見(jiàn)表1。

(3)

圖3 CC2530F64系統(tǒng)電路圖

圖4 網(wǎng)關(guān)工作流程圖

圖5 參考節(jié)點(diǎn)工作流程

圖6 定位節(jié)點(diǎn)工作流程圖

(4)

(5)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

運(yùn)用Matlab模擬一個(gè)4.2 m×200 m代表井下主巷道寬、長(zhǎng)的大區(qū)域覆蓋的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并且任意安置參考及定位節(jié)點(diǎn)，分別設(shè)定參考節(jié)點(diǎn)通訊半徑以及未確知目標(biāo)數(shù)目分別是100 m、100個(gè)，實(shí)驗(yàn)中，所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)都取100次實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的平均值。該實(shí)驗(yàn)假定了信號(hào)損耗的路徑衰減因子分別是n=2.2以及n=4.8兩種場(chǎng)景，分別實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的加權(quán)質(zhì)心、普通質(zhì)心以及傳統(tǒng)的加權(quán)質(zhì)心這三種算法的對(duì)比分析，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

根據(jù)圖7可知，改進(jìn)的加權(quán)質(zhì)心算法定位精度在很大程度上均提升了很多。根據(jù)圖7(a)能夠看出隨著參考節(jié)點(diǎn)數(shù)目的改變，改進(jìn)的加權(quán)質(zhì)心算法的精度較普通質(zhì)心及傳統(tǒng)的加權(quán)質(zhì)心算法分別提升了56.23%～76.21%、8.79%～15.11%；根據(jù)圖7(b)能夠看出隨著參考節(jié)點(diǎn)數(shù)目的改變，改進(jìn)的加權(quán)質(zhì)心算法的精度較普通質(zhì)心及傳統(tǒng)的加權(quán)質(zhì)心算法分別提升了48.98%～51.89%、10.97%～13.46%。

改進(jìn)的加權(quán)質(zhì)心算法提高了定位結(jié)果的準(zhǔn)確性，使得井上監(jiān)控中心能夠準(zhǔn)確掌握井下人員位置、工作狀態(tài)等信息，為提升井下作業(yè)人員科學(xué)管理和生產(chǎn)安全提供保障，不僅具有學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值，也具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和深遠(yuǎn)的社會(huì)意義。

表1 算法流程

圖7 定位誤差

5 結(jié) 論

本文以ZigBee網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)對(duì)煤礦井下人員定位系統(tǒng)進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)以及該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，與此同時(shí)還設(shè)計(jì)了改進(jìn)的加權(quán)質(zhì)心定位算法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該算法的準(zhǔn)確性，其信號(hào)損耗的路徑衰減因子無(wú)論是n=2.2，還是n=4.8，該算法的定位精度在很大程度上都得到了提升。

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Design of coal mine personnel positioning system based on the weighted centroid algorithm

LU Yushuai

(Guangdong Institute of Engineering Technology，Guangzhou 510520，China)

For most of the current underground monitoring system can not provide accurate real-time downhole dynamic distribution of personnel and operations as well as the traditional location algorithm positioning accuracy and low，combined with the specific requirements of underground construction，design personnel positioning system based on improved weighted centroid algorithm.Software and hardware design of the system is described in detail，but for the shortcomings common centroid algorithm and the traditional weighted centroid algorithm is designed to improve the weighted centroid algorithm，using this algorithm to solve the coordinates of the location of the point，the experiment comparative analysis proved that the algorithm in large part to enhance the positioning accuracy.

underground personnel positioning；wireless sensor networks；the weighted centroid algorithm；positioning technology

2016-08-08

盧宇帥(1985-)，山西神池人，講師，研究方向?yàn)榭刂乒こ獭?/p>

TD76

A

1004-4051(2017)02-0169-05