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(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京100083)

引 言

由于基礎(chǔ)薄弱，再加上煤礦井下作業(yè)深入地下、環(huán)境惡劣、設(shè)備簡陋、地形復(fù)雜等種種客觀原因，近年來，煤炭業(yè)生產(chǎn)安全事故頻頻發(fā)生。這已經(jīng)成為限制煤炭企業(yè)發(fā)展的重要因素，直接造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會影響[1]。

煤礦開采擁有其特殊性，有線通信設(shè)備并不適用，RSSI、WiFi、ZigBee等一批具有優(yōu)勢性的無線通信技術(shù)在國內(nèi)外的煤礦行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。無線通信技術(shù)作為井下通信、以及定位等方面的有益補(bǔ)充，在煤炭企被廣泛應(yīng)用。WiFi無線通信技術(shù)以其容易組網(wǎng)、傳輸速度快等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用，具有廣闊的發(fā)展前景。Ekahau公司開發(fā)了一套基于WiFi的實(shí)時定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)由管理器、服務(wù)器和客戶端構(gòu)成，管理器收集WLAN信號，并構(gòu)建一個位置數(shù)據(jù)庫；服務(wù)器根據(jù)客戶端的定位計算模型來計算位置信息；系統(tǒng)的準(zhǔn)確性是收集到的信號數(shù)據(jù)數(shù)量的函數(shù)。中國煤礦行業(yè)有著地質(zhì)條件復(fù)雜，井下空間狹小等一系列特點(diǎn)，導(dǎo)致信號衰減速度快，不能準(zhǔn)確傳輸數(shù)據(jù)、無法達(dá)到定位精度等一系列問題[2]。

本課題結(jié)合WiFi定位技術(shù)與計步技術(shù)進(jìn)一步提高井下人員定位精確度，且擴(kuò)展了面向煤礦井下人員安全的綜合功能，將井下人員誤入危險區(qū)域檢測、井下人員摔倒?fàn)顟B(tài)檢測結(jié)合。把傳統(tǒng)煤礦安全系統(tǒng)獨(dú)立的檢測井下人員各方面安全信息統(tǒng)一管理，綜合分析。

該裝置統(tǒng)一獲取井下人員精確定位信息、誤入危險區(qū)域檢測信息、井下人員摔倒?fàn)顟B(tài)信息。該裝置利用計步技術(shù)與步長估計算法提高井下人員的定位精確度。對誤入危險區(qū)域的井下人員進(jìn)行報警提醒，警示人員已經(jīng)進(jìn)入危險區(qū)域，應(yīng)立即安全撤離。該裝置實(shí)時監(jiān)測井下人員是否摔倒，一旦發(fā)現(xiàn)井下人員有摔倒?fàn)顩r，則重點(diǎn)監(jiān)測，若發(fā)現(xiàn)摔倒情況嚴(yán)重者，及時進(jìn)行安全救助。該裝置通過WiFi無線通信，與周圍基站以及井上系統(tǒng)保持信息通信，由于WiFi無線通信具有帶寬、無線電波覆蓋范圍廣、傳輸速度快、易組網(wǎng)、成本低、發(fā)射功率低、終點(diǎn)便捷、兼容性好等特點(diǎn)，能保障地面與井下人員信息溝通的及時性以及對井下人員管理的便捷性[3]。

1 硬件設(shè)計

本裝置由單片機(jī)STM32F103、WiFi模塊DS0047CN-EMW3166、加速度傳感器MMA7260Q、液晶顯示屏LCD12864，4×4矩陣鍵盤以及電源管理模塊組成，其硬件連接如圖1所示。STM32F103屬于32位ARM微控制器，其內(nèi)核是Cortex-M3，該系列芯片是意法半導(dǎo)體(ST)公司出品，低功耗、體積小，適合使用在可穿戴設(shè)備中。STM32F103連接各個模塊，是整個裝置的核心元件。它接收傳感器和WiFi模塊的信號，然后經(jīng)過事先存儲好的程序進(jìn)行運(yùn)算，得出結(jié)果，再把信號導(dǎo)出到顯示屏上。

圖1 硬件連接圖

DS0047CN-EMW3166是低功耗、小體積、高性能嵌入式WiFi模塊，內(nèi)置高性能、低功耗Cortex-M4微控制器、256 KB SRAM+3 MB Flash，并具有多種模擬、數(shù)字外設(shè)接口，3.3 V單電源供電，工作溫度在-30～+85 ℃，郵票孔封裝形式，適合井下工作環(huán)境。攜帶WiFi模塊的人員定位裝置進(jìn)行定位時，工作狀態(tài)WiFi 基站向所在空間發(fā)出信號, WiFi模塊接收附近基站發(fā)出的信號，通過比較接收到各基站信號的強(qiáng)弱完成數(shù)據(jù)處理，便可得知穿戴定位裝置人員的位置，并將結(jié)果傳送至單片機(jī)。

加速度傳感器MMA7260Q的內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)是在單一芯片上集成3個相互獨(dú)立、測量方向相互垂直的敏感元的測量模塊，其是由多晶硅微加工表面工藝制成的電容式加速度傳感器；由硅片表面的彈性結(jié)構(gòu)支撐起的質(zhì)量塊下面貼附電容的一個極板，電容的另一極板固定。當(dāng)加速度引起質(zhì)量塊的相對位置變化時，電容值也發(fā)生變化，然后經(jīng)過電容電壓轉(zhuǎn)換電路和放大濾波電路后輸出與加速度成正比的電壓信號。可穿戴裝置實(shí)時采集三軸加速度數(shù)據(jù)，求得合加速度數(shù)據(jù)，結(jié)合合加速度幅值檢測算法以及時間差檢測算法，確定計步數(shù)據(jù)。根據(jù)步長模型算法得到對應(yīng)步長數(shù)據(jù)，則可得到佩戴裝置人員的具體位置，可在原有定位基礎(chǔ)上提高定位的準(zhǔn)確性。同時，可通過計算后的數(shù)據(jù)變化判斷人員是否摔倒。

2 軟件設(shè)計

2.1 定位功能軟件設(shè)計

基于WiFi的井下人員定位系統(tǒng)在井下原有的基站和分站上加以改造，建立多個無線基站，建立WiFi網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)井下巷道的無線覆蓋，系統(tǒng)通過帶有 WiFi模塊與三軸加速度傳感器的定位裝置來進(jìn)行定位、通信。當(dāng)一個攜帶裝置的井下人員進(jìn)入工作區(qū)域之后，裝置的WiFi模塊自動掃描并選擇信號強(qiáng)度最強(qiáng)的WiFi基站連接,這種選擇是通過使用AP的MAC以及掃描到的信號強(qiáng)度指示RSSI值自動完成的。

當(dāng)裝置移動到不同的WiFi信號區(qū)域時，WiFi會重新掃描，并與信號強(qiáng)度較強(qiáng)的WiFi基站重新建立關(guān)聯(lián)。關(guān)聯(lián)得到的RSSI值會與設(shè)定的RSSI閾值進(jìn)行強(qiáng)度判定。如果RSSI值大于設(shè)定的RSSI閾值，就以該基站的坐標(biāo)位置進(jìn)行定位，否則，就利用計步算法進(jìn)行定位。當(dāng)信號強(qiáng)度正好為設(shè)定RSSI閾值時，把當(dāng)時的實(shí)時位置作為當(dāng)前裝置的初始坐標(biāo)位置。同時，定位裝置實(shí)時采集三軸加速度傳感器數(shù)據(jù)，求得合加速度數(shù)據(jù)，結(jié)合合加速度賦值檢測算法以及時間差檢測算法，確定計步數(shù)據(jù)。根據(jù)步長模型算法得到對應(yīng)步長數(shù)據(jù)，即攜帶裝備的井下人員的移動距離，這樣便可得到攜帶裝置的井下人員的精確定位。最后通過井上服務(wù)器的電子地圖得以顯示其具體位置[4]。定位功能流程圖如圖2所示。

圖2 定位功能流程圖

2.2 防摔倒檢測功能軟件設(shè)計

綜合功能定位裝置通過實(shí)時采集三軸加速度傳感器的數(shù)據(jù)，對得到的三軸加速度數(shù)據(jù)處理求得合加速度值，定位裝置內(nèi)記錄一定時間內(nèi)的加速度變化曲線，通過合加速度變化曲線判斷用戶摔倒?fàn)顟B(tài)。當(dāng)某時刻合加速度值大于預(yù)先設(shè)定的合加速度閾值(考慮下蹲和俯身與摔倒的關(guān)系設(shè)定)，并在一定時間內(nèi)加速度處于零且沒有恢復(fù)正常的合加速度值時，判定該攜帶裝置的井下人員摔倒。此時設(shè)備向井上服務(wù)器傳達(dá)人員處于摔倒?fàn)顟B(tài)的信息，通知井上人員對該井下人員采取相應(yīng)急救措施。如果是誤報警，該攜帶裝置的人員可以通過誤報警按鈕取消。防摔倒檢測功能軟件設(shè)計流程如圖3所示。

圖3 防摔倒檢測功能軟件設(shè)計流程

結(jié) 語

[1] 于平.煤礦井下人員定位系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].環(huán)球市場，2016(15)：41-43.

[2] 何偉剛，吳其琦.煤礦井下小型無線定位器的設(shè)計[J].煤礦機(jī)械，2013(10)：154-156.

[3] 蘇靜，吳桂義.煤礦井下人員定位系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2012(9):111-112.

[4] 季利佳.基于WiFi和ZigBee技術(shù)的無線通信及人員定位系統(tǒng)在礦山的應(yīng)用[J].電子世界，2016(14).